超高層智能建筑雷電防護(hù)技術(shù)探討

雒新萍，劉春敏

（1.陜西省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布中心，西安 710014；2.楊凌氣象局，陜西 咸陽(yáng) 712100）

超高層智能建筑覆蓋了各種電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，因此極可能受到雷電電磁脈沖的襲擊，電磁脈沖可能導(dǎo)致建筑各信息系統(tǒng)的損壞，造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遺失，使超高層智能系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，若因雷電而造成電子信息系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，給社會(huì)帶來的損失將是難以估量的，從而造成無法彌補(bǔ)的損失，這就要求在對(duì)超高層智能建筑設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到建筑智能系統(tǒng)如何能有效防止雷電給建筑體本身造成破壞。雷電是因大氣放電而產(chǎn)生的自然現(xiàn)象，雷電一旦擊中智能電子設(shè)備，不但會(huì)造成重要數(shù)據(jù)的丟失，設(shè)備無法使用，還可能引起火災(zāi)，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。若不采取相應(yīng)的防范措施，很有可能導(dǎo)致建筑物被雷電擊中，帶來經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的人員傷亡，因此超高層智能建筑的設(shè)計(jì)規(guī)劃中，必須建立快速有效的智能防雷體系，這是使該建筑能夠長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的關(guān)鍵。

1 概況

某建筑位于廣西南寧市，臨江而立，是一座高約435 m的超高層綠色建筑，集國(guó)際品牌五星級(jí)酒店、商業(yè)、辦公、餐館和娛樂等多種功能于一體，是南寧市新焦點(diǎn)，豐富南寧市商業(yè)新格局，成為南寧市乃至整個(gè)中國(guó)西南部的標(biāo)志性綜合體。

1.1 外部防雷的接閃器設(shè)計(jì)

接閃器的主要任務(wù)就是接收閃電，并讓建筑物的其他部分不受破壞，而是全部都由接閃器來承受。因?yàn)楸窘ㄖ闹鳂墙ㄖY(jié)構(gòu)較為特殊，其建筑屋頂為玻璃屋頂，故保留了2組接閃方案設(shè)計(jì)，一是在主樓房頂設(shè)有接閃桿塔和接閃器，并且船桅高度要大于外層窗戶；二是在樓頂設(shè)有接閃帶，網(wǎng)格的尺寸則要根據(jù)第一類防雷建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行選擇。

方法1：所用高壓避雷器采用早期充放電原理，主動(dòng)接閃。但是，如果避雷器的金屬框架是由最科學(xué)的金屬框架制成的，那么避雷器的金屬框架也可以作為最合理的避雷器材料。還可以選擇多個(gè)短棒的接閃方式，以便通過部分分流的方式將雷擊電流從引下線分散到各個(gè)方向。2種類型中最受歡迎的是避雷針，ESEGZU-5AB引腳和5A3型首選避雷針是不錯(cuò)的選擇，如圖1所示。

圖1 多桿接閃方案

方法2：先設(shè)置接閃網(wǎng)絡(luò)組，或在屋頂設(shè)置接閃帶。接閃網(wǎng)一般有明敷與暗敷之分，但這里還是建議使用明敷的方法。暗敷接閃網(wǎng)就是將接閃網(wǎng)直接安裝于混凝土中，在施工中則直接使用鋼筋砼中的鋼筋架構(gòu)為隱藏式的接閃網(wǎng)。

混凝土中的鋼梁結(jié)構(gòu)都是受雷擊的隱蔽網(wǎng)。開放式網(wǎng)孔通常是長(zhǎng)圓形鋼板或鋼底板。建筑開放式網(wǎng)絡(luò)方案的電網(wǎng)規(guī)模根據(jù)中國(guó)式防雷接地建筑的特點(diǎn)設(shè)置。接閃網(wǎng)絡(luò)一級(jí)防雷建筑物的網(wǎng)格長(zhǎng)度約為：小于等于5×5 m或小于等于6×4 m。設(shè)計(jì)方法可以選擇如圖2所示。

