民用高層建筑項目的電氣安全與防雷措施

劉慶雄

（江西同濟建筑設(shè)計咨詢有限公司，江西南昌 330000）

1 民用高層建筑電氣安全的挑戰(zhàn)

1.1 電氣負荷的增加及其影響

高層建筑中的電梯、中央空調(diào)、照明系統(tǒng)等設(shè)備需求隨樓層的增加而呈現(xiàn)明顯的增長趨勢。這不僅增加了建筑的總體電氣負荷，還對電源系統(tǒng)提出了更高的穩(wěn)定供電需求。

電氣負荷增加可能導(dǎo)致電源容量不足、設(shè)備過熱和電能損失增加等問題，具體體現(xiàn)如下：①電源容量不足。如果沒有對高電氣負荷進行合理設(shè)計，可能會導(dǎo)致電源容量不足，從而引發(fā)設(shè)備故障或電源供應(yīng)中斷。電源供應(yīng)中斷可能會導(dǎo)致電梯停滯、消防系統(tǒng)失效和生活設(shè)備失效等問題，不僅影響建筑內(nèi)各設(shè)備的正常運行，更會威脅居住者和使用者的生命安全。②設(shè)備過熱。高電負荷可能使電氣設(shè)備、線纜等過熱，增加發(fā)生電氣火災(zāi)的風(fēng)險。③電能損失增加。電氣負荷增加意味著電能傳輸和分配的損失也會增加，這將增加能源成本。

1.2 電氣線路復(fù)雜性的挑戰(zhàn)

隨著建筑樓層的增加，電氣線路的布線距離和復(fù)雜性也均有增長，對電氣設(shè)計、施工和維護都提出了更高的要求。電氣線路復(fù)雜性的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①信號衰減。長距離的電纜布線可能導(dǎo)致電信號衰減，影響設(shè)備的正常運行。②線路故障難以定位。大量的分支和線路交叉可能導(dǎo)致線路故障難以快速定位和處理。③維護難度增加。線路的復(fù)雜性意味著其維護成本和難度都會顯著增加，需要專業(yè)團隊進行定期巡查和維護。為確保電氣安全，高層建筑項目在設(shè)計、施工和運營階段都需要對電氣系統(tǒng)進行嚴格的管理和控制。

2 民用高層建筑電氣安全措施的詳細分析

2.1 民用高層建筑電氣設(shè)計的安全措施

（1）選擇合適的線纜規(guī)格。每種線纜都有其規(guī)定的安全電流容量，選擇的線纜須能承載預(yù)期的最大電流，否則過載可能導(dǎo)致線纜過熱，甚至引發(fā)火災(zāi)。隨著線纜長度的增加，電阻也會相應(yīng)增加，這可能導(dǎo)致電壓下降。為確保設(shè)備能夠得到足夠的電壓運行，須考慮這一點來選擇合適的線纜規(guī)格。

（2）確保電氣設(shè)備的穩(wěn)定運行。電氣設(shè)備是建筑中的核心組成部分，從照明到空調(diào)，再到安全系統(tǒng)，都依賴于電氣設(shè)備的穩(wěn)定運行。選擇合適的電氣設(shè)備可確保其在各種條件下都能穩(wěn)定運行。此外，電氣設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生熱量，確保良好的散熱是延長設(shè)備壽命、防止過熱和確保設(shè)備穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，涉及設(shè)備的放置、散熱器的使用或散熱風(fēng)扇的安裝。

（3）預(yù)留備用容量。建筑的用途和需求可能會隨時間的推移而發(fā)生變化，預(yù)留一定的備用電氣容量可確保建筑能夠適應(yīng)這些變化。并且，隨著技術(shù)的進步，設(shè)備需要升級或替換，新的設(shè)備可能會有不同的電氣需求，預(yù)留的備用電氣容量可確保新需求得到滿足。

