揚(yáng)州市某收費(fèi)站防雷工程設(shè)計(jì)

柏楊 孫磊 陳建華 陶磊 錢丹

摘要：根據(jù)該收費(fèi)站所在位置的地理、地質(zhì)、土壤、氣象等自然條件以及相關(guān)領(lǐng)域的防雷規(guī)范，對(duì)其進(jìn)行了雷電防護(hù)的方案設(shè)計(jì)并在文中描述了該收費(fèi)站辦公樓的直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：收費(fèi)站;防雷規(guī)范;雷電防護(hù)

雷電災(zāi)害已被國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）稱為“電子化時(shí)代的一大公害”。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通事業(yè)不斷發(fā)展，汽車越來越多，高速公路也越建越多[1]。高速公路機(jī)電系統(tǒng)每年由于雷擊造成事故時(shí)有發(fā)生，直接威脅到周圍人群的安全和公路的正常運(yùn)行。此外，由于高速公路網(wǎng)的收費(fèi)站和管理機(jī)構(gòu)大多建在郊區(qū)相對(duì)開闊的地方，電子計(jì)算機(jī)和電子系統(tǒng)設(shè)備容易受到雷電和雷電電磁脈沖干擾的破壞，使其喪失功能[2]。

以往在公路建設(shè)和施工中，沒有考慮到防雷問題。同時(shí)，由于環(huán)境因素的影響，對(duì)土壤的要求也不統(tǒng)一。弱電系統(tǒng)接地較為簡(jiǎn)單，機(jī)電設(shè)備雷擊損壞事故時(shí)有發(fā)生，不同的雷電形式對(duì)公路造成了不同程度的破壞，如果是雷電，一些設(shè)備會(huì)被雷電破壞，系統(tǒng)會(huì)失去一些功能;嚴(yán)重的是整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，經(jīng)濟(jì)損失慘重，給公路的運(yùn)營(yíng)安全和運(yùn)營(yíng)帶來很大的隱患。機(jī)電設(shè)備的廣泛使用和電子設(shè)備集成度的不斷提高，可能會(huì)進(jìn)一步加大高速公路機(jī)電設(shè)備的損壞程度。馮民學(xué)等對(duì)高速公路的防雷現(xiàn)狀作了分析，提出了防雷設(shè)計(jì)普遍存在各自為政，防雷措施普遍不完善（屏蔽措施不完善、電涌保護(hù)器裝配不合理、接地系統(tǒng)設(shè)置不正確等），也缺少系統(tǒng)性等問題，同時(shí)他還對(duì)高速公路防雷設(shè)計(jì)要點(diǎn)做了介紹和總結(jié)[35]。林勇衛(wèi)等則是針對(duì)高速公路收費(fèi)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電系統(tǒng)防雷做了比較詳細(xì)的研究，從雷電的危害途徑到細(xì)部的防雷設(shè)計(jì)[6]。

1現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況

1.1氣候特點(diǎn)及雷電活動(dòng)情況

揚(yáng)州市地處東經(jīng)119°27′03″～119°54′23″，北緯32°17′51″～32°48′00″。地形地貌為江淮沖積平原、地勢(shì)平坦、中部較高、南北兩側(cè)較低。土壤電阻率較低，為27.6Ω·m。揚(yáng)州市屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，是冷暖空氣經(jīng)常交匯的地段，易發(fā)生極端天氣，產(chǎn)生強(qiáng)雷。

雷電活動(dòng)區(qū)根據(jù)年平均雷暴日的多少，分為少雷區(qū)、中雷區(qū)、多雷區(qū)和強(qiáng)雷區(qū)：雷暴少的地區(qū)是指年平均雷暴日數(shù)小于25天的地區(qū)，雷暴中等的地區(qū)是指年平均雷暴日數(shù)在25～40天的地區(qū)，雷暴多的地區(qū)是指年平均雷暴日數(shù)在40～90天的地區(qū)，強(qiáng)雷暴區(qū)是指年平均雷暴日數(shù)大于90天的地區(qū)。根據(jù)氣象資料表明，揚(yáng)州地區(qū)年雷暴日Td=38.6天，揚(yáng)州地區(qū)年平均雷暴日比較高，是多雷區(qū)。

