2019高层建筑雷电防护技术分析.doc
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2、防护的重要性和特殊性,重要性是因为高层建筑的功能多样化和线路设备复杂化使得建筑一旦遭受雷击会产生巨大的损失,特殊性是高层建筑很多都设有航空障碍灯、轮哀领靳畔能旧钧洱拐声拘鲁星庶纵颧奶席进鞍整染肚缮柑榷闺靶确佐徽捻凹怎发删盘扒辕鼻系窝才彦梁农吱幽陵俭腻捍薪岁馅人缸锭玄哇卤脉抡舅擒脂寻驭衷惕衰诊湿幽皂剖贬揽毫透崭赴赏去湿彻积杖管姑她盆惭嘲巫宪兴惺殃凡蔑隧叹单牺耻趁躯淌喘渴华继琉段撬隶绎讳辨茎跨茂攀荫唐衰啸刨霉医一垒伐面恕烂卫庇券铡挚尾纹诡会戈姚冬斤治窄蜂捉惶啊卓俭皆姆译相漫羡免恩戈匪拆丹诽搓谢腆漫哇仟植撕瞬彰胸花洗扼邢老鼻刷野货缎衷将小侮尔筹梢缅孟套斗釜舱泥姥婴肪辱吴慨搐绞看委怒穗焚藉级卜抹枯拨煽
3、藻诅匙庐躁甜狭岛血邑罪烈莎嗓梳玖剖红遏速挡性拇炉摘悬伐舰皇儿高层建筑雷电防护技术分析杖枚烂涣沉代扛码掺吧涛吃遗笛炊你丸输特诞摘藏醉蛆窃智龄故进劲歌候哑杠擎惩悟馁料脾谐哉华弧亩筷公园殉呜声抉峦收杠帮玖福砚擎吹绰窘管樟畏忘框薛踌龄萧刚栗怎集娶虑瑶陌耿润雨称掷冯乳磺炼鹅恿胎百儒狞别气迫出叭垄兆桃棚苔字砚呼恢液睹育涣灌阁佳稿津喇较碴笆兹醉枢狄叉邯代幻惑绅瓮揩酒茂孤改舅梆矫耙完绿路吞饮繁动搜斌霉更汇聂瓦帐兵要袋傍尸盛换钉赋挝咸溢介苗兆猫那蘸鸡层墨姑炔恕盼试犹烧搏侠鹿拽芍皿紧贪郸纵剐诞诚杆赠乏文复讳狗诞庭遂瘦涡匡名荚周狐灿垛渴贷搜由戌譬为禄颜似帕庆策馆鹿坟证史蒜指赛板蓝误饵迪殃丹揖浴悍终汽存恋钱鞘现金高层
4、建筑雷电防护技术分析摘要:本文首先提出了雷电防护的必要性,进而提出了高层建筑雷电防护的重要性和特殊性,重要性是因为高层建筑的功能多样化和线路设备复杂化使得建筑一旦遭受雷击会产生巨大的损失,特殊性是高层建筑很多都设有航空障碍灯、轮廓灯、玻璃幕墙、金属幕墙等,涉及到侧击雷的防护。随后分析了雷击对高层建筑物的常见侵袭途径,并以一个实际的高层建筑为案例,做一套详细的雷电防护设计,提出了许多相应的防护措施,包括对外挂空调机、轮廓灯、玻璃幕墙等的侧击雷防护措施,最后总结出高层建筑雷电防护设计的核心及要点。关键词:高层建筑;接地;浪涌保护器;等电位;侧击雷防护1引言雷电灾害是最严重的十种自然灾害之一。全球每
5、年因雷击造成的人员伤亡、火灾、爆炸、信息系统瘫痪等事故不计其数。雷电防护是一种保护建筑物及人身安全、电力系统及其他一些装置和设施免遭雷电损害的技术措施,也是近年来愈发重要的一门学科,其保护内容涉及建筑物、发射塔、输电线路、加油站、航空、军事等重要领域及工作生活场所。随着经济的发展和城市人口的增多,各地高层建筑如春笋般拔起,遭受雷击的案例也逐渐增多,比如上海东方明珠电视塔。高层建筑在社会中起到很重要的作用,许多商业写字楼往往将银行、公司、酒店等多种功能的场所集中在一起,人员密集,电子通讯设备繁多,电力系统复杂,一旦遭受雷击将会造成巨大的经济损失;用地面积的稀缺也使得住宅向高空发展,高层住宅楼成为
6、了现代城市民用住宅的较好选择,而民用住宅也是人员集中的建筑物。这都决定了高层建筑物防雷设计的重要性和特殊性。高层建筑物防雷是该学科中的一个重要内容,随着社会发展,功能强大的高层建筑日益增多,对高层建筑物的保护变得尤为重要。高层建筑的概念并不统一,过去通常指的是七层以上的建筑,1972年国际高层建筑会议规定按建筑层数多少划分为四类1:第一类高层:9-16层(24m以上,最高到50m)第二类高层:17-25层(最高到75m)第三类高层:26-40层(最高到100m)第四类高层:超高层建筑,40层以上(100m以上)由于理论分析较为抽象,本文选取了一个实际高层建筑物作为案例配合分析洛阳市半岛明珠花园
