东明县第一高中综合楼雷电防护设计

所属栏目:天文学论文 发布日期:2012-08-09 09:29 热度:

  摘要:针对我县雷电活动频繁的情况,对东明县第一高中做出了雷电设计方案。本文分析了雷电侵入该综合楼的可能途径并依据国家相关标准对其进行雷击风险评估,提出系统而全面的雷电保护方案。该方案包括直击雷保护,接地措施、安装SPD、等电位连接和综合布线等几个方面进行。通过这几个方面的措施,减少了雷击灾害,保护了建筑物、设备及人身安全。
  关键词:综合楼;雷电保护;内部防雷;外部防雷;
  1、引言
  现代综合防雷原则强调“全方位防治,综合治理,层层设防,把防雷当作一个系统工程”。按照相关的防雷规范,在建筑物外部和内部及各电子设备安装相应的防雷措施。有人认为,只要建筑物或设备安装了防雷装置就可以万无一失了,从经济观点出发,要达到这点是太浪费了。而且《建筑物防雷设计规范GB50057-942000版》第一章总则的说明,按照防雷规范设计的防雷装置是防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和财产损失,并不是百分百的。
  完整的设备系统防雷方案包括外部防雷和内部防雷两个方面。外部防雷系统包括避雷针、避雷带、引下线、接地极等等,其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭,将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等,泄放入大地。内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。在需要保护设备的前端安装合适的避雷器,使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体,将可能进入的雷电流阻拦在外,将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地,确保后接设备的安全。
  
  2、设计依据
  本方案依照如下规范进行设计:
  (1)、GB50057-94(2000年版)建筑物防雷设计规范
  (2)、GB50174-93《电子计算机机房设计规范》
  (3)、GB50200-94《有线电视系统工程技术规范》
  (4)、IEC61312《雷电电磁脉冲的防护》
  (5)、JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》
  (6)、GB50054-95《低压配电设计规范》
  
  3、防雷的技术措施概述
  3.1综合防雷的两个部分
  3.1.1外部防护(直击雷防护)
  (1)、作用:拦截、泄放雷电流。
  (2)、系统组成:由接闪器(避雷针、避雷带)、引下线、接地体组成,可将绝大部分雷电能量直接导入地下泄放。
  3.1.2内部防护(雷电电磁脉冲防护)
  (1)、作用:均衡系统电位,限制过电压幅值。
  (2)、组成:由均压等电位连接、各种过电压保护器(避雷器)等组成。
  3、技术措施:截流、屏蔽、均压,分流、接地。
  
  3.2综合防雷的6项技术
  3.2.1拦截
  雷电防护的第一道防线是拦截直击雷。对直击雷进行拦截最经济、最有效的方法仍然是避雷针(避雷带、避雷网)法。
  3.2.2屏蔽
  屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段之一。屏蔽的目的,一是限制某一区域内部的电磁能量向外传播,二是防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。针对发射塔的特殊性,会发射,接收电磁波,虽然为定向传播,但是也必须作好防止电磁能量的向外泄露;与此同时,通讯机房楼内的设备仪器对于雷电电磁脉冲很敏感,因此通讯机房必须要有完备的屏蔽措施。
  由于电场、磁场及电磁场的性质不同,因而屏蔽的机理也不同。按屏蔽的要求不同可分别采用屏蔽室(盒、管)的完整屏蔽体,或金属网、波导管及蜂窝结构的非完整屏蔽体。屏蔽一般分为电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁场屏蔽几种。
  3.2.3均压(均衡)
  (1)、均压也称电位均衡连接(简称等电位连接)。就是把所有导体相互作良好的导电性连接,并与接地系统连通。其中非带电导体直接用导线连接,带电导体通过浪涌保护器连接。其本质是由可靠的接地系统、等电位连接用的金属导线、等电位连接器(即浪涌保护器、地线隔离器)和所有导体组成一个电位补偿系统。
  (2)、等电位连接
  (1)不带电金属物体。如各种金属管道,线缆屏蔽层,设备的金属底座、金属外壳等。对他们进行均压处理时,可直接用导线连接,正常情况下互不干扰,一旦某一部分出现过电压,用导线连接的各个部分可迅速实现等电位,避免产生危险。
  (2)带电金属物体。如电源线、各种信号传输线等,可用浪涌保护器将它们互相连通。利用浪涌保护器非线性的特性,当有浪涌脉冲时,浪涌保护器的电阻瞬间变小,近似导通,使得各部分电位相等。
  3.2.4分流
  是指将雷电流能量向大地泄放过程中应符合层次性原则。层次性就是按照所划分的防雷保护区对雷电能量分级泻放。尽可能多、尽可能快的将多余能量在引入系统之前泄放入地。
  由于雷电过电压的能量很大,单一的措施或一道防线都无法消除雷电过电压的侵害,必须采取多级防护措施才能将侵入的雷电过电压限制在安全的、设备能够承受的范围之内。
  3.2.5接地
  接地是分流和泻放直击雷及雷电电磁干扰能量的最有效的手段之一,也是电位均衡补偿系统基础。目的是使雷电流通过低阻抗接地系统向大地泄放,从而保护建筑物、人员和设备的安全。没有良好的接地系统或者接地不良的避雷设施会成为引雷入室的祸患;避雷装置接地不好,还提供了雷电电磁脉冲对电气和电子设备产生电感性、电容性耦合干扰的机会。
  3.2.6合理布线
  雷电磁场变化必对金属导体形成感应,产生感应电压和感应电流。另外金属导体间的电磁耦合也将形成电磁干扰,都将对信息系统构成威胁。因此,除综合布线自身的安全防护外,还必须合理控制各线缆间安全距离和线路的走向,消除不必要的电磁耦合。
  