1.2建筑概況

啟揚(yáng)高速公路瘦西湖的收費(fèi)站，位于揚(yáng)州市邗江區(qū)，S28啟揚(yáng)高速公路瘦西湖出口附近。本文主要對(duì)其辦公樓進(jìn)行外部防雷設(shè)計(jì)。

圖1辦公樓示意圖

辦公樓一共四層，高16米，總占地面積是450平方米。該樓第一層是職工食堂、大廳、儲(chǔ)物間;二樓是辦公室和會(huì)議室;三樓是監(jiān)控機(jī)房即中心機(jī)房和辦公室;四樓是資料室和休息室;衛(wèi)星接收天線安裝在辦公樓天面。樓內(nèi)各樓層配有基本的衛(wèi)生設(shè)施;一樓接配電房的是總配電柜，各樓層有分配電柜。辦公樓示意圖見圖1所示，

2防雷類別計(jì)算

建筑物的防雷分類。此處主要是對(duì)辦公樓做了年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的計(jì)算，參考《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057—2010，結(jié)合當(dāng)?shù)氐睦妆┣闆r，根據(jù)建筑物的用途、重要性以及受雷擊后的影響，對(duì)建筑物進(jìn)行防雷分類[7]。

建筑物預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)計(jì)算公式（式1）：

N=k·Ng·Ae（1）

式1中：N—建筑物預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)（次/a）;

k—校正系數(shù)，在一般情況下為1;位于曠野為2;金屬屋面的磚木結(jié)構(gòu)取1.7;位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風(fēng)口處的建筑物，以及特別潮濕的地方取1.5。此高速收費(fèi)站位于曠野處，因此K取2。

N—建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度[次/（km2·a）]。

Ae—與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）。

Ng=0.1Td，Td根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)資料為38.6（d/a）。

當(dāng)建筑物高度H小于100m時(shí)，按式2計(jì)算：

Ae=[LW+2（L+W）H（200-H）+πH（200-H）]·10-6（2）

計(jì)算結(jié)果為：N=0.095（次/a）。

依據(jù)GB500572010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第2.0.3條規(guī)定，預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于0.05次/a的部省級(jí)辦公建筑物以及其他人員密集或重要的公共建筑物劃分為第二類防雷建筑物?？紤]到該建筑物內(nèi)部敏感的電子設(shè)備比較多，比如監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、程控交換機(jī)、無線通信、有線通信等，這些一旦受影響首先按該收費(fèi)站癱瘓，其次影響到周邊道路、建筑更嚴(yán)重的情況是整個(gè)道路阻塞。因此考慮諸多因素將該建筑物定為第二類防雷建筑物[8]。

3建筑物雷電防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

3.1直擊雷防護(hù)措施

建筑物的直擊雷防護(hù)措施分為接閃、引下、接地等部分。利用金屬接閃器將雷電電流沿地面安全地引至地面，防止雷電直接擊中建筑物和設(shè)備是最直接、最有效的防護(hù)措施，瞬變電磁波的數(shù)目直接影響著導(dǎo)流的效果。如果落水管較多，通過每根引下線的電流較小，其感應(yīng)范圍和強(qiáng)度也較小，當(dāng)雷電擊中防雷開關(guān)時(shí)，高頻電流流過接閃器，導(dǎo)致接閃器和下行葉片電位較高。如果被保護(hù)物體與接閃器之間的距離小于過載反擊距離，則成為接閃桿過載合同，因此，防雷規(guī)范規(guī)定了接閃開關(guān)、引下線與空中被保護(hù)物體之間的距離（至少3米），其沿身體接觸的最高點(diǎn)與地面之間可能存在一個(gè)差值，稱為接觸電位差，稱為接觸電壓，當(dāng)閃光電流在地面上擴(kuò)散時(shí)，沿地面上每個(gè)點(diǎn)的半徑形成不同的電位。當(dāng)人們?cè)诟浇邕^兩只腳時(shí)，兩只腳之間會(huì)形成一個(gè)臺(tái)階張力，為了避免接觸電壓和步進(jìn)電壓對(duì)人身安全的損害，引線和接地裝置應(yīng)離開人的工作空間或采取措施平衡地網(wǎng)的張力。