2.2 多路供電源的深入解析

（1）冗余供電設(shè)計。高層建筑正常運行依賴的關(guān)鍵系統(tǒng)，如安全監(jiān)控、消防、電梯等，對電源的連續(xù)性和穩(wěn)定性有嚴格的要求。為確保這些系統(tǒng)不會因單一電源故障而中斷，可采用冗余供電設(shè)計：①為建筑提供兩個或更多的獨立電源輸入；②在兩個或更多的電源間平衡電氣負荷不僅可確保每個電源都在其容量范圍內(nèi)工作，還可以確保在一個電源失效時，其他電源能夠承擔(dān)額外的負荷。

（2）“無縫”切換。在一個電源出現(xiàn)故障時，為確保電氣設(shè)備和系統(tǒng)的連續(xù)運行，需要在極短時間內(nèi)切換到備用電源，即“無縫”切換，具體可采取以下措施：①應(yīng)用自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS），可自動檢測電源的狀態(tài)并在主電源失效時迅速切換到備用電源，其通常與發(fā)電機或其他備用電源一起使用，確保在主電網(wǎng)故障時能夠快速響應(yīng)；②應(yīng)用不間斷電源（UPS），其內(nèi)部有電池或其他能源存儲系統(tǒng)，可在電網(wǎng)中斷時為設(shè)備提供短時間的電力，對于需要連續(xù)運行的關(guān)鍵設(shè)備，例如，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器或醫(yī)院的生命維持系統(tǒng)，UPS 可確保在電源切換期間不會中斷供電。

2.3 定期檢查

高層建筑電氣系統(tǒng)管理中，定期檢查是確保系統(tǒng)安全和高效運行的關(guān)鍵，只有通過持續(xù)的、系統(tǒng)性的檢查，才能及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，從而避免更大的損壞或事故。開關(guān)、插座、變壓器等都是電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。通過定期檢查，可確保這些設(shè)備始終處于良好的工作狀態(tài)。另外，隨著時間的推移，電氣設(shè)備會出現(xiàn)磨損或老化，例如，開關(guān)的觸點可能因長時間使用而磨損，插座內(nèi)部的接觸變得不良，定期的檢查可及時發(fā)現(xiàn)這些問題。

2.4 安裝短路和過載保護裝置

（1）斷路器安裝。斷路器的主要功能是在檢測到短路或過載時迅速切斷電源，以防止火災(zāi)和其他相關(guān)的安全事故。斷路器內(nèi)部通常有一個電磁線圈或雙金屬片。當(dāng)流過其的電流超過一定的限值時，會引發(fā)機械動作，迅速切斷電源。選擇斷路器時，須考慮其額定電流、斷開能力和電壓等級，以確保其能在特定的應(yīng)用場景中有效地工作。

（2）限流器安裝。限流器的作用是在毫秒級的時間內(nèi)限制電流的峰值，以防止對設(shè)備造成損害。當(dāng)電流超過特定閾值時，限流器會增加其電阻，從而限制流過其的電流。在可能發(fā)生短路的場景，如大型電動機、變壓器或高功率的電子設(shè)備中，使用限流器尤為重要。

（3）地漏保護安裝。地漏保護設(shè)備（也稱為殘余電流設(shè)備或GFCI）是為防止電氣觸電而設(shè)計的。地漏保護設(shè)備會持續(xù)監(jiān)測進入和離開設(shè)備的電流。如果有電流流向地面，設(shè)備會在毫秒內(nèi)切斷電源。這種保護尤其在潮濕的環(huán)境中很重要，例如，浴室、廚房或任何與水接觸的區(qū)域。在這些區(qū)域，電氣觸電的風(fēng)險顯著增加，地漏保護可有效地減少這種風(fēng)險。

2.5 建立完善的應(yīng)急預(yù)案

（1）應(yīng)急電源。持續(xù)穩(wěn)定的電源供應(yīng)至關(guān)重要，例如，當(dāng)主電網(wǎng)中斷時，醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心或其他關(guān)鍵設(shè)施需要不間斷的電源來維持其基本運行。應(yīng)急發(fā)電機通常使用柴油或天然氣作為燃料，能在幾秒鐘內(nèi)啟動并提供電力。為關(guān)鍵設(shè)備配置應(yīng)急發(fā)電機，即使在主電源長時間中斷的情況下，關(guān)鍵設(shè)備也能繼續(xù)運行。對于那些需要即時電源并不能等待發(fā)電機啟動的設(shè)備，如某些醫(yī)療設(shè)備或服務(wù)器，非常適用。

