綜合建筑防雷設(shè)計(jì)的探討

劉貽彬

摘 要：主要針對(duì)綜合建筑防雷的設(shè)計(jì)工作展開了探討，通過結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)綜合建筑的防雷環(huán)境和防雷類型進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對(duì)防雷設(shè)計(jì)方案的制訂進(jìn)行了系統(tǒng)分析，以期為有關(guān)方面提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：綜合建筑；防雷設(shè)計(jì)；電子設(shè)備；雷電電磁脈沖

中圖分類號(hào)：TU855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.16.157

現(xiàn)代綜合建筑物中部分電子設(shè)備的損壞都與雷擊有著一定的關(guān)系，且雷擊還很有可能造成人員傷亡。因此，防雷工作的開展對(duì)保護(hù)綜合建筑的安全起著重要的作用。因此，本文對(duì)綜合建筑的防雷工作進(jìn)行了探討。

1 防雷環(huán)境分析

以某建筑為例，其主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，共5層，附近有其他建筑物，周圍土壤的電阻率ρ=100（Ω·m），大樓正面長度為22.5 m，側(cè)面長度為15.8 m，樓層標(biāo)高為15.0 m，女兒墻高出屋面1 m，樓頂有1座正方形水塔，塔長2 m，寬2 m，高出屋頂2.2 m，無防雷措施。該建筑底層有1間中心配電房，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)房設(shè)置在綜合樓3層。網(wǎng)絡(luò)線路由光纖引入，通過1臺(tái)中心交換機(jī)用光纖接到二級(jí)交換機(jī)（3臺(tái)），其中，兩臺(tái)直接與工作站連接，另一臺(tái)通過雙絞線連接到集線器（2臺(tái)）后再與工作站連接。電源和信號(hào)線均由架空引入，所有機(jī)房供電采用TN-C-S供電機(jī)制，機(jī)房內(nèi)設(shè)備有UPS和各類機(jī)架共4個(gè)，進(jìn)出機(jī)房信號(hào)纜線為光纜和X.25數(shù)據(jù)通信線，網(wǎng)絡(luò)線路在樓內(nèi)布設(shè)。

2 雷電電磁脈沖損害設(shè)備的途徑

雷電和雷電電磁脈沖主要通過2種形式損害設(shè)備：①通過金屬管線或地線直接傳導(dǎo)雷電損害設(shè)備；②閃電通道和泄流通道的雷電電磁脈沖以各種耦合的方式感應(yīng)到金屬管線或地線產(chǎn)生浪涌損害設(shè)備，絕大部分雷電損害由此種感應(yīng)引起。

對(duì)于電子信息設(shè)備而言，危害主要來自于因雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，雷電和雷電電磁脈沖損害本綜合樓設(shè)備的途徑有以下2條：①電源線。該綜合樓低壓配電系統(tǒng)由室外變壓器架空線直接引入底層配電房，隨后由總配電箱分到各個(gè)樓層分配電箱，再由分配電箱引入相應(yīng)的電子設(shè)備端。②信號(hào)線。包括光纜、X.25數(shù)據(jù)線、電話線，這些線均由室外架空引入，雷電波極易沿這些線路侵入，進(jìn)而造成端口設(shè)備損壞。

3 主機(jī)房的防雷區(qū)域

該綜合樓為三類防雷建筑物，根據(jù)GB 50057—94（2010）中的第3.4.7條，引下線應(yīng)≥2根，但周長不可超過25 m，高度不超過40 m的建筑物只設(shè)1根引下線。引下線應(yīng)沿建筑物四周均勻或?qū)ΨQ布置，其間距應(yīng)≤25 m。

4 確定防護(hù)要點(diǎn)

應(yīng)根據(jù)GB 50057、GB 50343、現(xiàn)場(chǎng)勘察資料、建筑物的重要性、建筑物的使用性質(zhì)和建筑物的特點(diǎn)確定雷電防護(hù)的重點(diǎn)。具體包括綜合樓樓體的直擊雷防護(hù)和綜合樓內(nèi)電子信息系統(tǒng)對(duì)雷電電磁脈沖的防護(hù)。綜合考慮部分為：建筑物內(nèi)整個(gè)供電系統(tǒng)電源線路的防雷電感應(yīng)措施；信號(hào)線路的防雷電感應(yīng)措施；等電位連接、接地系統(tǒng)、過電壓和其他防雷措施。

5 防雷設(shè)計(jì)方案

5.1 外部防雷

5.1.1 樓頂?shù)姆雷o(hù)

