建筑综合防雷设计.doc
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1、四川信息职业技术学院 毕业设计说明书(论文) 设计(论文)题目: 建筑综合防雷设计 专 业: 建筑电气工程技术 班 级: 学 号: 姓 名: 指导教师: 二二一二年十二月十日一二年十二月十日 四川信息职业技术学院毕业设计任务书 学 生 姓 名 学 号 班 级 专业 设计(或论文)题目建筑综合防雷设计 指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注 设计(论文)内容: (1)建筑防雷分类; (2)建筑防雷等级计算; (3)综合防雷系统设计; (4)外部防雷系统设计; (5)内部防雷系统设计。 进度安排: 第 49 周:查找资料选择参考方案; 第 10、11 周:确定方案撰写论文; 第 12
2、、13 周:修改论文、确定初稿; 第 14、15 周:检查定稿; 第 16、17 周:答辩。 主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位): 1王时煦.建筑物防雷设计 中国建筑工业出版社 2林维勇.建筑防雷系统 雷电水利电力出版社 3朱林根.建筑电气设计手册下册 中国建筑出版社 4金 磊.雷电电磁脉冲的防护 中国建筑出版社 5朱吕通.建筑防雷系统安全手册 中国计划出版社 6郑 强.智能建筑设计与施工系列图集消防系统 中国建筑出版社 7查仁柏.半导体消雷器的设计 中国建筑工业出版社 审 批 意 见 教研室负责人: 年 月 日 目 录 摘 要 .5 第 1 章 绪论 .6 1.1 建筑
3、物防雷的发展历史 6 1.2 建筑防雷设计的概述 6 第 2 章 建筑物防雷分类及防雷等级计算 .7 2.1 第一类防雷建筑物 7 2.2 第二类防雷建筑物 7 2.3 第三类防雷建筑物 7 2.4 建筑物的预计年雷击次数计算 8 第 3 章 雷击的分类及危害 10 3.1 直击雷 10 3.2 雷电波侵入 10 3.3 感应过电压 10 3.4 地电位反击 10 第 4 章 综合防雷系统设计 12 4.1 综合防雷设计的六大要素 .12 4.1.1 接闪 12 4.1.2 分流 12 4.1.3 均压 12 4.1.4 屏蔽 13 4.1.5 接地 13 4.1.6 合理布线 14 4.2
4、综合防雷设计分类 14 4.3 外部防雷系统及其设计 14 4.3.1 接闪器 15 4.3.2 引下线17 4.3.3 接地体18 4.4 内部防雷系统及其设计 .18 4.4.1 防雷器 SPD 设计安装19 4.4.2 等电位连接 20 结 论 .22 参考文献 .23 附 录 .24 附录一:建筑综合防雷系统图 .24 第 0 页 摘摘 要要 在人类生存的环境中有许多自然灾害,如地震、暴雨、冰雹、水灾、旱灾、火灾、雷击 等等。对此,人们总是想方设法进行防御,或减轻它们所造成的损失。雷击就是严重的自然 灾害之一。但就我国而言,过去防雷设计在整个建筑设计中所占的比重很小。电气设计人员 不重
5、视,其他专业的设计人员更不重视,但雷击所造成的损失却无法轻视。如 1989 年山东 黄岛油库遭受雷击并引起大火,损失惨重。高大的建筑物很容易吸引落雷,从而使本身所在 建筑及附近建筑遭到破坏。另外,随着微电子技术高度发展及广泛应用到各个领域, 使雷害对象也从对建筑物本身的损害转移到对室内的电器、电子设备的损害,以 至发生人身伤亡事故。随之防雷对象也由强电转移到弱电,雷电产生的电磁脉冲 超过直接雷击而成为主要危害。 随着电子技术的飞速发展,电子计算机早已步入社会的各行各业。建筑物内 几乎无不设有复杂程度不同的微电子设备和计算机系统,民用建筑也不例外。雷 电电磁脉冲干扰日益成为频发事故。面对这种挑战
6、,设计人必须转变观念,把雷电电 磁脉冲防护当作防雷设计的重点。这不只是电气一个专业的事,因为它涉及到电子设备的位 置和管线的布置等问题。各个专业应充分协商,从整体上解决防雷设计上的问题。否则,建 筑物设计得再好,也无法正常使用。 关键词 建筑防雷;防雷装置;安全隔离距离;等电位连接 第 1 页 第 1 章 绪 论 1.1 建筑物防雷的发展历史 70 年代以前,人们听到的雷击事故多是击中建筑物或大树,严重的造成了 建筑物烧毁或人员伤亡。那时被雷击的建筑物绝大多数是没有安装防雷装置(避 雷针、避雷带或避雷网)。现在听到的雷击事故相对少了,其原因是,六层以上 的多层建筑物和高层建筑物都安装了防雷装置