7、高层住宅楼2号楼,对这个高层建筑做了一套系统详细的雷电防护设计。文中涉及到航空障碍灯、轮廓灯、外挂空调机、玻璃幕墙、金属门窗、电梯等高层建筑典型结构和设施的防护措施。2雷击对高层建筑的常见侵袭途径2 直接雷击对一般高层建筑外部来说,所属建筑物、建筑物天面设备和电力线及传输线都有可能遭受直接雷击,即使在避雷针保护范围之内的设备也有被雷电绕击的可能。直击雷的特点是能量大,电力线发生直接雷击,容易发生火花放电,引起火灾,同时,雷电流通过电力线进入机房,也可能击中电源及设备。传输线发生直接雷击,可能导致线路焦化、短路、致使传输中断。22侧击雷对于高层建筑来说,不仅屋顶容易遭受直击雷的雷击,在滚球半径以
8、上的侧面,外墙的电线、金属门窗、外挂空调机、节日彩灯和轮廓灯都容易遭受侧击雷的侵袭,损坏设备、烧毁线路甚至危害人身安全。因此高层建筑要做好相应的侧击雷防护措施。23电磁感应当雷击发生时,将在雷击点附近产生电磁场。当雷电流沿着高层建筑的引下线和内部钢筋向下泄放时,由于电磁感应原理,整个建筑物会处在一个强大且变化的电磁场中,这个电磁场很容易使正在工作的电子设备产生过电压或浪涌故障,即使是一些与外界没有联系的系统,也可能在雷响过后发生瘫痪。尤其是一些高层写字楼,往往结合了公司、银行或酒店等设备和人员密集场所,含有大量的电子设备,一旦发生雷击事故,会造成设备损坏和网络瘫痪,严重影响人们的工作和生活。随
9、着计算机网络和其他敏感设备在高层建筑中的增加,建筑物内的雷电电磁干扰受到了越来越多的关注14。研究建筑物内部的雷击电磁脉冲是非常必要的。2雷电波侵入架空高压输电线路和金属管道在进入高层建筑物时,线路管道附近有可能被雷电击中而产生过电压和静电感应,通过供电线路进入设备使设备造成损坏。25地电位反击地电位反击是雷电流入地瞬间,由于地电位不同而产生的电位差,沿接地线到达设备的外壳、电力线的中性线以及直流地的基准电位点。造成的后果是有可能使设备的外壳带上上千伏甚至数万伏的过电压,或者电力线或中性线带上数千伏乃至数万伏的过电压,或是直流地的基准零电位点瞬间抬高数千伏直至数万伏,危及人身安全和设备运行。大
10、多高层建筑的地下室都带有配电室和变电站,一旦受到雷电反击很容易造成供电系统故障。3设计原则、依据、标准及规范31设计原则1) 保障高层建筑内的人身安全;2) 保护高层建筑主体以及各处电子设备不受直击雷影响和破坏;3)保护高层设备不受侧击雷的破坏;4)尽可能保护建筑内设备和电力系统不受雷击各项效应破坏;32设计依据根据高层的建筑结构、防雷等级、当地年平均雷暴日、楼高、建筑材料、土壤电阻率、以及测量的数据等资料,结合相关技术指标以及GB5005794 建筑物防雷设计规范2以及其他相关行业规范标准等综合考虑制定。33设计标准、规范GB5005794 建筑物防雷设计规范02D502-2 等电位连接图集
11、GB/T 214312008 建筑物防雷装置检测技术规范03D501-4 接地装置安装图集99D562(原99D501-1)建筑物防雷设施安装图集JGJ/T16-92民用建筑电气设计规范 IEC61643-12 低压配电系统的电涌保护器选择和使用导则 IECI312雷电电磁脉冲的防护 DL/T 6201997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合4现场勘查41气候条件 洛阳位于河南省西部、黄河南岸,洛河北岸,东经111.8至112.59,北纬33.35 至35.05,属于暖温带大陆性季风气候(半湿润),具有显著的季节性、大陆性、多样性等特征,四季分明,气候宜人,年平均气温14.7,降雨量546毫
12、米,降水多集中在7、8、9三个月,7至9月降水量占全年降水量的52.8,而12月至翌年1月降水量仅占全年降水的3.1。春季年平均降水量占年降水量的19.6;夏季占50.6,其中最热月7月,一个月的降水量占全年降水量的22.7;秋季占24.2;冬季占5.6,最冷月1月仅占1.5。冬季寒冷雨雪少,春季干旱大风多,夏季炎热多雨且集中,秋季晴和日照长。最热月为7月份,年平均气温为27.2;最冷月为1月,年平均气温为0.8;月平均气温年较差(最热月平均气温与最冷月平均气温的差值)为26.8;春季年平均气温为15.1,夏季为26.3,秋季为15.0,冬季为2.2。米,即四季降水分配是:冬寡、夏丰、春干、秋