由于該綜合樓屬于第三類防雷建筑物，整個(gè)屋面采用了避雷帶與避雷網(wǎng)混合組成的接閃方式，并采用了Ф12 mm熱鍍鋅圓鋼沿建筑物四周女兒墻和水塔沿邊敷設(shè)的方式，避雷帶支持卡的間距為120 cm，高15 cm，轉(zhuǎn)角處懸空段≤1 m。同時(shí)，屋面采用熱鍍鋅圓鋼組成15 m×8 m的避雷網(wǎng)格，并沿屋面敷設(shè)，所有高出屋面的各種金屬構(gòu)件均需與避雷帶焊接相連，且與大樓主鋼筋進(jìn)行可靠焊接連通。

5.1.2 引下線

本綜合樓引下線選用建筑物混凝土中柱內(nèi)對(duì)角的2根主鋼筋Ф16 mm（Ф≥12 mm，可靠連接）作為自然引下線。引下線沿建筑物四周屋角布置，可有效抑制雷電電磁脈沖的沖擊，并有效泄流，其平均間距為12.8 m。同時(shí)，引下線的良好布置也對(duì)內(nèi)部電子信息系統(tǒng)設(shè)備起到了初級(jí)屏蔽的作用。

5.1.3 接地裝置

本方案中的防雷接地與交流工作接地、直流工作接地、安全保護(hù)接地共用一組接地裝置。接地裝置的接地電阻值按接入設(shè)備中要求的最小值確定，≤4.0 Ω。接地裝置利用建筑物的自然接地體，經(jīng)檢測(cè)，該自然接地體的接地電阻值為2.8 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，不需要增加人工接地體。

5.2 建筑物內(nèi)部的雷電防護(hù)

5.2.1 屏蔽

機(jī)房的屏蔽主要包括內(nèi)屏蔽和外屏蔽，適當(dāng)運(yùn)用局部屏蔽可有效消除電磁干擾。對(duì)于普通辦公室而言，由于大樓樓體本身就是一個(gè)很好的“法拉第屏蔽籠”，可起到初級(jí)屏蔽的作用，設(shè)備的機(jī)箱又可以起到次級(jí)屏蔽的作用；對(duì)于一般的小型機(jī)房和對(duì)設(shè)備要求不是很高的場(chǎng)所而言，不需要做屏蔽措施；對(duì)于重要機(jī)房，比如中心機(jī)房和營業(yè)部的機(jī)房，要在室內(nèi)用6面金屬網(wǎng)屏蔽，并做好次級(jí)屏蔽。

線纜的屏蔽應(yīng)接地。由于該建筑使用的很多線纜均未屏蔽且較長，有較多感應(yīng)回路，所以，需要做好這部分的屏蔽措施，以消除雷電電磁場(chǎng)的干擾。必須對(duì)所有電源線、廣域網(wǎng)線、局域網(wǎng)線、控制線、監(jiān)控線和視頻線等進(jìn)行屏蔽處理。屏蔽線（槽）必須有2點(diǎn)以上接地，屏蔽線端點(diǎn)必須接地。電源線與網(wǎng)線不能同槽鋪設(shè)，網(wǎng)線穿墻壁時(shí)應(yīng)套入金屬管內(nèi)，且應(yīng)對(duì)金屬管進(jìn)行接地處理。布線時(shí)，網(wǎng)線必須與墻壁保持一定的空間，以減少雷電電磁場(chǎng)對(duì)線路的影響。在光纜加強(qiáng)鋼筋或光纜金屬護(hù)套進(jìn)入設(shè)備前，必須采取可靠接地。電子、微電子信息設(shè)備應(yīng)盡量遠(yuǎn)離建筑物外圍柱子，并設(shè)置在雷電防護(hù)級(jí)別最高（LPZ2或LPZ3）的區(qū)域內(nèi)。根據(jù)防雷分區(qū)和設(shè)備的具體要求，采取相應(yīng)的屏蔽措施，增加機(jī)箱、設(shè)立屏蔽室等，使雷擊產(chǎn)生的電磁場(chǎng)向內(nèi)層層衰減，以減小其對(duì)音頻、視頻信號(hào)的干擾。

5.2.2 接地和等電位

為了保證綜合樓內(nèi)部信息系統(tǒng)電子設(shè)備和操作人員的安全，所有電氣、電子信息設(shè)備均應(yīng)進(jìn)行等電位連接和良好的接地處理，使所有雷電流順利泄入大地。此外，各個(gè)內(nèi)層保護(hù)區(qū)的界面也要進(jìn)行局部等電位連接，并將各個(gè)交界處的電位通過母線排連接起來。

為了防止閃絡(luò)和過電壓，在國際GB 50057—94中提出了等電位連接的要求。共地的基本目的是達(dá)到全面的等電位連接，從而抵御雷電的高壓反擊。如果強(qiáng)行實(shí)施等電位，則將造成不良的后果。IEC61312標(biāo)準(zhǔn)明確指示，當(dāng)共地?zé)o法實(shí)現(xiàn)時(shí)，采用電壓瞬間導(dǎo)通的SPD元件實(shí)現(xiàn)雷電來臨，可達(dá)到瞬間共地。

