智能化建筑雷擊風險分析

徐華偉 李舟鑫 饒仕吉 田人妃 劉 松

1.貴州省貞豐縣氣象局 貴州 貞豐 562200;2.貴州省黔西南州氣象局 貴州 興義 562400

前言

雷電是發生在大氣中的聲、光、電物理現象,其放電電流可達數十千安培,甚至數百千安培。雷電流具有很高的峰值和波頭上升陡度,放電瞬間產生強大的暫態脈沖電磁場危害智能化建筑內的通信傳輸、樓宇、消防、安保、辦公等智能系統,其危害主要分為兩類:直接危害和間接危害。直接危害主要表現為雷擊引起的熱效應、機械效應和沖擊波效應;間接危害主要表現為雷電引起的靜電感應、電磁感應、雷電波侵入和暫態過電壓。智能化建筑遭受直接雷擊或其附近區域發生雷擊時,雷電流產生暫態脈沖電磁場,脈沖電磁場交鏈不同空間的導體回路,并在這些回路中感應出過電壓和過電流,過電壓、過電流和脈沖電磁場將通過供電線纜、通信線纜、天線、金屬管道和空間輻射等途徑侵入,危害CMOS工藝制造的集成電路及傳輸接口,導致集成電路及設備接口損壞,威脅智能化建筑設備的安全運行。

1 雷擊風險識別

智能化建筑布置于自然環境中,雷電對其危害與雷擊位置關系密切,雷擊點可能是智能化建筑本身或附近,也可能是供電或通信線纜,統稱為雷擊風險源[1-2],根據雷擊點位置的不同,考慮下列情形:雷擊智能化建筑時(S1);雷擊智能化建筑的鄰近區域時(S2);雷擊供電及通信設施時(S3);雷擊供電及通信設施的鄰近區域時(S4)。由此所產生的損害類型和損失類型將是風險識別的主要對象,雷擊智能化建筑導致的損害可能是一部分,也可延伸至整體,甚至是提供服務的設施本身(供電及通信)及其電氣和電子系統。損害的基本類型主要是人員的傷害(D1),實體損害(D2),電氣和電子系統失效(D3),不同損害類型,無論是單一的或多種損害類型的聯合,都會使智能化建筑產生不同的損失后果。依據智能化建筑本身特征,損失類型主考慮:致人員傷亡(L1),為智能化建筑提供服務的公共設施的損失(L2),經濟損失(L3)。相應風險為致人員傷亡的風險(R1);為智能化建筑提供服務的公共設施損失的風險(R2),經濟損失的風險(R3)。對風險分析的實際應用如表1-1:

表1-1 雷擊風險對照表

智能化建筑的年雷擊損害次數(F)作為主要風險因子,由直擊雷擊引起的年損害次數Fd),間接閃擊導致的年損害次數(Fi)兩部分組成:

F=Fd+Fi

可能損失的平均數δ取決于人員數量及他們停留的時間長短,根據損害類型,δ值可用下列近似公式(1)計算:

δ=1-(1-t/8760)n(1)

式中:n—危險地帶的人數

t—這些人員每年出現于危險地帶的時間,單位:小時

為了確定智能化建筑是否需增加雷電防護,須將F值與智能化建筑所能接受的損害次數的最大值Fa相比較

Fa=Ra/δ

F≤Fa的條件應滿足,可不額外增加雷電的防護措施,當F〉Fa時,需要增加雷電防護措施具有效率為E的LPS裝置作防直擊雷保護。

提供LPS保護并在服務設施(供電、通信)上安裝SPD防護,將外來導電部件作等電位連接,減小服務設施的損害概率,從而降低風險分量。

2 數據采集

智能化建筑的雷擊風險,需要數據資料來分析支撐,智能化建筑的雷擊風險跟建設地的地理環境、雷暴日數、閃電強度、土壤電阻率密切相關,數據來源于建設地氣象臺(站)雷暴日數的地面觀測資料、雷電監測網的大氣電場及閃電資料,智能化建筑建設項目的設計文件資料,現場勘測的土壤電阻率數據。利用采集數據分析建設地的雷擊大地密度、年預計雷擊次數、雷電流強度及閃電極性、截收雷電的等效面積、接地系統的接地電阻等參數。

3 雷擊風險分析

智能化建筑的雷擊風險與年預計雷擊次數、磁場強度、接地電阻相關。其中年預計雷擊次數主要由建設地的雷暴日數和建筑對雷電的等效截收面積確定,影響系統正常運行的磁場強度由雷電流強度和屏蔽措施確定,接地電阻則由建設場址的土壤電阻率、接地網面積、接地材料的等效面積等因素確定。

3.1 雷擊損害分析

雷擊損害需對智能化建筑受雷電的直接閃擊次數、雷擊附近大地的雷擊次數進行理論計算,利用數據采集得到的參數、智能化建筑設計參數分析雷擊損害概率,雷電閃擊次數與雷擊大地密度(Ng)有關,在沒有閃電監測資料的情況下,可利用年平均雷暴日數確定。

Ng=0.04Td1.25(次/km2·年)

雷電有效截收面積定義為與建筑物有相同的年直接雷電閃擊次數的大地面積

Ae=[ab+6(a+b)h+9πh2]×10-6

依公式(2)估算智能化建筑預計遭受直接雷擊年平均次數

Nd=Ng·Ae(次/年)(2)