（2）故障應(yīng)對流程。清晰明確的故障應(yīng)對流程是快速解決電氣故障的關(guān)鍵。為每種可能的電氣故障制訂詳細的操作步驟和指南，包括如何判斷故障的性質(zhì)、選擇正確的修復(fù)方法和預(yù)防進一步的損壞，并確保維護人員接受足夠?qū)I(yè)的培訓(xùn)，熟悉各種可能出現(xiàn)的故障及其應(yīng)對方法，以能夠更快速、更有效地處理問題。

安：這個問題很長，也是一個很復(fù)雜但很有價值的問題，值得我用更長的答案來仔細作答。你談到了一種現(xiàn)象，想要對他們有所分辨，我們首先得區(qū)分哪些準則是有藝術(shù)價值的，而哪些準則是純粹的照本宣科、“掉書袋”。我相信演奏莫扎特有許多準則，但我從不相信所謂的“德式準則”，是誰創(chuàng)造了這些準則呢？他們總會提及“正統(tǒng)”，但我們根本就沒人知道莫扎特是如何彈琴的！這樣的彈琴方式讓我覺得局限、“反藝術(shù)”，甚至略顯愚蠢。我見過許多秉持如此觀點的人，每次我都想問他們，當(dāng)你們看見其他偉大鋼琴家和你們彈得不一樣時，你們?nèi)绾卧u價？他們?nèi)煎e了嗎？如果所有人彈的都像錄音機里批量翻錄出來的，那我們這個行業(yè)的意義何在？

（3）定期模擬演練。模擬演練是確保預(yù)案在實際中得到有效執(zhí)行的關(guān)鍵?？稍O(shè)定一系列可能的故障情境，如電源中斷、設(shè)備故障或線路損壞，通過模擬這些情境，可檢查應(yīng)急預(yù)案的完整性和有效性。并在模擬演練中，確保不同的部門能夠有效地合作。例如，保安部門、電氣維護團隊和管理團隊?wèi)?yīng)協(xié)同工作，確保在真實的緊急情況下能夠迅速、準確地響應(yīng)。

通過上述詳細的電氣安全措施，高層建筑可確保其電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠和安全運行，從而保障建筑內(nèi)人員的生命財產(chǎn)安全。

3 高層建筑防雷挑戰(zhàn)

高層建筑易受外部雷及內(nèi)部雷擊影響，為確保整個建筑工程的穩(wěn)定性不受影響，人員的生命健康安全能夠得到有效保障，需要施工單位依照實際情況進行高層建筑防雷措施的設(shè)計，以確保后續(xù)工作能夠順利開展。

3.1 物理現(xiàn)象

雷云底部積累的電荷會產(chǎn)生一個下向的電場，使地面產(chǎn)生相反的感應(yīng)電荷。高層建筑，特別是金屬結(jié)構(gòu)，因其高度和導(dǎo)電性，為雷電提供了一個優(yōu)勢的放電路徑。在雷電放電過程中，高層建筑起到突變體的作用，即像一個尖銳的物體“吸引”雷電，使得其附近的空氣更容易被擊穿。

超高層建筑在雷暴期間，特別是在雷暴活躍的地區(qū)，幾乎每場雷暴都可能受到雷擊。頻繁的雷擊不僅危及建筑結(jié)構(gòu)，還可能影響其中的設(shè)備和居住者。

3.2 電場強度

地面與雷云間的電場強度具有一個垂直梯度，即電場強度隨高度的增加而增加。高層建筑的高度使其更易受到較高電場強度的影響。當(dāng)電場強度超過一定閾值時，空氣開始導(dǎo)電，進而引發(fā)雷電放電。高層建筑頂部的電場強度，由于其與雷云的距離更近，更易超過這一閾值。高層建筑的形狀和材料可進一步增強頂部的電場強度。例如，建筑上的尖銳物體或金屬裝飾會在其尖端集中電荷，從而顯著增強局部電場強度。