大樓內(nèi)各弱電系統(tǒng)的具體等點(diǎn)位措施為：外墻上所有的金屬欄桿、門窗均與避雷帶可靠連接，避雷帶與引下線可靠連接；豎直敷設(shè)的金屬管道與金屬物兩端連接，使其與引下線形成并聯(lián)線路，最終使雷電流迅速入地；對(duì)于進(jìn)入大樓的光纜，在入戶處對(duì)光纜中的加強(qiáng)鋼筋進(jìn)行接地處理，接地線就近接至均壓環(huán)或接地匯集排。

樓內(nèi)語音線路采用三類大對(duì)數(shù)電纜，有條件的最好敷設(shè)在屏蔽槽內(nèi)，并在電纜金屬屏蔽層進(jìn)入機(jī)房前與另一端進(jìn)行接地處理，且接地線就近接地。

對(duì)于機(jī)房的接地，可根據(jù)機(jī)房的占地面積、使用性質(zhì)、重要性和自身特點(diǎn)，并結(jié)合《建筑物防雷規(guī)范》（GB 50343—2004）中的相關(guān)規(guī)定，采取一點(diǎn)接地的方式保護(hù)，具體如圖1所示。

5.2.3 合理布線

通信電纜和地線的布設(shè)應(yīng)盡量集中在建筑物中部；通信電纜線槽和地線線槽的布設(shè)應(yīng)盡量避免緊靠建筑物立柱或橫梁，盡可能位于距建筑物立柱或橫梁較遠(yuǎn)的位置。

計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備應(yīng)盡量采用光纜，并對(duì)金屬加強(qiáng)筋進(jìn)行接地連接；適當(dāng)增加引入線的長度，或設(shè)置成電感形式，以增大匝間電容和對(duì)地電容，從而抑制雷電波頭陡度的增加。

5.3 電源線路的防護(hù)

電力傳輸線是涉及范圍最廣泛的傳輸線，事實(shí)證明，80%以上的雷電入侵波來自電力傳輸線。對(duì)于該建筑物網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線、語音和安全防范等系統(tǒng)內(nèi)電源線的防雷工作，應(yīng)遵循“多重保護(hù)、層層設(shè)防”的原則，根據(jù)設(shè)備的重要程度和地理位置有重點(diǎn)、有層次地開展多級(jí)保護(hù)。該信用社采用TN-C-S供電機(jī)制，根據(jù)ICE和GB的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)對(duì)電源系統(tǒng)實(shí)施三級(jí)防護(hù)。由于該建筑采取了架空電纜引入，所以，應(yīng)在總配電柜中安裝開關(guān)型SPD作為第一級(jí)保護(hù)；在分配電柜線路輸入端中安裝限壓型SPD作為第二級(jí)保護(hù)；在電子信息設(shè)備電源進(jìn)線端安裝限壓型SPD作為第三級(jí)保護(hù)。

每一級(jí)通流容量按照《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB 50343—2004）中表5.4.1-2的參數(shù)設(shè)置：第一級(jí)使用通流容量≥60 kA的電源避雷器；第二級(jí)使用≥20 kA的電源避雷器；第三極使用通流容量≥20 kA的電源避雷器。如果第一線防雷器件與第二級(jí)防雷器件之間的直線距離>10 m，第二級(jí)與第三級(jí)之間的直線距離>5 m，則將入侵雷電波的過電壓、過電流降到設(shè)備可以承受的水平。

5.4 信號(hào)線路的防感應(yīng)雷保護(hù)

由于信號(hào)系統(tǒng)，尤其是與信號(hào)傳輸線相連接的設(shè)備接口的工作電壓、耐壓水平很低，且對(duì)由信號(hào)傳輸線引入的感應(yīng)雷電波特別敏感，所以極易損壞。為了有效傳輸數(shù)據(jù)和進(jìn)行正確通訊、防止雷擊浪涌過電壓的危害，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和語音、安全防范等系統(tǒng)設(shè)備的信號(hào)接口處安裝相應(yīng)的信號(hào)避雷器是非常必要的。此外，還需要對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和大屏幕顯示系統(tǒng)等加裝SPD。

6 結(jié)束語

綜上所述，雷擊事故對(duì)綜合建筑所造成的危害和損失是十分嚴(yán)重的。因此，必須制訂科學(xué)、合理的防雷設(shè)計(jì)方案，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行建筑防雷施工。本文通過結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)論述，相信對(duì)類似的防雷設(shè)計(jì)有所幫助。

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〔編輯：張思楠〕

Abstract： This paper mainly for comprehensive building lightning protection design was discussed. By combining the concrete project instance， on building integrated lightning protection and lightning protection types were in detail， and on the lightning protection design scheme formulated have carried on the system analysis， in order for any party to provide reference and reference.

Key words： integrated building； lightning protection design； electronic equipment； lightning electromagnetic pulse