智能建筑物防雷设计

摘要:随着信息技术的迅速发展，智能建筑物内雷电防护已提高了要求，信息系统的雷电保护成为考虑的重点。因此防雷工程成为一项多学科，跨部门的复杂系统工程，我们必须紧密结合信息工程技术和电磁兼容技术，采取综合治理、系统防护。

    关键词：智能建筑　防雷设计　雷电防护

    1、引言

    近年来，随着社会经济和技术的飞速发展，智能建筑方兴未艾。智能建筑物普遍称为3A建筑，即它集成了建筑设备自动化系统、办公自动化系统、通讯自动化系统，以及辅之于实施的结构化综合布线系统。它是高功能、高效率、高舒适性的现代化建筑。

    随着信息技术的迅速发展，智能建筑物的建设向自动化、信息化和节能化方向发展，微电子应用技术为代表的新技术已渗透到智能建筑的各个应用领域，并且不断增大。建筑物内微电子设备繁多而且复杂，这些微电子设备通常属于耐过电压等级低，防干扰要求高的弱电设备，最怕受到雷击。遭受雷击时，一部分能量（约50%）通过建筑物外部防雷装置泄入大地，另一部分能量则通过雷电流感应或耦合在金属管线上进入建筑物内破坏设备，因此，智能建筑的防雷保护成为一个越来越重要的课题摆在我们面前。

    2、智能建筑雷电防护

    探讨智能建筑物的雷电保护，必须对雷电进行了解，分析雷电是通过哪些方式、途径、渠道危害智能建筑物。

    2.1雷击的危害

    1）直击雷危害

    直击雷造成的电效应、热效应和机械效应的破坏作用很大：

    电效应：雷云对大地放电时，雷电流通过具有电阻或电感的物体时，因雷电流的变化率大（几十微秒时间内变化几万或几十万安培），能产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压，足以使电力系统的设施烧毁、导致可燃易爆物品的爆炸和火灾，引起严重的触电事故。

    热效应：很高的雷电流通过导体时，能使放电通道的温度高达数万度，在极短时间内将电能转换成大量的热能。雷击点的发热能量巨大，可使金属熔化。

    机械效应：雷电流作用于非导体上时，由于雷电的热效应，使被击物体内部出现强大的机械压力，致使被击物体受到严重破坏造成爆炸，机械效应对非金属油罐存在极大威胁。

    直击雷可直接作用在构筑物上，也可通过架空线路、露天的金属管路等途径侵入。另外，避雷装置接闪雷击时，在接闪器、引下线及接地体上都有可能产生很高的电压，可能对设备产生“反击”。2）雷电感应及雷电电磁脉冲的危害

    雷电感应及雷电电磁脉冲的危害是指雷电产生的静电感应和电磁感应对设备尤其是电子设备的危害：

    静电感应：雷云的静电感应是指带电的雷云接近地面时，对导体感应出与雷云符号相反的电荷，建筑物或设备顶部大量感应电荷不能迅速流入大地，从而产生很高的对地电压即静电感应电伏，能击穿数十厘米的空气间隙发生火花放电。

    电磁感应：雷电发生时产生很大的雷击电流，又是在极短的时间内发生，在其周围空间里产生交变电磁场，不仅会使处在这一电磁场中的导体感应出较大的电动势，还会在附近的传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线等部位产生感应电流并侵入设备，使连接在线路中间或终端的设备遭到损害。

    2.2智能建筑物的防雷措施

    雷电防护包括针对建筑物的直击雷防护，以及针对建筑物内设备、人员的雷电波侵入防护和雷击电磁脉冲防护两大部分。

    1）直击雷防护

    依据建筑物的高度、结构等采取直击雷防护措施，包括接闪装置（避雷针、带、网）、引下线和接地装置三大部分。若建筑物已采取有效防护措施，则这部分可不予考虑或只进行适当的完善。

