民用建筑防雷裝置設(shè)計(jì)的探討

潘 虹

(上海城市交通設(shè)計(jì)院有限公司, 上海 200025)

0 引 言

目前,現(xiàn)代建筑物的電氣電子信息系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛,防雷工程也隨之興旺起來。面對這種局面,防雷工程技術(shù)已是三維空間的防御。提高對防雷規(guī)范的理解程度,保證雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)質(zhì)量,對防止或減少雷擊建筑物所發(fā)生的人身傷亡和文物、財(cái)產(chǎn)損失,以及雷擊電磁脈沖引發(fā)的電氣和電子系統(tǒng)損壞或錯誤運(yùn)行,具有重要意義。

1 項(xiàng)目概況

上海市楊浦區(qū)某中心23-4地塊工程地下3層,地上11層,建筑高度為49.80 m,為一類高層建筑,包含車庫、商場、餐飲、電影院等功能區(qū)。該工程建筑物電子信息系統(tǒng)防雷等級為C級,以低壓電纜埋地引入進(jìn)行雷電防護(hù)設(shè)計(jì),在每臺變壓器低壓側(cè)、總配電箱和設(shè)備機(jī)房配電箱設(shè)電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD),系統(tǒng)設(shè)置2級保護(hù)。

2 建筑物外部防雷設(shè)計(jì)

根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]附錄A,計(jì)算出該工程的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于0.05次/a。根據(jù)GB 50057—2010第3.0.3條,該工程屬于第二類防雷建筑物,設(shè)防直擊雷、側(cè)擊雷和雷擊電磁脈沖保護(hù)。

2.1 接閃器

屋頂采用25 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼作為接閃器,明敷安裝于屋面上接閃帶的支架高出女兒墻0.15 m,支架間距為0.50 m,轉(zhuǎn)角處為0.25 m。采用25 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼組成不大于10 m×10 m或12 m×8 m的接閃網(wǎng)格,緊貼屋面明敷。固定在建筑物上的節(jié)日彩燈、航空障礙燈、屋面投光燈及其他用電設(shè)備線路,應(yīng)采取有效的防雷電波侵入措施;航空障礙燈設(shè)防雷接閃桿,突出屋面的金屬構(gòu)件利用金屬體結(jié)構(gòu)件接至防雷接閃網(wǎng)格。建筑物的外墻上欄桿、門窗等較大金屬物均應(yīng)與防雷接地裝置可靠連接。

2.2 引下線

利用建筑物鋼筋混凝土柱內(nèi)主鋼筋作防雷引下線(16 mm以下利用4根,16 mm以上利用2根),間距小于18 m;引下線上端與接閃器焊接,下端與鋼筋混凝土灌注樁及基礎(chǔ)底板軸線上的上下兩層鋼筋內(nèi)的2根主筋焊接。

在每根作為避雷引下線的結(jié)構(gòu)柱內(nèi)均應(yīng)留有如下預(yù)埋件。

(1) 鋼筋混凝土柱的柱頂設(shè)預(yù)埋件熱鍍鋅鋼板(100 mm×100 mm×5 mm),用于連接屋頂接閃器。

(2) 在其外側(cè)室外地坪+0.50 m處設(shè)預(yù)埋件熱鍍鋅鋼板(100 mm×100 mm×5 mm),并采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼做引出連接板,供測試用。

(3) 離室內(nèi)地坪0.2 m處設(shè)接地預(yù)埋鐵(100 mm×100 mm×5 mm),用于連接等電位端子。

(4) 在其外側(cè)室外地坪-1.00m處設(shè)預(yù)埋件熱鍍鋅鋼板(100 mm×100 mm×5 mm),每18 m設(shè)1塊,用于連接人工接地極。

