| 解 決 方 案 | |
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◆直擊雷防護方案 ◆感應雷防護方案 ◆接地方案 ◆航空障礙燈方案 |
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| 建築物防雷保護設計淺析(為什麼要三級防雷） | |||
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建築物防雷保護設計淺析 浙江大學建築設計研究院 李平 隨著現代社會的發展，建築物的規模不斷擴大，其內各種電氣設備的使用日趨增多，尤其是電腦網路資訊技術的普及，建築物越來越多採用各種資訊化的電氣設備。我國每年因雷 擊破壞建築物內電氣設備的事件時有發生，所造成的損失非常巨大。因此建築物的防雷設計就顯得尤為重要。 直擊雷和感應雷是雷電入侵建築物內電氣設備的兩種形式。直擊雷是雷電直接擊中線路並經過電氣設備入地的雷擊過電流；感應雷是由雷閃電流產生的強大電磁場變化與導體感應出 的過電壓，過電流形成的雷擊。根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）規定，建築物的防雷區劃分為LPZOA，LPZOB，LPZ1，L PZn+1等區（各區的具體含義本文不再贅述）。將需要保護的空間劃分為不同的防雷分區，是為了規定各部分空間不同的雷擊電磁脈衝的嚴重程度和等電位聯結點的位置，從而決 定位於該區域的電子設備採用何種電湧保護器在何處以何種方式實現與共同接地體等電位聯結。 建築物直擊雷的保護區域為LPZOA區，其保護設計已為電氣設計人員所熟知，根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版），設計由避雷網（ 帶），避雷針或混合組成的接閃器，立柱基礎的鋼筋網與鋼屋架，屋面板鋼筋等構成一個整體，避雷網通過全部立柱基礎的鋼筋作為接地體，將強大的雷電流入大地。建築物感應雷的 保護區域為LPZOB，LPZ1，LPZn+1區，即不可能直接遭受雷擊區域；感應雷是由遭受雷擊電磁脈衝感應或靜電感應而產生的，形成感應雷電壓的機率很高，對建築物內 的電氣設備，尤其低壓電子設備威脅巨大，所以說對建築物內部設備的防雷保護的重點是防止感應雷入侵。由感應雷產生的雷電過電壓過電流主要有以下三個途徑： （1）由供電電源線路入侵；高壓電力線路遭直擊雷襲擊後，經過變壓器耦合到各低壓0.38KV/0.22KV線路傳送到建築物內各低壓電氣設備；另外低壓線路也 可能被直擊雷擊中或感應雷過電壓。據測，低壓線路上感應的雷電過電壓平均可達10KV，完全可以擊壞各種電氣設備，尤其是電子資訊設備。 （2）由建築物內電腦通信等資訊線路入侵；可分為三種情況： ①當地面突出物遭直擊雷打擊時，強雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進而擊穿外皮，使高壓入侵線路。 ②雷雲對地面放電時，線上路上感應出上千伏的過電壓，擊壞與線路相連的電器設備，通過設備連線侵入通信線路。這種入侵沿通信線路傳播，涉及面廣，危害範圍大。 ③若通過一條多芯電纜連接不同來源的導線或者多條電纜平行鋪設時，當某一導線被雷電擊中時，會在相鄰的導線感應出過電壓，擊壞低壓電子設備。 （3）地電位反擊電壓通過接地體入侵；雷擊時強大的雷電流經過引下線和接地體泄入大地，在接地體附近放射型的電位分佈，若有連接電子設備的其他接地體靠近時，即 產生高壓地電位反擊，入侵電壓可高達數萬伏。建築物防直擊雷的避雷引入了強大的雷電流通過引下線入地，在附近空間產生強大的電磁場變化，會在相鄰的導線（包括電源線和信號 線）上感應出雷電過電壓，因此建築物避雷系統不但不能保護電腦，反而可能引入了雷電。電腦網路系統等設備的積體電路晶片耐壓能力很弱，通常在100伏以下，因此必須建 立多層次的電腦防雷系統，層層防護，確保電腦特別是電腦網路系統的安全。 由此可見，對建築物內各電氣設備進行防感應雷保護設計是必不可少的一項內容；設計的合理與否，對電氣設備的安全使用與運行有著至關重要的作用。 目前，在感應雷的防護當中，電湧保護器的使用已日趨頻繁；它能根據各種線路中出現的過電壓，過電流及時作出反應，泄放線路的過電流，從而達到保護電氣設備的目的。 根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）第6.4.4條規定：電湧保護器必須能承受預期通過它們的雷電流，並應符合以下兩個附加要求： 通過電湧時的最大鉗壓，有能力熄滅在雷電流通過後產生的工頻續流。