圖2 部分接閃網(wǎng)示意圖（單位：m）

1.2 玻璃幕墻防側(cè)擊雷及均壓環(huán)

某國(guó)際中心為總高約435 m的超高層城市綜合樓，總高遠(yuǎn)度大于地面滾球零點(diǎn)五徑高度，除樓頂之外還必須設(shè)計(jì)完善的防直擊雷措施，一旦屋頂落于距地面滾球的零點(diǎn)五徑標(biāo)高之上就需要做好防雷接地，而玻璃幕墻必須安裝于建筑物的外部構(gòu)架之上，外征在物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別的翻筑負(fù)荷，內(nèi)部構(gòu)架必須為全金屬主骨架，還必須在相應(yīng)的高度距離上設(shè)置接閃環(huán)帶，并與引下線安全連接。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)球法的相關(guān)理論，當(dāng)雷擊電流低于上述計(jì)算的雷擊電流值時(shí)，雷擊可直接作用于建筑物而無需避雷器，建筑物將受到攻擊。本項(xiàng)目超高層綠色智能建筑高度約435 m，閃距較大。如果h1=435 m，相應(yīng)的雷電電流為（435/10）15=286.9 kA，則本訂單屋頂避雷器可以成功驗(yàn)收。然而，如果閃電從較短的距離進(jìn)入屋頂，避雷器可能不被接受，因此會(huì)發(fā)生側(cè)面攻擊。根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，建筑物內(nèi)的直擊雷防護(hù)裝置有3種。玻璃隔墻僅用于二類和三類建筑，起始高度為45 m，這意味著作為玻璃隔墻的二類建筑的防雷措施從h1=45 m處開始，當(dāng)前雷電高度為L(zhǎng)=9.5 m。在+45~435 m之間，應(yīng)采取防止側(cè)面雷擊的措施，防止側(cè)面雷擊。

與均壓環(huán)布局不同。均壓環(huán)用于降低每個(gè)平面上引下線雷擊電流的電壓降。本質(zhì)上，其可以被視為一個(gè)等電位連接。一個(gè)環(huán)形金屬環(huán)的長(zhǎng)度約為12 m，用于將建筑物的引下線圈焊接在一起，形成水平方向的均壓環(huán)。在實(shí)際施工中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋可以沿著建筑物的水平周長(zhǎng)，將各條電纜連接在一起。水平方向接閃帶宜直接裸露于建筑外墻。本建筑可利用玻璃幕墻的構(gòu)造為基礎(chǔ)，在構(gòu)造中于水平方向設(shè)有扁鋼制帶條作為接閃裝置。

1.3 屋面的航空障礙燈的防雷措施

（1）避雷器設(shè)備必須安裝在頂部安裝的航空障礙燈上，避雷器部分必須與避雷帶等裝置緊密連接。

（2）安裝在建筑物中間的航空障礙燈必須用金屬絲網(wǎng)罩保護(hù)，燈具的金屬部分也應(yīng)連接。

（3）對(duì)于高層飛行障礙燈，所用的避雷設(shè)備通常為獨(dú)立避雷器，可使用航空照明的建筑物高度一般至少有45 m。這些建筑物之間將連接一座避雷針，避雷針嵌入在接閃帶中。而按照建筑物滾動(dòng)球零點(diǎn)五徑小的原則，這些避雷針也將在建筑屋頂附近或滾動(dòng)球零點(diǎn)五徑區(qū)域內(nèi)的避雷針頂部下方加以防護(hù)，以保證航空燈及其他必要的機(jī)械構(gòu)件，如風(fēng)速計(jì)、煙筒等。

2 建筑內(nèi)部各部分的防雷設(shè)計(jì)

