基于现代建筑电气中防雷设计的探讨
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摘要：随着经济的快速发展，高层建筑越来越多,其遭受雷击的概率高。又由于高层建筑内设备和线路密集,雷电对这些设备及线路的破坏威胁也大大增加。本文分析了雷电压的形成及其危害，提出防雷设计措施，以供同行参考。
关健词：智能建筑；雷电压形成；雷电防护；防雷设计
1 雷电压的形成及其危害
大气中的饱和水蒸气在上下气流的强烈摩擦和碰撞过程中,形成了带不同电荷的雷云。当带电的云块临近地面时,由于静电感应,大地感应出与雷云极性相反的电荷。云层与大地之间就像一个巨大的极板电容器,当云层中电荷密集处对大地的电场强度达到25～30kV/cm时,就会击穿空气绝缘,云层对大地便发生先导放电。当先导放电的通路到达大地时,大地上的电荷与雷云中的电荷就会发生强烈的中和,出现特大电流,时间大约为50～100μs,雷电流可达几十万安,其能量巨大,可损坏建筑物,中断通信,危害人身安全。雷过电压分为两种:直击雷过电压及雷电感应过电压。
(1)直击雷过电压(传导过电压)。架空线路直接遭受雷击后,高压冲击波形成的过电压沿线路传播损坏设备称为传导过电压,传导过电压会导致设备与大地间的绝缘损坏。
(2)雷电感应过电压。由于雷电是高频脉冲电流,持续时间不超过100μs,雷击点附近的线路由于电磁感应会产生脉冲浪涌。脉冲浪涌通过线路侵入设备系统,会造成设备失灵或永久性损坏。此外,雷电流流入大地时,由于存在散流电阻,该区域不同地点会有不同的电位,即使在很短的距离内也会产生电位差,在低压配电装置中也会产生过电压。
2 智能建筑的雷电防护
智能建筑受到雷电冲击时,建筑内冲击电位分布和空间瞬间电磁场将会影响安装在楼内的与楼外有联系的电气设备,尤其会使现代数字化通信设备中的计算机控制中心误动或损坏。据国外资料介绍,0.03T的磁场强度可造成计算机误动,2.4T可使元件击穿。但雷击时雷电流在建筑物内的分布有一定规律,可以通过将电气设备尤其是对雷击敏感的计算机控制系统单元(即数字终端设备)在通信大楼中进行合理布局,并采取综合防护措施,如分流、屏蔽、搭接等,有效地减少雷害。目前比较流行的防雷方法是采用外部防雷,即采用避雷针(或避雷带、避雷网)、引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要是为了保护建筑物免受雷击而引起火灾事故。但是防雷仅采用外部防雷是不够的,雷电波会侵入各个电气通道(如电源线、信号线的金属管道等),由其产生的浪涌电压对通信设备、网络、信息系统有极大的危害,轻则毁坏线路,重则损害设备,甚至导致系统瘫痪,造成难以估算的损失。所以,必须进行内部防雷,防止雷电和其他内部过电压侵入设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。为了实现内部避雷,需要在进出建筑物的各保护区上的电缆、金属管道上安装连接过压保护器,并实行等电位联结,防止由雷电产生的浪涌电压对设备造成的损害。
对于智能建筑特别是电气设备的保护,除了做好常规的防雷设施和处理好接地问题外,还应在设备房内加装相应的过电压保护装置,以消除电网浪涌、雷电感应电压、设备切换等意外事件对设备的冲击和毁坏。要求进入设备房内的电源线、信号线应通过防雷、防过压处理,设备外壳、金属门窗、管道、静电地板等应进行等电位处理。
3 防雷措施设计
3.1完整的防雷方案
一个完整的防雷方案包括两个方面,即直接雷的防护和感应雷的防护,两者缺一不可。
3.1.1直击雷
直击雷防护主要是使用避雷针、女儿墙避雷带、导地体和接地网,再加上主体钢筋而形成一个笼式框架及所谓“法拉第网”笼式的框架,如果要达到理想的效果,在没有避雷针的情况下,必须在最高位布有不大于10m×10m的金属网络,整座建筑物的金属体(如水管、天线等)都要与这个笼式框架相连接,以达到理想的防雷保护作用。
3.1.2感应雷
感应雷主要通过电源线、信号线或数据线入侵而破坏电子设备,所以感应雷的防护是要在各种线路的进出口安装适当的防雷器。防雷器应具备以下条件:
(1)动作时间快,小于25ns。
(2)相容性。它不会对其所保护的设备或线路造成任何干扰和中断。