    2）弱电防护

    雷击发生时，大约50%的雷电流将沿接闪--引下通路直接泄放入地，频率成分非常复杂的雷电流快速通过引下线时会感应出极强的电磁场，建筑物中的管线相对切割磁力线产生感应电流（即雷击电磁脉冲），间接导致设备损坏和人员伤亡；另一方面，至少有50%的雷电流将沿着进出建筑物的管线泄放，对人员和设备构成直接威胁。因此，雷电波侵入与雷击电磁脉冲防护已成为现代防雷设计的重中之重。其主要防护措施是：电涌保护器安装和等电位连接。

    ①电源系统电涌保护器安装

    在供电线路上安装电涌保护器，目的是为了将线路上的电压限制在一个安全的水平。通常，我们需要采取三级防护措施。

    电源一级：将雷击产生的过电流通过此级电涌保护器瞬间泄放入地，并将瞬间过电压限制在2.5kV以下。

    电源二级：对第一级电涌保护器泄放后的线路残压进一步抑制，使瞬间过电压限制在1.8kV以下，确保一般用电设备的安全。

    电源三级：在重要设备（如服务器、交换机等）的前端安装带精细保护和噪声抑制电路的电涌保护器，将残压进一步限制在0.9kV以下，此外它还具有吸收非雷击导致的操作过电压的作用。

    ②通信线路电涌保护器安装

    通信线路电涌保护器的选型和安装是防雷项目中最复杂、最容易出问题的环节。不同于直击雷防护，即使没有雷电波侵入，仍可能由于设计失误或产品选择不当，导致保护无效、数据包丢失甚至通信中断。因此，必须在详细了解相关设备的基础上，根据通信线路（DDN、ISDN、ADSL以及无线信道等）、通信接口（RS-232等）、供电方式（交、直流）、工作频率、带宽等要求，选择插入损耗小、响应速度快、频带宽、通流量大的电涌保护器。

    ③屏蔽、等电位连接、接地和综合布线

    等电位连接的目的在于减小需要防雷的空间内各金属物与各系统之间的电位差。根据相关标准，防雷保护地、防静电地、电气设备工作地等应共地使用。机房门窗、设备外壳、等电位连接端子盒以及所有穿越防雷区界面的金属物和系统均应就近与等电位连接带（网）相连，确保机房内各接地线间的电位均衡，同时还可以及时泄放聚集在地板表面和设备外壳上的静电电荷。

    综合布线的主要任务是将电源线、信号线分槽布置，减少线间交叉和冗余信息点。电源线、信号线置于屏蔽槽内，屏蔽槽两端接地。各线缆屏蔽层两端应同时接地，当系统要求单端接地时，须进行二次屏蔽处理。

    3、设计方案

    3.1防雷设计基本原则

    1）智能建筑物的防雷必须按综合防雷系统的要求进行设计，坚持预防为主，安全第一的指导方针，为确保防雷设计的科学性，在设计前应对现场雷电环境进行评估。

    2）智能建筑物的防雷宜考虑环境因素、雷电活动规律、建筑物内设备的重要性，发生雷灾后果的严重程度，分别采用相应的防护措施。

    3）智能建筑物的防雷应坚持全面规划、综合治理、优化设计、技术先进、经济合理、进行综合设计。

    4）智能建筑物均应按GB5007—94（2000版）“建筑物防雷设计规范”的规定，安装外部防雷装置。

    5）智能建筑物内的微电子设备的防雷应采用直击雷防护、等电位连接、屏蔽、合理布线、共用接地系统和安装电涌保护装置等措施进行综合防护。

    6）智能建筑物内的微电子设备应根据所在地区雷暴等级，设备放置在不同的雷电防护区，以及系统对雷电电磁脉冲的抗扰度，采用不同的防护措施。

    总结起来，防雷技术必须强调科学性、经济实用和耐久可靠这三个原则。

    3.2设计依据

    《建筑物防雷规范》（GB50057-94）

    《计算机房防雷设计规范》(GB50174-93)

    《电子设备雷击保护导则》(GB7450-87)

    《计算机站场安全要求》(GB9361-88)

    《工业与民用电力装置的过电压保护设计规范》(GB64-83)

    《电信专用房屋设计规范》(YD5003-94)