因此,引下線應(yīng)將屋面接閃器、樓層等電位接地網(wǎng)、主鋼筋網(wǎng)可靠連接成電氣回路。

2.3 接地極

建筑物采用外包防水,接地極須做在防水層外。在基礎(chǔ)底板下混凝土墊層內(nèi)沿建筑物外輪廓預(yù)埋環(huán)形接地體(2根φ16 mm圓鋼)?；A(chǔ)底板內(nèi)組成不大于10 m×10 m或12 m×8 m的網(wǎng)格,利用圓鋼使基礎(chǔ)接地網(wǎng)與環(huán)形接地體相互連通作為均壓網(wǎng)。在室外地坪-1.00 m、距結(jié)構(gòu)面1 m處,利用2根φ16 mm圓鋼敷設(shè)一圈人工接地環(huán)。在室外地坪-1.00 m處設(shè)預(yù)埋件熱鍍鋅鋼板(100 mm×100 mm×5 mm),每18 m設(shè)1塊,用于連接室外人工接地環(huán)及增加接地裝置,且接地預(yù)埋鋼板應(yīng)與結(jié)構(gòu)墻及板內(nèi)主鋼筋連接,并接至作為防雷引下線結(jié)構(gòu)柱的主鋼筋。建筑物的防雷接地、電力系統(tǒng)接地、防靜電接地及各弱電系統(tǒng)接地共用此接地裝置,其工頻接地電阻在任何季節(jié)都不應(yīng)大于1 Ω。若經(jīng)測量,工頻接地電阻無法滿足規(guī)范要求,則需在環(huán)形接地體3 m外增設(shè)人工接地體。

人工接地體采用φ50 mm熱鍍鋅鋼管或50 mm×50 mm×5 mm熱鍍鋅角鋼,長為2.5 m,頂端埋深為0.8 m,距建筑出入口或人行道≥3 m。當(dāng)人工接地體距建筑出入口或人行道<3 m時(shí),為防止接觸電壓和跨步電壓,接地體埋深≥1 m或在接地體上面敷設(shè)50～80 mm的瀝青層,其寬度超出接地體2 m。接地連接線采用40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼。接地體、接地線等應(yīng)搭焊接,其搭接長度應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

2.4 防側(cè)擊雷

將距地面45 m及以上的金屬窗門框架、陽臺金屬欄桿以及面積較大的金屬裝飾物等就近與鋼筋網(wǎng)或金屬構(gòu)架連接。結(jié)構(gòu)外圈梁中的φ20 mm主鋼筋每三層連成閉合回路(屋頂層、8F、5F、3F),并與建筑內(nèi)防雷接地系統(tǒng)可靠連接。屋頂層、8F、5F、3F的外圈梁外側(cè)面每18 m預(yù)埋1塊預(yù)埋件熱鍍鋅鋼板(100 mm×100 mm×8 mm),用于連接外墻金屬構(gòu)件,且預(yù)埋鋼板與圈梁內(nèi)主鋼筋可靠焊接。

3 建筑物內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)

閃電無論是在空間的先導(dǎo)通道或回?fù)敉ǖ乐挟a(chǎn)生的瞬變電磁場,還是進(jìn)入地上建筑物的避雷系統(tǒng)所產(chǎn)生瞬變的電磁場,都會在空間一定范圍內(nèi)發(fā)射電磁作用,在三維空間范圍內(nèi)對電子設(shè)備發(fā)生作用。這種空間雷電電磁脈沖會危及建筑物內(nèi)各種設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行。

防雷擊電磁脈沖的保護(hù)系統(tǒng)是對建筑物內(nèi)系統(tǒng)(電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng))防雷電流引發(fā)的電磁效應(yīng),包含防經(jīng)導(dǎo)體傳導(dǎo)的閃電電涌和防輻射脈沖電磁場效應(yīng)。

建筑物內(nèi)部防雷系統(tǒng)是防止雷電和其他形式的過電壓侵入設(shè)備中而造成毀壞,理解為防雷擊電磁脈沖的保護(hù)系統(tǒng)。

3.1 預(yù)防雷電感應(yīng)

將建筑物內(nèi)的設(shè)備、管道等主要金屬物就近接至防直擊雷接地裝置上;建筑物內(nèi)防閃電感應(yīng)的接地干線與接地裝置的連接,不應(yīng)少于2處。平行敷設(shè)的管道、構(gòu)架和電纜金屬外皮等金屬物,其近距<100 mm時(shí),應(yīng)采用金屬線跨接,跨接點(diǎn)的間距不應(yīng)大于30 m;交叉近距<100 mm時(shí),其交叉處也應(yīng)跨接。