7、。有时,接闪器接闪后,即使是微 电子设备因雷电电磁脉冲感应受损,局外人也不知道,本单位做些局部修理也就 完事了。其实,现在的雷击事故并不算少。雷击建筑物对某一栋楼而言可能是百 年不遇的事,但防雷装置接闪则是较常见的,这也是正常的。 1.2 建筑防雷设计的概述 本文从建筑物防雷分类及防雷等级计算开始,再从雷电对建筑物产生危害的 四个方面入手,先叙述了直击雷、雷电波侵入、感应过电压和地电位提高等对建 筑及其内部设备的损害,再介绍建筑物防雷等级确定的方法,然后阐述目前针对 这四种雷电危害的电气综合防雷系统的设计外部防雷和室内防护所用的避雷针、 避雷带或避雷网是否与建筑物的立面相配以及低矮建筑物能否由
8、高大建筑物或高 大烟囱上的避雷装置所保护等等。 第 2 页 第 2 章 建筑物防雷分类及防雷等级计算 2.1 第一类防雷建筑物 1.凡制造、使用、贮存炸药、火药、起爆药、火工品等大量爆炸物质的建筑 物,因电火花而引起爆炸会造成巨大破坏和人身伤亡者。 2.具有 0 区或 10 区爆炸危险环境的建筑物。 3.具有 1 区爆炸危险环境的建筑物,因电火花而引起爆炸会造成巨大破坏和 人身伤亡者。 2.2 第二类防雷建筑物 1.制造、使用、贮存爆炸物物资的建筑物,且电火花不易引起爆炸或不致造 成巨大破坏和人身伤亡者。 2.具有 1 区爆炸危险环境的建筑物,且电火花不易引起爆炸或不致造成巨大 破坏和人身伤亡
9、者。 3.具有 2 区或 11 区爆炸危险环境的建筑物。 4.预计雷击次数大于 0.06 次/a(a 表示年)的部、省级办公建筑物及其他 重要活人员密集的公共建筑物;预计雷击次数大于 0.03 次/a 的住宅、办公楼等 一般性民用建筑物。 5.工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐。 6.国家级重要建筑物。 2.3 第三类防雷建筑物 1.根据雷击后对工业生产的影响据产生的后果,并结合当地气象、地形、地 质及周围环境等因素,确定需要防雷的 21 区、22 区、23 区火灾危险环境。 2.预计雷击次数大于或等于 0.06 次/a 的一般工业建筑物。 3.预计雷击次数大于或等于 0.012 次/a
10、且小于或等于 0.06 次/a 的部、省级 办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物;预计雷击次数大于 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。 4.在平均雷暴日大于 15d/a(d 表示天)的地区,高度为 15m 及以上的烟囱、 第 3 页 水塔等孤立高耸建筑物;在平均雷暴日小于或等于 15d/a 的地区,高度 20m 及以 上的烟囱、水塔等孤立高耸建筑物。 5.省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆。 2.4 建筑物的预计年雷击次数计算 建筑物年预计雷击次数应按下式计算: N= k * Ng * Ae (2-1) 式中:N 建筑物年预计雷击次数(次
11、a) ; K校正系数,在一般情况下取 1,在下列情况下取相应数值:位于旷野孤的 建筑物取 2;金属屋面的砖木结构建筑物取 1.7;位于河边、湖边、 山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山 谷风口等处的建筑物,以及特别潮湿的建筑物取 1.5; Ng建筑物所处地区雷击大地的年平均密度次(km2a) ; Ae与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(km2) 。 雷击大地的年平均密度应按下式计算: Ng 0.024T d 1.3 (2-2) 式中:T d年平均雷暴日,根据当地气象台、站资料确定(da) 。 建筑物等效面积Ae是其实际平面积向外扩大后的面积。其计算方法分以下 三个方面:
12、1.当建筑物的高 H 小于 100m 时,其等效面积按以下公式计算: (2- 6 10)200()200( )(2 HHHHWLLWAe 3) 式中: L、W、H分别为建筑物的长、宽、高(m) 。 2.当建筑物的高 H 等于或大于 100m 时,建筑物的等效面积按下式计算: Ae LW2 H(LW)H2 10-6 (2-4) 3.当建筑物各部位的高不同时,应沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度,其 等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的面积计算。 )200(HHD 第 4 页 (2-5) 按以上公式计算得到 N 后就可以确定防雷等级了。一般先把建筑物按其重要 性和使用性质分为部、省级
13、办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物和住 宅、办公楼等一般性民用建筑物两类。 第 5 页 第 3 章 雷击的分类及危害 3.1 直击雷 电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象,称为直击雷。它的破坏力 十分巨大,若不能迅速将其泻放入大地,将导致放电通道内的物体、建筑物、设 施、人畜遭受严重的破坏或损害火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁,甚 至危及人畜的生命安全。 3.2 雷电波侵入 雷电不直接放电在建筑和设备本身,而是对布放在建筑物外部的线缆放电。 线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散,侵入并危及室内电子设 备和自动化控制等各个系统。因此,往往在听到雷声之前,我们的电子设备
14、、控 制系统等可能已经损坏。 3.3 感应过电压 雷击在设备设或线路的附近发生,或闪电不直接对地放电,只在云层与云层 之间发生放电现象。闪电释放电荷,并在电源和数据传输线路及金属管道金属支 架上感应生成过电压。 雷击放电于具有避雷设施的建筑物时,雷电波沿着建筑 物顶部接闪器(避雷带、避雷线、避雷网或避雷针) 、引下线泄放到大地的过程 中,会在引下线周围形成强大的瞬变磁场,轻则造成电子设备受到干扰,数据丢 失,产生误动作或暂时瘫痪;严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁,使整个系 统陷于瘫痪。 3.4 地电位反击 如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施,接地网的地电位会在数微 秒之内被抬高数万或
15、数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分, 流向供电系统或各种网络信号系统,或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系 统或各种网络信号系统,从而反击破坏或损害电子设备。同时,在未实行等电位 连接的导线回路中,可能诱发高电位而产生火花放电的危险。 第 6 页 如图 3-1 当 10KA 的雷电流通过下导体入地时,假设接电阻为 10 欧姆,根据 欧姆定律,可知在入地点 A 处电压为 100KV。因 A 点与 C 点、D 点相连,所以这几 点电压都为 100KV。而 E 点接地,其电压值为 0,设备的 D 点与 E 点间有 100KV 的电压差,足以将设备损坏。 图 3-1 以上四方面中雷电
16、对建筑物的危害主要以后雷电波侵入、感应过电压与地电 位反击三者居多,这三者统称为雷电电磁脉冲。据有关统计资料,直击雷的损坏 仅占 15%,而雷电电磁脉冲的损坏占 85%。因此,现代建筑的防雷设计已不同以 往,对雷电电磁脉冲的防护必须要加以重视。 第 7 页 第第 4 章章 综合防雷系统设计综合防雷系统设计 4.1 综合防雷设计的六大要素 防雷设计是一个很复杂的问题,不可能依靠一、二种先进的防雷设备和防 雷措施就能完全消除雷击过电压和感应过电压的影响,必须针对雷害入侵途径, 对各类可能产生雷击危害的因素进行综合防护,才能将雷害减少到最低限度。 这种综合防护主要包括接闪、分流、均压、屏蔽、接地、合