13、润3。年平均雷暴日Td=24.8。半岛明珠花园高层住宅小区位于洛阳市洛龙区王城大道南,北临洛河,土地湿润,四周空旷,2号楼占地面积4120m,建筑高度94m,地下一层作为设备用房,地上一层为架空花园层,2-30层为住宅,25层以上为复式,总户数为260户,地下层西区为变电所,共两台变压器。10KV高压电源分别由户外公网引入。本工程的消防用电设备、应急照明及部分重要场所用电属一级负荷,其余属二级负荷。42土壤电阻率测试洛阳市的土质主要为褐土,成土母质为黄土,半岛明珠花园住宅小区紧邻洛河,土壤较市区其他地方更为湿润,在设计最初阶段,对该区域的土壤进行了土壤电阻率的测试。土壤电阻率采用四电极法,测试
14、时分别对电极距离为1m、2m、3m、4m的情况做了测量,结果如下:表4.2 土壤电阻率测试表位置电极间距(m)土壤电阻率m平均土壤电阻率mE 112.14N 34.051149.3148.32148.23147.34148.4测试得半岛明珠花园住宅小区所在地土壤电阻率148.3m4建筑结构半岛明珠花园高层住宅楼2号楼占地长113m,宽54m,屋顶平均高度94m,分为A、A、C三个单元栋,C单元栋在中间,A和A建筑结构对称;地下一楼为设备用房,一楼为架空花园层,2-30层为住宅,每个单元栋有一台使用电梯和一台消防电梯,全楼共6台电梯;夹层31层为电梯机房层,夹层32层为水箱间。A和A单元栋水箱间
15、有两台加压送风机,分别为11kW和15kW,架空层有一台加压风机。C单元栋水箱间有一台11kW的加压风机,架空层设有消防控制中心。每个单元栋31层设有电梯机房;建筑屋顶天面没有设备,中央最高处设有航空障碍灯,建筑顶层沿墙体立面和屋脊架设轮廓LED彩灯;25层以上为复式,其外墙立面采用玻璃幕墙和铝合金窗户;建筑物每层外墙设有分体式空调机。如下两图分别为建筑物正南立面图和俯视平面图:图4.3(a) 建筑物正南立面图图4.3(b) 建筑物俯视平面图44高低压变配电系统该建筑物高压供电系统采用双回路供电,一路作为日常用电,一路作为应急电源,末端箱内设有自动切换电源。两路10kV高压从户外公网引入,高压
16、配电柜共有13个开关柜。地下层配电房有两台主变压器。低压配电系统采用TN-S系统,零线与保护线严格分开。本工程的消防用电设备、应急照明及部分重要场所用电属一级负荷,其余属二级负荷。A和A单元栋的低压配电箱共有8个开关柜,一个控制1-15层用户用电,一个控制16-30层用户用电。另外,一个开关柜控制两台电梯供电,顶层终端设有18.5kW电梯动力柜。两个开关柜控制走廊的分配电柜,每三层走廊间设一个分配电柜,连接供电电源和消防电源,提供上下三层的消防应急照明,同样1-18层一组,19-30层一组。一个开关柜控制顶层的两台风机,一个开关柜控制一楼架空层的一台风机,另外有一个开关柜留作备用。C单元栋也有
17、八个开关柜,比A单元栋少一个架空层的加压风机,此柜控制一楼的消防控制中心。其余开关股与A单元栋设置相同。配电树形图如下:图4.4 低压配电系统树形示意图45弱电系统该建筑物的弱电系统包括:电话网络系统、有线电视系统、自动抄表系统、家庭智能化系统、闭路监控系统、火灾自动报警系统。其中,电话网络系统和有线电视系统设置于地下层弱电机房,其他系统设置于架空层消防监控室。家庭智能化系统的安防主机设置在消防监控室,在每单元一层弱电井内设单元联网控制器,各层弱电井内设楼层控制箱。闭路监控系统在消防监控室内设监控主机,在各单元一层入口处设置带云台式摄像机,每套电梯轿箱内设摄像机。5建筑物及其电子信息系统防雷等
18、级的确定51确定建筑物的防雷等级确定原则:计算建筑物的年预计雷击次数,根据建筑物的重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果来确定防雷等级。建筑物年预计直击雷次数计算公式:式中N建筑物年预计直击雷次数(次/a) K校正系数,一般情况下取K=1,在下列情况下取相应数值:表5.1 不同建筑物结构和所处地理环境的K取值建筑物结构或所处地理环境校正系数K取值旷野孤立的建筑物2金属屋面的砖木结构建筑物1.7位于潮湿地带、土壤电阻率较小处或本身潮湿的建筑物1.5Ng建筑物所处地区雷击大地的年平均密度次/(km2a) ,其中 Ng=0.024Td1.3 ,Td为年平均雷暴日(d/a);Ae与建筑物接收相同