3.2 預(yù)防雷電波侵入

所有進(jìn)出建筑物的電纜金屬外皮、保護(hù)鋼管或金屬線槽及其他專業(yè)的金屬管道在入戶處與防雷的接地裝置相連。

3.3 SPD的選擇

在復(fù)雜的電氣和電子系統(tǒng)中,除在戶外線路進(jìn)入建筑物處,LPZ0A或LPZ0B進(jìn)入LPZl區(qū),按GB 50057—2010第4章要求安裝SPD外,在其后的配電和信號線路上應(yīng)按GB 50057—2010第6章要求,確定是否選擇和安裝與其協(xié)調(diào)配合好的SPD。

結(jié)合該工程二類防雷建筑物,說明安裝和選擇電涌保護(hù)器的要求。具體安裝位置包括低壓總配電進(jìn)線處、樓層配電、電梯、弱電機(jī)房、屋面(室外)用電設(shè)備、重要動力設(shè)備、消防設(shè)備等配電進(jìn)線處[2]。

入戶線SPD的裝設(shè)要求:在該建筑物內(nèi)靠近南側(cè)外墻,設(shè)置有2臺Dynll型接線的配電變壓器,在變壓器高壓側(cè)裝設(shè)避雷器。電氣接地裝置與防雷接地裝置共用,應(yīng)在配電變壓器低壓母線上裝設(shè)Ⅰ級分類試驗(yàn)(10/350 μs波)的SPD,SPD每種保護(hù)模式的沖擊電流≥12.5 kA,SPD的電壓保護(hù)水平值≤2.5 kV。

固定在建筑物上的節(jié)日彩燈、航空障礙信號燈及其他用電設(shè)備和線路處于LP0B區(qū)和LP1區(qū)交界處,因該建筑物屬于二類防雷建筑物,采取相應(yīng)的防止閃電電涌侵入的措施,配電箱內(nèi)應(yīng)在開關(guān)的電源側(cè)裝設(shè)Ⅱ級試驗(yàn)的SPD,其電壓保護(hù)水平≤2.5 kV。故屋頂消防動力配電箱、消防電梯配電箱、客梯配電箱應(yīng)安裝Ⅱ級分類試驗(yàn)(8/20 μs波)的SPD,但由于上述配電箱含有電子線路的設(shè)備,如計(jì)算機(jī)、有電子程序控制的設(shè)備,所以其電壓保護(hù)水平選擇≤1.5 kV。根據(jù)規(guī)范GB 50057—2010第4.5.4條3款條文說明,建議二類防雷建筑物標(biāo)稱放電電流≥20 kA。

樓層配電箱應(yīng)安裝Ⅱ級分類試驗(yàn)(8/20 μs波)的SPD。根據(jù)其內(nèi)部配電回路確定SPD,如樓層箱有引至弱電井插座或電子信息系統(tǒng)的回路,則樓層箱SPD的電壓保護(hù)水平≤1.5 kV,如果僅含有照明和普通動力回路,則樓層箱SPD按照級差原則選擇。根據(jù)GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[3]表5.4.3-3,該工程雷電防護(hù)等級為C級,標(biāo)稱放電電流≥20 kA。

SPD參數(shù)如表1所示。

SPD安裝位置示意圖如圖1所示。

表1 SPD參數(shù)

4 信息系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

消防監(jiān)控中心應(yīng)有直通室外的出入口,雷電防護(hù)區(qū)屬于LPZ1區(qū)。在LPZ1區(qū)與LPZ0A區(qū)(或LPZ0B區(qū))的界面應(yīng)將所有通過界面的金屬物體做等電位聯(lián)結(jié),并設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)端子箱。