  4、综合楼预计雷击次数及机房的防护等级判定
  4.1教学综合楼建筑物年预计雷击次数
  依照《建筑物防雷设计规范》附录一:建筑物年预计雷击次数公式:N=KNgAe式中K取1(属一般情况);Ng取决于地区雷暴日(由气象资料查得东明雷暴日为30天);Ae取决于建筑物长、宽、高,即与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(k㎡)。
  经计算=0.3(次/年)
  根据《建筑物防雷设计规范》第2.03条遇下列情况之一时,应划为第二类防雷建筑物:第八项、预计雷击次数大于0.06次/a的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物,因此可确认该学校综合楼属于第二类防雷建筑物
  4.2教学综合楼网络控制中心、计算机教室雷电风险评估
  电源线缆入户方式:低压电源线,线长L:15,等效面积ds:120.0
  采用公式:K×ds×L×10-6,参数K=1.5
  结论:电源线缆入户截面积Ae1=0.0027
  结论:信息线缆入户截面积Ae2=0.0027
  经计算,其机房风险等级为(0.80<E≤0.90),定为C级,宜在低压系统安装2级SPD进行防护。
  5、设计原则
  因地制宜地采取防雷措施,防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和财产损失,做到安全可靠、技术先进、经济合理。按照国家防雷规范要求安装防雷装置和采取防护措施后,将雷电灾害降低到最低限度,减小校内人员伤亡和被保护的电子设备遭受雷击损害的风险。
  6、具体设计方案
  6.1外部防雷
  6.1.1接闪装置安装
  在教学综合楼屋面四周增设直击雷防护措施——沿大楼屋面四周女儿墙敷设避雷带,并在屋面组成10m×10m或12m×8m的避雷网格。对于屋面突出的水塔,在水塔面四周敷设避雷带,并将水塔的金属扶梯与网格做可靠的电气连接。并在屋面的转角折线处安装60cm高的避雷短针。
  6.1.2引下线
  引下线的结构设计最根本的目的是为了保证接闪器与大地之间有良好、可靠的电气连接;保证有足够大的截面积,避免雷电流通过时引起熔断,或温度过高引起火灾。
  教学综合楼屋面避雷带、网格的引下线采取热镀锌圆钢引下线引入地网,其引下线尽量暗敷方式保持建筑物原貌,利用建筑物的主钢筋引下,在无建筑物主筋的地方则采取沿建筑物外墙明敷,并已最短路径接地。
  6.1.3屏蔽
  户外屏蔽的目的是为了减少电磁干扰,所以建议在校园内的将架空线改换为外套屏蔽钢管埋地进入配电间,其埋地长度可以选择15m。屏蔽钢管进行多点的就近接地处理,改善电源线路周边的电磁环境,可以使雷电电磁脉冲侵入的幅值得到相当程度的衰减,从而降低综合楼内设备遭受雷电电磁脉冲损害的概率。
  6.1.4接地网的计算
  接地网是建筑物防雷设计中很重要的一部分,接地网敷设的好坏严重影响到建筑物和人员的安全,所以敷设接地网络时候一定要经过精密的计算才行。下面就对教学综合楼的接地网有关数据进行计算。
  单一垂直接地体:
  