超高層綠色智能建筑通常致力于支持環(huán)境保護(hù)，并內(nèi)置各種智能控制系統(tǒng)和通信設(shè)備。這些設(shè)備通常需要良好的工作環(huán)境。在防雷工作中，尤其要重視內(nèi)部環(huán)境的保護(hù)。本文提到的超高層智能建筑內(nèi)部防雷措施的核心內(nèi)容是防止雷電沖擊裝置。為了實(shí)現(xiàn)所有電氣信息系統(tǒng)和智能結(jié)構(gòu)的安全，有必要為每個(gè)系統(tǒng)安排完整的內(nèi)部防雷措施。因此，將對(duì)以下建筑物的所有部分進(jìn)行內(nèi)部防雷工程。

2.1 供電系統(tǒng)的防雷方案設(shè)計(jì)

此次重點(diǎn)建設(shè)工程的用電控制系統(tǒng)防雷工程設(shè)計(jì)根據(jù)GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》等有關(guān)規(guī)范予以工程設(shè)計(jì)，充分考慮到超高層綠色智能化建筑內(nèi)裝置數(shù)量很多，對(duì)用電控制系統(tǒng)的安全性的要求也非常高，而一旦采用了單級(jí)防直擊雷將會(huì)造成較大的隱患，所以要求分多級(jí)防雷工程設(shè)計(jì)，以防范從防直擊雷到工業(yè)浪涌的各種過電的破壞。

2.1.1 第一級(jí)防雷

為了避免直擊雷，必須在電源線連接到建筑物之前進(jìn)行相關(guān)處理，因?yàn)樗羞M(jìn)線均為高壓電纜。進(jìn)入房屋前，電源線必須在規(guī)定的安全距離處襯金屬套管，埋地，從地下室直接穿入超高層建筑，并安裝避雷器。電源的普通避雷器也可以放置在電源的近端，以便從外部流入房屋的雷電高壓輸入電流可以被釋放。對(duì)于B類三相電力放電器，每條進(jìn)線三相線路的電流容量應(yīng)超過60 kV。通過試驗(yàn)可以確認(rèn)，數(shù)萬(wàn)級(jí)以上的大電壓可控制在千伏級(jí)之內(nèi)，主變電所的避雷器可并聯(lián)處理，可防止直擊雷，限制雷電傳播。此處選擇的避雷器為三相避雷器型箱YF-X220/380，備用選項(xiàng)為YF-M220/380并聯(lián)裝置。最大極限電壓為60 kV，也可選擇容量更大的避雷器。

2.1.2 第二級(jí)防雷

經(jīng)過一次電源和防雷設(shè)計(jì)后，即使最大雷電電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)，也無法保證裝置的安全運(yùn)行。為了更安全地減少雷擊事故的發(fā)生，必須進(jìn)行二次供電和防雷設(shè)計(jì)。從總配電柜輸出線到各電源點(diǎn)，大部分為三相電纜。因此，總?cè)萘繛?0 kV的三相避雷器也可用于該級(jí)別的避雷器。

2.1.3 第三級(jí)防雷

該級(jí)防雷設(shè)備的安全性，直接關(guān)系到超高層綠色智能建筑在內(nèi)的精密智能化電子產(chǎn)品等重要元器件的安全平穩(wěn)與工作。這種裝置的工作電壓非常低，最高允許工作輸出電壓也在毫安級(jí)別以下，若不進(jìn)行第三級(jí)的防雷措施就會(huì)給電子設(shè)備造成巨大的沖擊。

除此之外，還提出了在末級(jí)使用的YF-CZ/6六系列防雷插座，以進(jìn)一步控制浪涌的電壓。供電裝置的方案設(shè)計(jì)如圖3所示。圖中畫出了總供電裝置、總配電箱、主要電氣設(shè)備和SPD（浪涌保護(hù)器）系統(tǒng)的基本布置。