    《移动通信基站防雷与接地设计规范》（YD5068-98）

    《计算机信息系统防雷保安器》（GA173-1998）

    《雷电电磁脉冲的防护》（IEC1312）

    邮电部部标准《通信局（站）接地设计暂行技术规定（综合楼部分）》YDJ26-89

    军用标准《电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南》国家标准《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB50169-92

    3.3设计思路重点考虑部分：

    1）屋顶的直击雷防护；

    2）建筑物内机房的防雷电感应；

    综合考虑部分：

    1）建筑物内整个供电系统的防雷电感应措施；

    2）等电位连接和接地系统及其它；

    3.4具体防护方案

    中国银行湖南分行智能大厦位于长沙市东边，地势较高，主楼高63.30m,群楼高57.9m，长39.8m，宽13.5m。屋顶西端有广告铁塔高30m，铁塔东面有5个3m高的卫星锅。根据长沙地区近三十年的气象资料统计表明，长沙地区属于多雷区，年平均雷暴日为50天。按照GB(50057-94)计算，该大楼的年预计雷击次数为0.22次/a。因此，该大楼及楼内的各种微电子设备应按国家二类防雷标准进行综合防雷设计。
   
　　1）直击雷防护：

    ①把屋顶西端高30m的广告铁塔作为防雷铁塔计算的防雷铁塔保护半径，按照滚球法计算铁塔的保护半径：

    式中h为铁塔高度＋主楼西端与东端高度差

    h=30+6=36mhr滚球半径hr=45mhx=3+1=4m(在原有卫星锅的高度基础上虚增1m)（如右图1）

    按照保护半径对照实际情况，即有三个卫星锅处于LPZOB,另外最东端两个卫星锅处于LPZOA区,如图1所示。因此需要在东端在树立一个桅杆式避雷针，以保护正在使用的小型卫星锅，按滚球法计算得，该避雷针高7m，避雷针和铁塔的引下线就近与屋顶接地预留（用4mmⅹ40mm镀锌扁纲）焊接连通，并且在焊接点加防锈漆。避雷针底座采用钢筋混凝土与该大楼主体连接融为一体，以满足针抗44米/秒的风速。

    2、屋顶采用了Φ8和Φ10的钢筋接150mmⅹ200mm的网格制作避雷网，并与大楼主钢筋进行可靠焊接连通，使整个大楼为一框架笼式结构。

   2）等电位连接

    所有进入建筑物的水管或其他金属管道在进入建筑物时进行有效接地并与每层的等电位预留接头电气连通。??构件和不带电金属外壳必须用6mm2铜线相互连通，并与接地汇流排可靠连接。

    考虑到机房内设备多，按照QX-2000的要求，对机房内设备采用网型连接，第一，采用5mm×50mm紫铜排沿机房四周敷设。第二，将机房外侧大楼八个构造柱的主钢筋一一与接地汇流排电气连通。第三，将机房内的所有金属部件一一就近与接地汇流排连接。

    3）屏蔽建筑物内的所有的金属导线，包括电力电缆、通信电缆和信号线均采用屏蔽线和穿金属管屏蔽，在机房地墙壁上，金属门、窗等应和接地预留件进行有效的焊接，使整个机房形成一个法拉第笼，用来防止外来的电磁脉冲干扰机房内设备。

    4）过电压保护

    供电系统的防雷

    由于长沙地域属多雷区，沿电源线路侵入的雷电电流不但可以损坏室内各种电气设备，甚至还引起室内的电气起火。按照国家标准规范GB50057-94的要求，供电系统的防雷必须采取三级防护。第一，在配电房变压器低压侧配电柜上安装100KA(10/350us)的SPD.第二，在大楼一楼配电柜业务系统专用供电线路的输出端安装40KA(8/20us)的SPD。第三，在十三层三个配电柜加装20KA(8/20us)的SPD,以抑制从电源线路波袭而来的感应雷电流。第四，从总配电间到大楼一楼配电柜采用铠装电缆埋地敷设。