17、理布线,统称为综 合防雷六大要素。 4.1.1 接闪 接闪就是让在一定程度范围内出现的闪电放电不能任意地选择放电通道, 而只能按照人们事先设计的防雷系统的规定通道,将雷电能量泄放到大地中去。 4.1.2 分流 分流就是在一切从室外来的导体(包括电力电源线、数据线、电话线或天 馈线等信号线)与防雷接地装置或接地线之间并联一种适当的避雷器 SPD,当 直击雷或雷击效应在线路上产生的过电压波沿这些导线进入室内或设备时,避 雷器的电阻突然降到低值,近于短路状态,雷电电流就由此处分流入地了。雷 电流在分流之后,仍会有少部份沿导线进入设备,这对于一些不耐高压的微电 子设备来说是很危险的,所以对于这类设备在
18、导线进入机壳前,应进行多级分 流(即不少于三级防雷保护) 。 4.1.3 均压 指使建筑物内的各个部位都形成一个相等的电位,即等电位。若建筑物内 的结构钢筋与各种金属设置及金属管线都能连接成统一的导电体,建筑物内当 然就不会产生不同的电位,这样就可保证建筑物内不会产生反击和危及人身安 全的接触电压或跨步电压,对防止雷电电磁脉冲干扰微电子设备也有很大的好 处。钢筋混凝土结构的建筑物最具备实现等电位的条件,因为其内部结构钢筋 第 8 页 的大部分都是自然而然地焊接或绑扎在一起的。 为满足防雷装置的要求,应有目的地把接闪装置与梁、板、柱和基础可靠 地焊接、绑扎或搭接在一起,同时再把各种金属设备和金属
19、管线与之焊接或卡 接在一起,这就使整个建筑物成为良好的等电位体。 4.1.4 屏蔽 屏蔽的主要目的是使建筑物内的通信设备、电子计算机、精密仪器以及自 动控制系统免遭雷电电磁脉冲的危害。建筑物内的这些设施,不仅在防雷装置 接闪时会受到电磁干扰,而且由于它们本身灵敏性高且耐压水平低,有时附近 打雷或接闪时,也会受到雷电波的电磁辐射的影响,甚至在其他建筑物接闪时, 还会受到从该处传来的电磁波的影响。因此,我们应尽量利用钢筋混凝土结构 内的钢筋,即建筑物内地板、顶板、墙面、及梁、柱内的钢筋,使其构成一个 网笼,从而实现屏蔽。由于结构构造的不同,墙内和楼板内的钢筋有疏有密, 钢筋密度不够时,设计人员应按
20、各种设备的不同需要增加网格的密度。良好的 屏蔽不仅使等电位和分流这两个问题迎刃而解,而且对防御雷电电磁脉冲也是 最有效的措施。此外,建筑物的整体屏蔽还能防球雷、侧击和绕击雷的袭击。 4.1.5 接地 接地就是让已经流入防雷系统的闪电电流顺利地流入大地,而不能让雷电 能量集中在防雷系统的某处对被保护物体产生破坏作用,良好的接地才能有效 地泄放雷电能量,降低引下线上的电压,避免发生反击。 过去的一些旧规范要求电子设备单独接地,目的是防止电网中杂散电流干 扰设备的正常工作。但现在,防雷工程设计已不提倡单独接地,而是更多的与 防雷接地系统共用接地装置,但接地电阻要由原来的小于 4 减少到 1。我 国的
21、现用的规范规定,如果电子设备接地装置采用专用的接地系统,则其与防 雷接地系统的地中距离要大于 20m。防雷接地是防雷系统中最基础的环节,也 是防雷安装验收规范中最基本的安全要求。接地不好,所有防雷措施的防雷效 果都不能发挥出来。 4.1.6 合理布线 指如何布线才能获得最好的综合效果。现代化的建筑物都离不开照明、动力、 第 9 页 电话、电视和计算机等设备的管线,在防雷设计中,必须考虑防雷系统与这些 管线的关系。为了保证在防雷装置接闪时这些管线不受影响,首先,应该将这 些电线穿于金属管内,以实现可靠的屏蔽;其次,应该把这些线路的主干线的 垂直部分设置在建筑物的中心部位,且避免靠近用作引下线的柱
22、筋,以尽量缩 小被感应的范围。除考虑布线的部位和屏蔽外,还应在需要的线路上加装避雷 器、压敏电阻等浪涌保护器。因此,设计室内各种管线时,必须与防雷系统统 一考虑。 4.2 综合防雷设计分类 传统的防雷方法主要就是直击雷的防护,其技术措施可分为接闪器、引下 线、接地体等。其中接闪器可以根据建筑物的地理位置、现有结构、重要程度 等,决定是否采用避雷针、避雷带、避雷网或其联合接闪方式。但随着微电子 技术高度发展及广泛应用,传统的防雷设计方法已难以满足现代建筑防雷的需 要。 根据以上综合防雷六要素可以把现代防雷保护分为外部防雷保护(建筑物或 设施的直击雷防护)和内部防雷保护(雷电电磁脉冲的防护)两部份
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