2.2 多級(jí)浪涌保護(hù)器的配合

在線路上布置多個(gè)SPD時(shí)，還必須做好對(duì)多個(gè)SPD的能量協(xié)調(diào)與匹配問題的分析。根據(jù)IEC防雷分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)配電線路通過不同的直擊雷（LPZ）區(qū)域時(shí)，必須在其接口處安裝SPD，通信設(shè)備中的電磁脈沖等因素可能形成的感應(yīng)浪涌也會(huì)影響一些弱電設(shè)備。因此，根據(jù)GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際情況，通過接口時(shí)應(yīng)注意浪涌保護(hù)器的布置。

其之間的搭配必須重視與容量之間的協(xié)調(diào)，合理分配好所承受的電流大小，并按照具體的耐流抗壓水平來搭配。

設(shè)計(jì)和選用SPD裝置時(shí)必須重視一些參考技術(shù)指標(biāo)，如沖擊電壓、標(biāo)準(zhǔn)放電電流及最高的保護(hù)水平、殘壓等。安裝于各分區(qū)交界的SPD，必須參照分區(qū)對(duì)SPD的標(biāo)準(zhǔn)及放電電流的規(guī)定。如圖3所示。

圖3 電源系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

2.3 信號(hào)線路系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

超高層綠色智能建筑的信息管線系統(tǒng)是關(guān)系到整個(gè)建筑物信息流通的重要?jiǎng)用}，因此信息管線系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)也必須遵守以下一些準(zhǔn)則。

（1）在選擇通信線路的浪涌保護(hù)裝置時(shí)，應(yīng)選擇泄漏小、分布容量小和適合終端附近串?dāng)_指標(biāo)的浪涌保護(hù)裝置，這需要對(duì)實(shí)際工作頻段等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行更多的選擇，不同特定線路的電壓和傳輸速度。電涌保護(hù)等級(jí)必須低于被保護(hù)裝置的最大抗沖擊UW工作電壓，最大直流工作電流可超過線路上最大工作電壓的1.2倍。

（2）當(dāng)通信線路經(jīng)過不同的防雷部位時(shí)，浪涌保護(hù)器宜設(shè)置在分區(qū)的邊界?？刹贾脝渭?jí)或多層浪涌防護(hù)裝置。

（3）所有進(jìn)出穿墻的信號(hào)線都必須設(shè)有金屬屏蔽層，或采用有金屬屏蔽包絡(luò)線的光纜，并與金屬屏蔽層之間進(jìn)行等電位接地。

（4）信號(hào)線SPD應(yīng)連接到被保護(hù)裝置的信號(hào)接口上。SPD的輸出端口要被保護(hù)設(shè)備端口連接。

2.4 計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估水平設(shè)計(jì)的。在各種數(shù)據(jù)通信接口的輸入或輸出接口中，計(jì)算機(jī)主機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、路由器、中繼站、集線器、調(diào)制解調(diào)器和配電網(wǎng)等設(shè)備，應(yīng)在LPZ0A或LPZ0B或LPZ1區(qū)內(nèi)邊界處設(shè)置適配的線路浪涌保護(hù)器。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，各種家用調(diào)制解調(diào)器的輸入和輸出端口分別設(shè)置有SPD數(shù)據(jù)信號(hào)。對(duì)于綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)（ISDN）等網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的輸入和輸出端口，其分別通過多條截面為1.5~6 mm2的絕緣銅線連接到機(jī)房的等電位網(wǎng)絡(luò)。

2.5 安全防范系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目的安保系統(tǒng)中涉及大量視頻監(jiān)控。因此在攝像機(jī)所控制的信號(hào)終端上（如RS485、RS424等）還必須設(shè)置信息線波保護(hù)裝置。而接在解碼盒上的電源線還必須設(shè)置電纜浪涌安全保護(hù)器。主控計(jì)算機(jī)與二次管理計(jì)算機(jī)之間的管理線和通信線，在進(jìn)出不同的防雷裝置連接區(qū)時(shí)宜設(shè)有適當(dāng)?shù)腟PD。視頻信號(hào)線在屏蔽層上應(yīng)有金屬單端連接、在室外的攝像機(jī)的監(jiān)視電線，在進(jìn)出建筑物時(shí)也應(yīng)該加設(shè)金屬套管，使鋼管內(nèi)外端子分別連接。在安全防范系統(tǒng)的連接字母紉上最宜選用銅色導(dǎo)線，在連接端子上也應(yīng)有金屬的連接符號(hào)標(biāo)識(shí)，其連接電流不得超過4 Ω，截面積也不得小于35 mm2。

