超高层智能建筑雷电防护技术探讨
时间：2023-02-28 09:10:06 来源：千叶帆 本文已影响人
雒新萍，刘春敏
（1.陕西省突发事件预警信息发布中心，西安 710014；
2.杨凌气象局，陕西 咸阳 712100）
超高层智能建筑覆盖了各种电子设备和计算机网络，因此极可能受到雷电电磁脉冲的袭击，电磁脉冲可能导致建筑各信息系统的损坏，造成系统数据的遗失，使超高层智能系统不能正常运行，若因雷电而造成电子信息系统无法正常运行，给社会带来的损失将是难以估量的，从而造成无法弥补的损失，这就要求在对超高层智能建筑设计时要充分考虑到建筑智能系统如何能有效防止雷电给建筑体本身造成破坏。雷电是因大气放电而产生的自然现象，雷电一旦击中智能电子设备，不但会造成重要数据的丢失，设备无法使用，还可能引起火灾，造成更大的经济损失。若不采取相应的防范措施，很有可能导致建筑物被雷电击中，带来经济损失和严重的人员伤亡，因此超高层智能建筑的设计规划中，必须建立快速有效的智能防雷体系，这是使该建筑能够长远发展的关键。
某建筑位于广西南宁市，临江而立，是一座高约435 m的超高层绿色建筑，集国际品牌五星级酒店、商业、办公、餐馆和娱乐等多种功能于一体，是南宁市新焦点，丰富南宁市商业新格局，成为南宁市乃至整个中国西南部的标志性综合体。
1.1 外部防雷的接闪器设计
接闪器的主要任务就是接收闪电，并让建筑物的其他部分不受破坏，而是全部都由接闪器来承受。因为本建筑的主楼建筑结构较为特殊，其建筑屋顶为玻璃屋顶，故保留了2组接闪方案设计，一是在主楼房顶设有接闪杆塔和接闪器，并且船桅高度要大于外层窗户；
二是在楼顶设有接闪带，网格的尺寸则要根据第一类防雷建筑物的设计标准来进行选择。
方法1：所用高压避雷器采用早期充放电原理，主动接闪。但是，如果避雷器的金属框架是由最科学的金属框架制成的，那么避雷器的金属框架也可以作为最合理的避雷器材料。还可以选择多个短棒的接闪方式，以便通过部分分流的方式将雷击电流从引下线分散到各个方向。2种类型中最受欢迎的是避雷针，ESEGZU-5AB引脚和5A3型首选避雷针是不错的选择，如图1所示。
图1 多杆接闪方案
方法2：先设置接闪网络组，或在屋顶设置接闪带。接闪网一般有明敷与暗敷之分，但这里还是建议使用明敷的方法。暗敷接闪网就是将接闪网直接安装于混凝土中，在施工中则直接使用钢筋砼中的钢筋架构为隐藏式的接闪网。
混凝土中的钢梁结构都是受雷击的隐蔽网。开放式网孔通常是长圆形钢板或钢底板。建筑开放式网络方案的电网规模根据中国式防雷接地建筑的特点设置。接闪网络一级防雷建筑物的网格长度约为：小于等于5×5 m或小于等于6×4 m。设计方法可以选择如图2所示。
图2 部分接闪网示意图（单位：m）
1.2 玻璃幕墙防侧击雷及均压环
某国际中心为总高约435 m的超高层城市综合楼，总高远度大于地面滚球零点五径高度，除楼顶之外还必须设计完善的防直击雷措施，一旦屋顶落于距地面滚球的零点五径标高之上就需要做好防雷接地，而玻璃幕墙必须安装于建筑物的外部构架之上，外征在物联网识别的翻筑负荷，内部构架必须为全金属主骨架，还必须在相应的高度距离上设置接闪环带，并与引下线安全连接。
根据旋转球法的相关理论，当雷击电流低于上述计算的雷击电流值时，雷击可直接作用于建筑物而无需避雷器，建筑物将受到攻击。本项目超高层绿色智能建筑高度约435 m，闪距较大。如果h1=435 m，相应的雷电电流为（435/10）15=286.9 kA，则本订单屋顶避雷器可以成功验收。然而，如果闪电从较短的距离进入屋顶，避雷器可能不被接受，因此会发生侧面攻击。根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》的规定，建筑物内的直击雷防护装置有3种。玻璃隔墙仅用于二类和三类建筑，起始高度为45 m，这意味着作为玻璃隔墙的二类建筑的防雷措施从h1=45 m处开始，当前雷电高度为L=9.5 m。在+45~435 m之间，应采取防止侧面雷击的措施，防止侧面雷击。
与均压环布局不同。均压环用于降低每个平面上引下线雷击电流的电压降。本质上，其可以被视为一个等电位连接。一个环形金属环的长度约为12 m，用于将建筑物的引下线圈焊接在一起，形成水平方向的均压环。在实际施工中，钢筋混凝土结构钢筋可以沿着建筑物的水平周长，将各条电缆连接在一起。水平方向接闪带宜直接裸露于建筑外墙。本建筑可利用玻璃幕墙的构造为基础，在构造中于水平方向设有扁钢制带条作为接闪装置。