直接雷電閃擊的損害次數是由跨步電壓或接觸電壓而引起的:

Fd=H+A

H是由于接觸電壓及跨步電壓引起的損害次數:H=NdPh

A是由于著火引起的損害次數:A=Nd×Pfd

間接雷電閃擊的損害次數是由入戶設施上的過電壓引發放電而引起,應考慮對智能化建筑附近大地的閃擊及作用于入戶設施上的閃擊。

Fi=B+C(B=NnPtP3、C=Pt(NlP3+N2P3))

智能化建筑預期的年損害次數:

F=Fd+Fi

為了確定智能化建筑是否需加以保護,必須將F值與建筑物所能接受的損害次數的最大值Fa相比較

Fa=Ra/δ

F≤Fa的條件應滿足,否則應提供額外的防護措施。

當安裝LPS并在入戶設施上安裝SPD,將外來導電部件作等電位連接,以便將P3、P4概率減小;

采取的雷電防護措施,使損害概率滿足 Fd＜Fa的條件時,智能化建筑獲得防雷電閃擊的保護。從安全角度考慮,在入戶設施上安裝浪涌保護器(SPD)的防護措施更是需要的。

3.2 磁場與屏蔽分析

智能化建筑受直接雷擊或附近雷擊時,雷電流及感應電流經各接地引下線泄放,由于雷電有極大的峰值和徒度,在其周圍形成強大的變化的電磁場[3-4],處于變化電磁場中的導體會感應出較大的電壓,該電壓由導線傳導至電氣設備。根據相關規范要求,機房內磁場強度應不大于800A/m。因此,智能化建筑所處環境的磁場強度超過800A/m時,需要采取屏蔽措施,并且在盡可能的條件下,磁場強度越低越好。

3.3 接地分析

接地是指電氣設施的某些導電部分與大地或范圍比較廣泛能用來代替大地的等效導體之間的電氣連接。接地的目的是利用地作為傳導電流回路的一個元件,在事故或遭受雷擊的情況下將電位控制在允許的范圍,以保障人員和設備安全。無論是防止擊雷、防感應雷,都是利用接地裝置將故障電流或雷電流引入大地泄放[5-6],接地裝置的接地電阻通常由三部分組成:接地體本身的電阻,接地極與土壤接觸部分的接觸電阻,電流經接地極流入土壤后呈現的散流電阻,這部分電阻由土壤電阻率決定,與土壤電阻率成反比,同時受水平接地體的有效長度限制,由于雷電流在接地中的傳導速度有限,加之雷電流陡度高,高頻分量豐富及接地體自身的分布電感,使雷電流的傳導受阻礙,當水平接地體的長度達一定數值時,它的時間常數已足夠大,對雷電流的散流已不起作用,水平接地體的有效長度起決于土壤電阻率(L=2),接地裝置的接地電阻按等效為半球形接地極法進行計算,當接地電阻不能滿足智能化設備的接地要求時,應采用聯合接地方式或使用降阻材料降低土壤電阻率,使接地電阻滿足設備要求。電氣設備保護接地及其它電子信息系統接地采用共用接地,一般情況下接地電阻不大于4Ω。

4 分析結論

依據智能化建筑相關建設資料,并結合項目場址、地形地貌、環境等情況,分析了智能化建筑場址及周邊的雷電活動特征[7-8],雷電對智能化建筑可能產生的危害,分析年預計雷擊次數、磁場強度、屏蔽網格、接地電阻、系統雷電防護等級雷擊風險,通過風險的分析,對于所考慮最危險的情況是與第一類的損害人身傷亡相關。為了將這類損害的風險減小至一個可以接受的水平,防雷類別按二類,首次雷擊電流應按一類200KA考慮,利用結構鋼筋、基礎鋼筋等自然金屬構件組成外部防雷裝置和連接網絡,形成柵格型屏蔽系統實現屏蔽,以減弱LEMP的干擾。智能化建筑設備宜設置在雷擊風險低區域內,避開強干擾磁場,選用有金屬屏蔽層的線纜,將線纜金屬屏蔽層與等電位連接網絡連接并接地。當交流工作接地、直流工作接地、保護接地、防雷接地等共用接地裝置時,其接地電阻值應以設備要求的接地電阻最小值為基準,各類金屬導體,線纜屏蔽層及金屬線槽(架)等進入機房時,應做等電位連接。當采用S型結構等電位連接時,只允許單點接地,在磁場干擾強度不大于800A/m的情況下,考慮到智能化建筑設備的精密性,宜安裝多級浪涌保護器(SPD)防止雷擊過電壓,使雷電流逐級匯放,過電壓逐級鉗位,最終將SPD的殘壓控制在0.65kv的殘壓水平。

雷擊風險分析是以采集數據為基礎,既包括智能化建筑的原始設計數據、氣象觀測數據,也包括相當數量的現場勘察數據。應當聲明的是,考慮到經濟與技術結合的最大效益,國際標準和國內標準規定了允許雷電閃擊頻率和可接受的最大危險度,雷擊風險分析是基于這些規定得出的,因此,超出規范規定值的雷擊損壞是可能存在的。