2.6 火災(zāi)手動(dòng)與消防聯(lián)合系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

本章所述超高層及綠色智能建筑的火災(zāi)事故自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)形式選擇及劃分，按照中國(guó)建筑現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，GB50116—2013《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》進(jìn)行。滅火自動(dòng)中心及與本區(qū)指揮中心相互連接的系統(tǒng)內(nèi)的調(diào)制解調(diào)器的進(jìn)線、119報(bào)警電話的進(jìn)線等端口，都應(yīng)當(dāng)設(shè)置信號(hào)SPD。建筑內(nèi)的報(bào)警控制器的金屬外殼、走電纜或溝槽就近連接等電位端子。如火災(zāi)事故的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)與聯(lián)動(dòng)控制器則應(yīng)選擇共用的接地系統(tǒng)，其接地裝置的接地電阻應(yīng)小于1 Ω。若選擇專用連接，接地電阻也不宜大于4 Ω。

2.7 有線廣播和有線電視系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

2.7.1 有線廣播系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

需要在交流電源線和直流電池電源柜進(jìn)入傳輸系統(tǒng)室的入口處安裝合適的SPD裝置。擴(kuò)聲系統(tǒng)的信號(hào)線應(yīng)配備屏蔽電纜。當(dāng)前聲源配備天線信號(hào)輸入時(shí)，每個(gè)前端輸入信號(hào)線應(yīng)配備該系列的SPD浪涌保護(hù)。傳輸設(shè)備的金屬外殼與附近的等電位端子連接。單獨(dú)設(shè)置專用接地裝置時(shí)，接地電阻必須小于4 Ω。如果采用公共接地，接地電阻不得超過1 Ω。

2.7.2 有線電視系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

有線電視系統(tǒng)的天線接收裝置必須在避雷器保護(hù)范圍內(nèi)，天線接收器必須可靠接地。進(jìn)出大樓的有線電視（CATV）信號(hào)電纜必須安裝專用SPD。有線電視系統(tǒng)采用共用接地系統(tǒng)，共用接地裝置的接地電阻不大于1 Ω。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著越來越多的智能建筑的出現(xiàn)，對(duì)于建筑防雷防護(hù)的要求更為嚴(yán)格，防雷防護(hù)技術(shù)也隨著智能建筑的增多而快速發(fā)展，雷電對(duì)智能建筑造成的傷害是無法估量的，因此，智能建筑中現(xiàn)代防雷防護(hù)技術(shù)能夠有效減少雷電對(duì)建筑造成的傷害，采用等位線連接措施、運(yùn)用提前放電避雷針和網(wǎng)絡(luò)防雷器、設(shè)計(jì)新型的接閃器和布局合理的引下線（方法），都能有效保障智能建筑的安全，高層建筑的主動(dòng)式雷電預(yù)警系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)了雷電監(jiān)測(cè)、預(yù)警和臨近主動(dòng)防護(hù)等功能，還具有自動(dòng)分析、學(xué)習(xí)、評(píng)判防雷效果、實(shí)時(shí)告警及維護(hù)故障等功能。（特點(diǎn)）智能建筑防雷防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用為智能建筑的運(yùn)行提供了技術(shù)保障，在防雷防護(hù)技術(shù)廣泛應(yīng)用的同時(shí)還需要定期對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，超高層智能建筑防雷防護(hù)體系的建設(shè)和防雷防護(hù)技術(shù)的提升需要社會(huì)各界的共同努力。