1.3 屋面的航空障碍灯的防雷措施
（1）避雷器设备必须安装在顶部安装的航空障碍灯上，避雷器部分必须与避雷带等装置紧密连接。
（2）安装在建筑物中间的航空障碍灯必须用金属丝网罩保护，灯具的金属部分也应连接。
（3）对于高层飞行障碍灯，所用的避雷设备通常为独立避雷器，可使用航空照明的建筑物高度一般至少有45 m。这些建筑物之间将连接一座避雷针，避雷针嵌入在接闪带中。而按照建筑物滚动球零点五径小的原则，这些避雷针也将在建筑屋顶附近或滚动球零点五径区域内的避雷针顶部下方加以防护，以保证航空灯及其他必要的机械构件，如风速计、烟筒等。
超高层绿色智能建筑通常致力于支持环境保护，并内置各种智能控制系统和通信设备。这些设备通常需要良好的工作环境。在防雷工作中，尤其要重视内部环境的保护。本文提到的超高层智能建筑内部防雷措施的核心内容是防止雷电冲击装置。为了实现所有电气信息系统和智能结构的安全，有必要为每个系统安排完整的内部防雷措施。因此，将对以下建筑物的所有部分进行内部防雷工程。
2.1 供电系统的防雷方案设计
此次重点建设工程的用电控制系统防雷工程设计根据GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》等有关规范予以工程设计，充分考虑到超高层绿色智能化建筑内装置数量很多，对用电控制系统的安全性的要求也非常高，而一旦采用了单级防直击雷将会造成较大的隐患，所以要求分多级防雷工程设计，以防范从防直击雷到工业浪涌的各种过电的破坏。
2.1.1 第一级防雷
为了避免直击雷，必须在电源线连接到建筑物之前进行相关处理，因为所有进线均为高压电缆。进入房屋前，电源线必须在规定的安全距离处衬金属套管，埋地，从地下室直接穿入超高层建筑，并安装避雷器。电源的普通避雷器也可以放置在电源的近端，以便从外部流入房屋的雷电高压输入电流可以被释放。对于B类三相电力放电器，每条进线三相线路的电流容量应超过60 kV。通过试验可以确认，数万级以上的大电压可控制在千伏级之内，主变电所的避雷器可并联处理，可防止直击雷，限制雷电传播。此处选择的避雷器为三相避雷器型箱YF-X220/380，备用选项为YF-M220/380并联装置。最大极限电压为60 kV，也可选择容量更大的避雷器。
2.1.2 第二级防雷
经过一次电源和防雷设计后，即使最大雷电电压控制在规定范围内，也无法保证装置的安全运行。为了更安全地减少雷击事故的发生，必须进行二次供电和防雷设计。从总配电柜输出线到各电源点，大部分为三相电缆。因此，总容量为40 kV的三相避雷器也可用于该级别的避雷器。
2.1.3 第三级防雷
该级防雷设备的安全性，直接关系到超高层绿色智能建筑在内的精密智能化电子产品等重要元器件的安全平稳与工作。这种装置的工作电压非常低，最高允许工作输出电压也在毫安级别以下，若不进行第三级的防雷措施就会给电子设备造成巨大的冲击。
除此之外，还提出了在末级使用的YF-CZ/6六系列防雷插座，以进一步控制浪涌的电压。供电装置的方案设计如图3所示。图中画出了总供电装置、总配电箱、主要电气设备和SPD（浪涌保护器）系统的基本布置。
2.2 多级浪涌保护器的配合
在线路上布置多个SPD时，还必须做好对多个SPD的能量协调与匹配问题的分析。根据IEC防雷分区标准，当配电线路通过不同的直击雷（LPZ）区域时，必须在其接口处安装SPD，通信设备中的电磁脉冲等因素可能形成的感应浪涌也会影响一些弱电设备。因此，根据GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》标准，结合实际情况，通过接口时应注意浪涌保护器的布置。
其之间的搭配必须重视与容量之间的协调，合理分配好所承受的电流大小，并按照具体的耐流抗压水平来搭配。
设计和选用SPD装置时必须重视一些参考技术指标，如冲击电压、标准放电电流及最高的保护水平、残压等。安装于各分区交界的SPD，必须参照分区对SPD的标准及放电电流的规定。如图3所示。
图3 电源系统的防雷设计
2.3 信号线路系统的防雷设计
超高层绿色智能建筑的信息管线系统是关系到整个建筑物信息流通的重要动脉，因此信息管线系统的防雷设计也必须遵守以下一些准则。