(3)能承受高电流。防雷器必须能承受10kA以上的雷电电流。
(4)全面保护。电源防雷器必须能提供相线对地线、中线对地线及相线对中线的全面保护。
(5)反复使用。在正常情况下可承受多次感应雷击,而自动恢复原始保护状态。
(6)安装简易。
3.2电源系统的分级保护措施
对于低压供电系统,浪涌引起的瞬态过压保护,最好采用分级保护的方式来完成。从供电系统的入口(如大楼的配电总房)开始逐步进行浪涌能量的吸收,对瞬态过电压进行分阶段抑制,通常采用三级保护。
(1)第一级保护。第一级保护是连接在智能建筑供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防浪涌保护器(SPD)。一般要求该级电源浪涌保护器具备每相25 kA以上的最大冲击容量,要求的限制电压应小于2 400 V,称为Ⅰ级电源防浪涌保护器。这级电源防护器是专为承受雷击的大电流和高能量浪涌能量吸收而设计的,可将大量的浪涌电流分流到大地。它仅提供限制电压(冲击电流流过SPD时,线路上出现的最大电压成为限制电压)为中等级别的保护。因为该级的保护主要是对大浪涌电流的吸收,仅靠它们是不能完全保护供电系统内部的敏感用电设备的。
(2)第二级保护。第二级保护是安装在重要或敏感用电设备供电的分路配电设备处的电源防浪涌保护器。这些SPD对于通过建筑供电入口浪涌防护器的剩余浪涌量进行更完善的吸收,对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。该处使用的电源浪涌保护器的最大冲击容量为每相45 kA以上,要求的限制电压应小于1 200 V,称为Ⅱ级电源防浪涌保护器。一般的建筑供电系统做到第二级就可以达到用电设备的要求。
(3)第三级保护。可在用电设备内部电源部分使用一个内置式的电源浪涌保护器,以达到完全消除微小瞬态过电压的目的。该处使用的电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为每相20 kA或更低一些,要求的限制电压应小于1 000 V。对于一些特别重要或敏感的电子设备,具备第三级的保护是必要的,同时也可以保护用电设备免受系统内部产生的瞬态过电压影响。
3.3信号系统的防雷保护措施
数据信号传输线路采用有线传输方式时,其线缆应采用屏蔽电缆或穿管埋地引入。在线缆与信号接收器间安装SPD。传输设备的天线应在LZP0区与LZP1交界处穿金属管屏蔽接地引入。在天线的发射设备端和接收设备端应安装SPD,进入主机房的电话线应穿金属管屏蔽接地引入,并在接线盒前端的电话组线箱内安装SPD。用同轴电缆或双绞线上网时,在同轴电缆或双绞线上安装SPD。
3.4等电位联结措施
(1)实施等电位联结的主体应为:设备所在建筑物的主要金属构件和进入建筑物的金属管道;供电线路(含外露可导电部分)、防雷装置、由电子设备构成的信息系统。
(2)实行等电位联结的连接体和无法直接连接时而做瞬态等电位联结的电涌保护器为金属连接导体。
(3)设备房外面应敷设金属屏蔽网。屏蔽网应与房内环形接地母线均匀多点相连。
(4)通过星型(S型结构或网形M型)结构把设备直流地以最短的距离连到邻近的等电位联结带上。小型设备选S型,大型设备选M型结构。(5)设备房内的电力电缆(线)、通信电缆(线)宜尽量采用屏蔽电缆。
3.5运行维护
(1)每年雷雨季节前应对接地系统进行检查和维护。主要检查连接处是否紧固,接触是否良好,接地引下线有无锈蚀,接地体附近地面有无异常。必要时应挖开地面抽查地下隐蔽部分锈蚀情况,如果发现问题应及时处理。
(2)接地网的接地电阻应每年进行一次测量。
(3)每年雷雨季节前应对运行中的SPD防雷器进行检查,发现SPD防雷模块显示窗口出现红色时及时处理。
4 结语
智能建筑的雷害是多方面的,破坏性巨大,应采取泄流、均压、接地、屏蔽、等电位联结、电涌保护等系统的防护措施来进行防护。在设计阶段,应针对智能小区内各种电气设备的安装位置、综合布线等方面做防雷措施,以大大减少雷击时对智能建筑及内部信息系统的危害。随着智能化技术的逐渐发展及智能建筑在我国的不断普及,智能建筑的防雷技术也将不断得到完善。
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