  式中:土壤电阻率ρ=350Ω•m,接地体有效长度l=2.5m,接地体直径d=0.042m,则RC=122.002Ω
  综合垂直接地体:
  式中:RC=122.002Ω,垂直接地体数n=30,利用系数η2=0.8,则RB=3.253Ω
  水平接地体:
  式中:土壤电阻率ρ=350Ω•m,接地体有效长度l=25m,接地体直径d=0.02m,接地体形状系数A=1.69,接地体埋深h=0.7m,则RS=25.981Ω
  整体接地系统由垂直接地体与水平接地体联合组成时:
  式中:RB=3.253Ω,RS=25.981Ω,利用系数η=0.75,则Rg=3.855Ω
  6.1.5接地装置施工技术规范:
  ⑴、所用钢材均为Q235B,质量应符合《碳素结构钢》(GB700-88)的规定。
  ⑵、所有构件为热浸镀锌防腐,镀锌层厚度不小于86微米。
  (3)、构件施工符合钢结构工程施工质量验收规范(GB50205-2001)
  (4)、接地角钢四周不能用岩石回填,用好土回填,回填土分层夯实,容重不低于16kN/m,使其接地电阻良好。
  ⑸、接地体埋深(接地体上端距地面的距离)不小于0.7m。
  (6)、垂直接地体采用长度不小于2.5m(特殊情况下可根据埋设地网的土质及地理情况决定垂直接地体的长度)的热镀锌钢材,垂直接地体间距为垂直接地体长度的1~2倍,具体数量可以根据地网大小、地理环境情况来确定,地网四角的连接处埋设垂直接地体。
  (7)、水平接地体采用热镀锌扁钢,其规格不小于40mm×4mm。
  (8)、垂直接地体应采用长度为2.5m的不小于50mm×50mm×5mm热镀锌角钢。
  (9)、地网增设辐射型接地体时,根据周围的地形环境确定接地体的走向、埋深、长度和根数。
  (10)、水平接地体扁钢侧面垂直铺设在预先挖好的地沟内,遇到地下管线使扁钢达不到要求的埋设深度时,扁钢铺设在其下部。在铺设地网连接线无法避开如阴井等情况时,穿PVC管。
  (11)、接地体与埋地交流电缆、光缆、传输电缆交越或并行时,接地体与电缆之间的距离不小于20cm;与高压埋地电缆交越时,接地体与高压电缆之间满足50cm的最小距离,并行时满足100cm的最小距离。地网沟内不允许并排布放其它进出建筑物的电缆或信号线路,如不得已要布放的,线缆做穿管等屏蔽处理。
  (12)、为保证良好的电气连通,扁钢与扁钢(包括角钢)搭接长度为扁钢宽度的2倍,焊接时做到三面焊接。圆钢与扁钢搭接长度为圆钢直径的10倍,焊接时做到双面焊接。圆钢与建筑物螺纹主钢筋搭接长度为圆钢直径的10倍,焊接时做到双面焊接。
  
  6.2内部防雷
  雷电电磁脉冲(也称感应雷)可以通过电力电缆、通信电缆、光纤和天馈线侵入建筑物,由于电力、通讯线缆的距离长且对雷电波的传输损耗小,所以由电源侵入的电磁脉冲造成的危害十分突出。电磁脉冲还可以通过空间感应侵入校园内部线路,虽然经过建筑物和机壳的屏蔽衰减后其能量大为减小,但建筑物内许多电信设备的抗过压能力也很弱,如果处理不当也可能造成设备故障。
  6.2.1屏蔽
  由于防雷设计过程中会产生很多的线缆,对于这些线缆一定要处理好,并在线缆进出建筑物的交界处做好等电位连接并接地。如有可能将线缆穿金属管道后埋地进出建筑物,其埋地长度应达到15m,并将金属管道两端就近作接地处理。
  6.2.2等电位连接
  由于实行等电位措施可以减小地网之间、电子设备之间和电子设备与金属构件之间的电位差,防止反击。
  6.2.3合理布线
  教学综合楼计算机教室综合布线纵横交错,极易引起雷电电磁脉冲的侵入,为了阻断和隔离雷电电磁脉冲的侵入,布放线缆时应平直,减少由线缆自身形成的感应环路面积。
  6.2.4电源SPD安装
  电源SPD安装技术规范:
  ⑴、防雷器悬挂安装于35mm导轨上。
  ⑵、防雷器接入电网时其前端火线上需串联32A的空气开关。
  ⑶、防雷器的连接线应尽可能的短且直,长度不超过0.5m。
  ⑷、电源SPD连接线和接地线选择表。
  7、综述
  在整个设计方案中,遵循“整体防御、综合治理、多重保护”的方针,采用先进、可靠的防雷技术,为校园建立起初步的综合防雷体系,可以有效防止和减少雷击而造成的危害。
  7.1在外部防雷方面
  ⑴、采用避雷带、避雷网格作为接闪器,从源头上控制教学综合楼雷害发生的强度。
  ⑵、教学综合楼屋面金属物的可靠接地,减少了由于电位反击造成的人身伤害及设备损坏。
  ⑶、教学综合楼旗杆的合格、可靠、稳定的接地网的改造,为雷电泄放提供了畅通的泄流通道。
  7.2在内部防雷方面
  ⑴、教学综合楼计算机教室采取等电位措施,减少了雷电反击。
  ⑵、教学综合楼内的供电系统建立起了多级防雷保护体系,保障楼内网络控制中心、计算机教室设备的安全及正常工作。
  8、结束语
  以上就是我对于东明县第一高中综合楼防雷的一些个人见解。雷害的表现是多方面的,破坏性巨大的。要采取泄流、均压、接地、屏蔽、等电位连接、浪涌保护器等系统的防护措施,可大大减少雷击时对建筑及内部信息系统的危害,从而保障人员及财产的安全。如果从建筑设计施工阶段开始体现这些综合系统的防护设计原则,必将会起到事半功倍的理想防护效果。智能建筑内各种电子设备越来越多,防雷措施也越来越复杂,只有按综合防雷概念,将外部防雷措施和内部防雷措施整体统一考虑,才能真正做到安全可靠。随着科学化技术的逐渐发展及建筑物防雷安全的重视,防雷技术将会得到不断得到完善。

文章标题:东明县第一高中综合楼雷电防护设计

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