（1）在选择通信线路的浪涌保护装置时，应选择泄漏小、分布容量小和适合终端附近串扰指标的浪涌保护装置，这需要对实际工作频段等技术参数进行更多的选择，不同特定线路的电压和传输速度。电涌保护等级必须低于被保护装置的最大抗冲击UW工作电压，最大直流工作电流可超过线路上最大工作电压的1.2倍。
（2）当通信线路经过不同的防雷部位时，浪涌保护器宜设置在分区的边界。可布置单级或多层浪涌防护装置。
（3）所有进出穿墙的信号线都必须设有金属屏蔽层，或采用有金属屏蔽包络线的光缆，并与金属屏蔽层之间进行等电位接地。
（4）信号线SPD应连接到被保护装置的信号接口上。SPD的输出端口要被保护设备端口连接。
2.4 计算机与网络系统的防雷设计
计算机和网络是根据风险评估水平设计的。在各种数据通信接口的输入或输出接口中，计算机主机、服务器、网络交换机、路由器、中继站、集线器、调制解调器和配电网等设备，应在LPZ0A或LPZ0B或LPZ1区内边界处设置适配的线路浪涌保护器。在计算机网络中，各种家用调制解调器的输入和输出端口分别设置有SPD数据信号。对于综合业务数据网（ISDN）等网络交换设备的输入和输出端口，其分别通过多条截面为1.5~6 mm2的绝缘铜线连接到机房的等电位网络。
2.5 安全防范系统的防雷设计
该项目的安保系统中涉及大量视频监控。因此在摄像机所控制的信号终端上（如RS485、RS424等）还必须设置信息线波保护装置。而接在解码盒上的电源线还必须设置电缆浪涌安全保护器。主控计算机与二次管理计算机之间的管理线和通信线，在进出不同的防雷装置连接区时宜设有适当的SPD。视频信号线在屏蔽层上应有金属单端连接、在室外的摄像机的监视电线，在进出建筑物时也应该加设金属套管，使钢管内外端子分别连接。在安全防范系统的连接字母纫上最宜选用铜色导线，在连接端子上也应有金属的连接符号标识，其连接电流不得超过4 Ω，截面积也不得小于35 mm2。
2.6 火灾手动与消防联合系统的防雷设计
本章所述超高层及绿色智能建筑的火灾事故自动报警系统形式选择及划分，按照中国建筑现有标准，GB50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》GB 50016—2014《建筑设计防火规范》进行。灭火自动中心及与本区指挥中心相互连接的系统内的调制解调器的进线、119报警电话的进线等端口，都应当设置信号SPD。建筑内的报警控制器的金属外壳、走电缆或沟槽就近连接等电位端子。如火灾事故的自动报警系统与联动控制器则应选择共用的接地系统，其接地装置的接地电阻应小于1 Ω。若选择专用连接，接地电阻也不宜大于4 Ω。
2.7 有线广播和有线电视系统的防雷设计
2.7.1 有线广播系统的防雷设计
需要在交流电源线和直流电池电源柜进入传输系统室的入口处安装合适的SPD装置。扩声系统的信号线应配备屏蔽电缆。当前声源配备天线信号输入时，每个前端输入信号线应配备该系列的SPD浪涌保护。传输设备的金属外壳与附近的等电位端子连接。单独设置专用接地装置时，接地电阻必须小于4 Ω。如果采用公共接地，接地电阻不得超过1 Ω。
2.7.2 有线电视系统的防雷设计
有线电视系统的天线接收装置必须在避雷器保护范围内，天线接收器必须可靠接地。进出大楼的有线电视（CATV）信号电缆必须安装专用SPD。有线电视系统采用共用接地系统，共用接地装置的接地电阻不大于1 Ω。
随着越来越多的智能建筑的出现，对于建筑防雷防护的要求更为严格，防雷防护技术也随着智能建筑的增多而快速发展，雷电对智能建筑造成的伤害是无法估量的，因此，智能建筑中现代防雷防护技术能够有效减少雷电对建筑造成的伤害，采用等位线连接措施、运用提前放电避雷针和网络防雷器、设计新型的接闪器和布局合理的引下线（方法），都能有效保障智能建筑的安全，高层建筑的主动式雷电预警系统除实现了雷电监测、预警和临近主动防护等功能，还具有自动分析、学习、评判防雷效果、实时告警及维护故障等功能。（特点）智能建筑防雷防护技术的应用为智能建筑的运行提供了技术保障，在防雷防护技术广泛应用的同时还需要定期对其进行检测，超高层智能建筑防雷防护体系的建设和防雷防护技术的提升需要社会各界的共同努力。
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