消防監(jiān)控中心機(jī)房內(nèi)的電子設(shè)備及信息線路不宜靠建筑物外墻設(shè)置,而且與防雷引下線的距離應(yīng)在1 m以上。

進(jìn)入消防監(jiān)控中心機(jī)房的屏蔽電纜其屏蔽層應(yīng)至少在兩端與等電位接地裝置連接。當(dāng)系統(tǒng)要求只在一端做等電位聯(lián)結(jié)時(shí)應(yīng)采用兩層屏蔽,其外層屏蔽按上述要求處理。消防監(jiān)控中心機(jī)房內(nèi)設(shè)S型等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備的金屬外殼、金屬管槽、電纜屏蔽層、防靜電接地、安全保護(hù)接地及SPD接地等均應(yīng)以最短距離與等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)的接地端子板(ERP)連接。所有信息系統(tǒng)的電纜屏蔽層均須經(jīng)過ERP進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)。

輸出電路采用DA轉(zhuǎn)換電路TLV5616轉(zhuǎn)換器件，TLV5616是12位的DA轉(zhuǎn)換器件，SPI總線接口，本設(shè)計(jì)的電路工作電壓為5V，參考電壓采用高精度穩(wěn)壓器件REF02輸出5V參考電壓，經(jīng)過電阻分壓，調(diào)整為2.5V參考電壓作為TLV5616的參考電壓，當(dāng)TLV5616輸入最大值，輸出電壓可以為參考電壓的2倍達(dá)到5V。通過OP-07放大電路進(jìn)行放大，將電壓信號轉(zhuǎn)換為0-12V的輸出信號。通過將PID運(yùn)算得到的輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量寫入到TLV5616中，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的控制。由于單片機(jī)電路工作電壓為3.3V，因此通過隔離電路寫TLV5616操作。

圖1 SPD安裝位置示意圖

S型等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)只允許單點(diǎn)接地,并采用≥35 mm2絕緣銅芯導(dǎo)線與機(jī)房內(nèi)等電位接地端子板連接。消防監(jiān)控中心的直流工作接地線應(yīng)單獨(dú)絕緣敷設(shè)(如塑料管),并采用銅芯屏蔽電纜。主干銅芯電纜截面≥95 mm2,支干銅芯電纜截面≥35 mm2。直流工作接地的接地電阻≤1 Ω。當(dāng)采用共用接地方式時(shí),直流工作接地線應(yīng)全程絕緣敷設(shè)至室外的接地孔,并采用銅鋼過渡接頭與共用接地裝置連接。當(dāng)采用分散接地方式時(shí),直流工作接地裝置與共用接地裝置的間距≥20 m。

建筑物各處設(shè)置的區(qū)域警報(bào)控制器的金屬支架(殼)、金屬線槽(或金屬管)、消防接線箱的金屬外殼及其他消防監(jiān)控設(shè)施的金屬外殼等應(yīng)就近接至等電位接地端子板。消防聯(lián)動控制系統(tǒng)所控制的動力、暖通空調(diào)及給排水等設(shè)備的金屬支架(殼)、金屬線槽(或金屬管)均應(yīng)就近與等電位接地端子板連接。

火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)的報(bào)警主機(jī)、聯(lián)動控制盤、火災(zāi)廣播、消防對講通訊等系統(tǒng)的信號傳輸線路宜在進(jìn)出建筑物雷電防護(hù)區(qū)交界處裝設(shè)適配的信號SPD。

消防監(jiān)控中心與本地區(qū)指揮中心之間聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)出端、對外119報(bào)警電信線路的端口等,均應(yīng)裝設(shè)適配的信號SPD。

當(dāng)信息系統(tǒng)內(nèi)安裝的SPD無法在設(shè)計(jì)圖紙上表達(dá)時(shí),應(yīng)說明由承包商(或供應(yīng)商)負(fù)責(zé)實(shí)施,并將其信號SPD的接地線以最近的線路接至工程內(nèi)的等電位接地端子板。

5 結(jié) 語

由于每棟建筑物的防雷裝置和配電線路差別很大,建筑電氣設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范和實(shí)際工程要求,選擇最合適的防雷保護(hù)設(shè)計(jì)方案,以提高防雷保護(hù)水平。

[1]建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50057—2010[S].

[2]林維勇.低壓配電系統(tǒng)中如何選擇SPD[J].智能建筑電氣技術(shù),2013,7(1):66-70.

[3]建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范:GB50343—2012[S].