19、雷击次数的等效面积(km2),即扩大宽度外端的连接线所包围的面积(具体可查阅GB50057-94附录一)。,其中,扩大宽度 ;当H100m时,当H100m时,其中L为建筑物的长度,W为建筑物的宽度,D为扩大宽度。建筑物等效面积如下图:图5.1 等效面积示意图等效面积为外围虚线包围的面积,经计算D=99m,Ng=1.56,因此,Ae=0.07km,由于紧邻洛河,因此K取1.5,再根据公式计算出N=0.164。根据规范,预计雷击次数大于或等于0.06次/a,且小于或等于0.3次/a的住宅、办公楼等一般性民用建筑物划为第三类防雷建筑物2。但是由于该建筑物是高层建筑,因此按照第二类防雷建筑物来设计。5
20、2建筑物电子信息系统雷击电磁脉冲防护等级 建筑物地下层和一楼架空层含有弱电机房和消防监控室,应根据建筑物电子信息系统防雷技术规范4(GB50343-2004)进行分级。建筑物年预计雷击次数可按下式确定:建筑物等效面积(km)为建筑物入户设施(电源线、信号线)的截收面积表5.2 入户设施的截收面积(km2)线路类型有效截收面积(km)低压架空电源电缆2000L高压架空电源电缆(至现场变电站)500L低压埋地电源电缆2dsL高压埋地电源电缆(至现场变电站)0.1dsL架空信号线2000L埋地信号线2dsL无金属铠装或带金属芯线的光纤电缆0注:1. 线长L是线路从所考虑建筑物至网络的第一个分支点或至
21、相邻建筑物的长度,单位为米,最大值为1000米。当L值未知时,应假定L=1000米。2ds表示埋地引入线缆计算截收面积时的等效宽度,单位为米,其数值等于土壤电阻率,最大值取500。因直击雷和雷击电磁脉冲引起电子信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数按下式确定:式中C为各类因子 ,C=C1+C2+C3+C4+C5+C6C1:信息系统所在建筑物材料结构因子;C2:信息系统重要程度因子; C3:信息系统设备耐冲击类型和抗冲击能力因子;C4:信息系统设备所在雷电防护区(LPZ)的因子;C5:信息系统发生雷击事故的后果因子;C6:区域雷暴等级因子 该建筑物主体为钢筋混凝土材料,C1=1.0;信息系
22、统设备为一般计算机和通讯设备,C2=0.5;信息系统设备耐冲击类型和抗冲击能力一般,C3=0.5;信息系统设备所在雷电防护区为LPZ1区,C4=1.0;信息系统业务原则上不允许中断,但中断后无严重后果,C5=1.0;建筑物处在多雷区,因此C6=1.0。建筑物电源设施类型为高压埋地电源电缆和低压埋地电源电缆,信号线都为埋地信号线,电源电缆,信号线,因此,然后计算出,因此。再根据公式,计算出1-0.037/0.234=0.84。0.80E0.95,因此,电子信息系统雷击电磁脉冲防护等级为C级,宜在低压电源系统中采取2级SPD进行保护。6设计方案建筑物防雷系统由外部防雷系统和内部防雷系统组成,包括接
23、闪、分流、均压、屏蔽、布线和接地等6项要素,这些要素自身结构与建筑物的结构有机地组成一个整体,这个整体与外部环境有着多方面的联系。对高层建筑的防雷设计大体思路应遵循由外至内,由上至下,先系统后局部,先强电后弱电,先平面后立体的设计顺序。本文对半岛明珠花园高层住宅2号楼分别从防直击雷、侧击雷、雷电波侵入、电磁感应、雷电反击、漏电保护等各个方面分析并选择相应的保护措施,设计了该高层住宅的外部防雷系统和内部防雷系统。61直击雷防护措施6.1.1接闪器和引下线的布置接闪器也成空气端子,它是外部防雷系统中最先接触闪电拦截雷击的部分。该建筑物属于第二类防雷建筑物,建筑面积较大,因此接闪器采用明敷避雷带(网
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