    天馈和信号线的防雷

    对进入十三楼计算机房的各种信号线（包括电话线、DDN专线、卫星接收同轴电缆等）在输入设备接口处就近与屋顶接地预留母排电气连通，并安装相应信号避雷器，以抑制从天馈和信号线路波袭而来的感应电波，这些雷器的启动电压、响应时间、插入损耗、驻波比都要与相对应的设备相匹配。

　　5）合理的布线设计
   
　　防御雷电电磁脉冲对室内布线的要求非常严格。由于用作引下线的钢筋混凝土柱内的钢筋和整个建筑物的屏蔽网都在外墙处，雷电流需经此处的钢筋分流到接地装置上，所以外墙处的电流密度大，电磁场强。本人认为机房内的电源和通信等线路的主干线设置在中心部位的电梯井的近旁，并且建筑物内的各种电气馈线都穿金属管保护或采用双层屏蔽电缆（或同轴电缆）。

    6）接地系统设计根据掌握的土壤电阻和土质分布等基本资料，按科学合理，经济节约的原则，综合考虑到各种情况，采用联合接地系统，把各种地网连接成一个整体网，联合接地体的接地电阻值宜小于4欧姆，工程中常采用的是多根垂直接地体通过水平连接带联结起来实现，并且为了防止跨步电压危害人身安全，于是又把连接线连同接地体一起埋入地中，形成既有垂直接地体又有水平接地体的联合接地体。因为在中小型地网中，垂直接地体的电流散流占主要的，水平接地体仅仅影响散流，而主要作用是起均压作用。以垂直接地体为主的的接地装置中，计算时除了要知道垂直接地体的接地电阻外，还要考虑水平接地体的影响通常使用下面公式：式中：R1为单一垂直接地体的接地电阻值；λ1为单一垂直接地体的利用系数；

    R2为水平连接带的接地电阻，扁钢水平连接多极接地体时的接地电阻R2=lnL2为连接扁钢的长度，b为扁钢长度，h为有地面到扁钢上端的埋深；λ2为水平连接带的利用系数。实际中，以垂直接地体为主的复合接地体（地网），在计算接地电阻时，可以简化为只计算垂直接地体的接地电阻，然后再考虑水平连接线的影响，把计算后的接地电阻值降低10%即可，这样反过来，我们可以接地电阻最大允许值，直接求出垂直接地体的根数n，即：

    式中：R为接地电阻最大允许值（Ω），其余同前。

    假设R1=32Ω，λ=0.9,代入式中n≧＝4因此接地体采用4根的垂直接地体和一根水平接地体焊接并埋入地下，接地体在地面与避雷针、避雷带的引下线相连接，以上的设计是按照标准土壤电阻率设计的，当实际的接地体接地电阻值在于周围的自然接地体连接在一起仍达不到国标所规定的要求时，须适当的增加垂直接地体和水平接地体的数量，以保证达到国家防雷接地标准值和行业接地电阻的要求。水平地网网格尺寸为3m×3m，用才为4mm×40mm热镀锌扁钢，垂直接地极采用5mm×50mm×500mm和5mm×50mm×1500mm两种热镀锌角钢，网格按70公分深，80公分宽开挖并将降阻济与水按1：1的比例调和均匀裹住扁纲与角钢敷设，地网设计如图2所示。

    5、小结随着信息技术的迅速发展，智能建筑物内雷电防护已提高了要求，信息系统的雷电保护成为考虑的重点。因此防雷工程成为一项多学科，跨部门的复杂系统工程，我们必须紧密结合信息工程技术和电磁兼容技术，采取综合治理、系统防护。设计当中必须严格遵循有关的规范和标准，对智能建筑物内的各种设备应该单独考虑，综合设计，使防雷设计作到科学性、实用性和经济性相结合。

    参考文献

    1）虞昊《现代防雷技术基础》清华大学出版社出版1996.52）关象石《防雷技术标准规范汇编》中国计划出版社出版19993）苏邦礼《雷电与避雷工程》中山大学出版社19964）《狮门安全系统手册---防雷分册》2001.55）《首届中国防雷论坛》2002.106)陈一才《高层建筑电气设计手册》中国建筑工业出版社1990