3.3 電子設(shè)備增多

（2）雷電帶來的干擾和損害。①電磁脈沖（EMP）。雷電產(chǎn)生的EMP 可輕易穿透建筑物，對內(nèi)部的電子設(shè)備造成干擾或損害。這種脈沖可使電子設(shè)備的電路短路或永久損壞。②電壓浪涌。雷擊可直接或間接導(dǎo)致電力線路中的電壓浪涌，進而破壞連接到這些線路上的設(shè)備。③感應(yīng)電流。雷電活動可在建筑的電纜和金屬結(jié)構(gòu)上感應(yīng)出電流，這些電流可能會流入連接的電子設(shè)備，導(dǎo)致其損壞。

（3）設(shè)備敏感性的增加。現(xiàn)代電子設(shè)備趨向于微型化和高度集成，其更為敏感，對外部干擾的容忍度更低。尤其是通信和計算設(shè)備，工作在高頻率下，對電磁干擾特別敏感。除物理損壞，雷電干擾還可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、軟件故障或系統(tǒng)崩潰，這對于數(shù)據(jù)中心或存儲重要數(shù)據(jù)的設(shè)備來說具有較大影響。

4 民用高層建筑防雷措施的深入探討

4.1 合理設(shè)計防雷系統(tǒng)

高層建筑，由于其高度和結(jié)構(gòu)，更易受雷擊，因此，設(shè)計專門的防雷系統(tǒng)對于保護建筑和其中的設(shè)備和人員至關(guān)重要。

（1）接閃器通常位于建筑的最高點，其的設(shè)計和放置應(yīng)確保其是建筑中最容易被雷擊的部分，從而引導(dǎo)雷電沿預(yù)定的路徑流動。

（2）下導(dǎo)線是從接閃器引出的導(dǎo)線，用于將雷電從建筑的頂部導(dǎo)向地面，應(yīng)均勻分布在建筑物的周圍，確保雷電可快速、有效地被引導(dǎo)到地面。

（3）接地裝置是防雷系統(tǒng)的終點，可確保雷電安全流入地面而不會對建筑或其內(nèi)部的設(shè)備造成損害。接地裝置的設(shè)計應(yīng)考慮土壤的導(dǎo)電性和濕度，以確保雷電能夠迅速流入地面。

4.2 安裝浪涌保護器

雷擊可能導(dǎo)致電氣系統(tǒng)中的瞬時電壓增加，形成的電壓浪涌，對電子設(shè)備造成嚴重損害。浪涌保護器可檢測到電壓的突然增加，并在幾毫秒內(nèi)切斷電源或?qū)⑦^高的電壓引導(dǎo)到地面，從而保護連接的設(shè)備。對于關(guān)鍵的電子設(shè)備，如計算機、通信設(shè)備或醫(yī)療設(shè)備，使用浪涌保護器至關(guān)重要，不僅可防止設(shè)備受損，還可避免數(shù)據(jù)丟失或其他與設(shè)備故障相關(guān)的問題。

4.3 定期檢測

與電氣系統(tǒng)類似，防雷系統(tǒng)也需要定期檢查，以確保其始終處于良好的工作狀態(tài)，具體如下。

（1）性能測試。使用專門的設(shè)備測試防雷系統(tǒng)的整體性能，包括接閃器、下導(dǎo)線和接地裝置，可確保系統(tǒng)的各部分都能有效地起到其應(yīng)有的作用。

（2）物理檢查。對系統(tǒng)的各部分進行物理檢查，確保沒有損壞、腐蝕或其他可能影響其性能的問題。

總之，高層建筑的防雷措施是確保建筑、其中的設(shè)備和居住者安全的關(guān)鍵部分。通過結(jié)合技術(shù)先進的系統(tǒng)和定期的檢查，可最大限度地減少雷擊帶來的風(fēng)險。

5 結(jié)束語

為民用高層建筑提供電氣安全和防雷保護是一個綜合性的任務(wù)，需要工程師、維護人員和管理者的緊密合作。只有通過合作，才能確保建筑和其中的人員得到最大程度的保護。而隨著技術(shù)的進步，未來的高層建筑將會更加安全、智能和高效。