即電湧保護器的最大鉗壓加上其兩端的感應電壓應與所屬系統的基本絕緣水準和設備允許的最大電湧電壓協調一 致。 現在，我們根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）附錄六規定的各類防雷建築物的雷擊電流值進行電湧保護器的最大放電電流的選擇。 一、一類防雷建築物 1、根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）附錄六規定，其首次雷擊電流幅值為200KA，波頭10us；二次雷擊電流幅值為50KA ，波頭0.25us；根據圖1，全部雷電流i的50%按流入建築物防雷裝置的接地裝置計，另外50%按1/3分配于線纜計）；首次雷擊：總配電間第根供電線纜雷電流分流值 為200*50%/3/3=11.11KA；後續雷擊；總配電間每根供電線纜雷電流分流值為50*50%/3/3=2.78KA；如果進線電纜已經進行遮罩處理，其每根供 電線纜雷電流的分流值將減低到原來的30%，即11.11KA*30%=3.3KA及2.78KA*30%=0.8KA，而在電湧保護器承受10/350 us的雷電波能量相當於8/20 us的雷電波能量的5~8倍，所以選擇能承受8/20 us波形電湧保護器的最大放電電流為11.11*8=88.9KA；即設計應選用電湧保護器SPD的最大放電電流為100KA，以法國SOULE公司產品為例，選用PU 100型。根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）第6.4.7條規定，該級電湧保護器應在總配電間處安裝，即在LPZOA，LPZOB 與LPZ1區的交界處安裝。 2、根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）第6.4.8，第6.4.9條規定，在分配電箱處，即在LPZ1與LPZ2區的交界處安裝 電湧保護器，其額定放電電流不宜小於5KA（8/20 us），故此處應選用電湧保護器SPD的最大放電電流為40KA，額定放電電流為10KA；以法國SOULE公司產品為例，選用PU40型。 二、二類防雷建築物 1、根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）附錄六規定，其首次雷擊電流幅值為150KA，波頭10us；二次雷擊電流幅值為37.5 KA，波頭0.25us；根據圖1，全部雷電流i的50%按流入建築物防雷裝置的接地裝置計，另外50%按1/3分配于線纜計；首次雷擊：總配電間每根供電線纜雷電流分流 值為150*50%/3/3=8.33KA；後續雷擊：總配電間每根供電線纜雷電流的分流值為37.5*50%/3/3=2.08KA；如果進線電纜已經進行遮罩處理，其 每根供電線纜雷電流的分流值將減低到原來的30%，即 8.33KA*30%=2.5KA及2.08KA*30%=0.6KA，而在電湧保護器承受10/350 us的雷電波能量相當於8/20 us的雷電波能量的5~8倍，所以選擇能承受8/20 us波形電湧保護器的最大放電電流為8.33*8=66.6KA；即設計應選用電湧保護器SPD的最大放電電流為65KA，以法國SOULE公司產品為例，選用PU65 型。根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）第6.4.7條規定，該級電湧保護器應在總配電間處安裝，即在LPZOA，LPZOB與LP Z1區的交界處安裝。 2、根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）第6.4.8，第6.4.9條規定，在分配電箱處，即在LPZ1與LPZ2區的交界處安裝 電湧保護器，其額定放電電流不宜小於5KA（8/20 us），故此處應選用電湧保護器SPD的最大放電電流為40KA，額定放電電流為10KA；以法國SOULE公司產品為例，選用PU40型。 三、三類防雷建築物 1、根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）附錄六規定，其首次雷擊電流幅值為100KA，波頭10us；二次雷擊電流幅值為25KA ，波頭0.25us；根據附圖1，全部雷電流i的50%按流入建築物防雷裝置的接地裝置計，另外50%按1/3分配于線纜計；首次雷擊：總配電間每根供電線纜雷電流分流值 為100*50%/3/3=5.55KA；後續雷擊：總配電間每根供電線纜雷電流分流值為25*50%/3/3=1.39KA；如果進線電纜已經進行遮罩處理，其每根供電 線纜雷電流的分流值將減低到原來的30%，即 5.55KA*30%=1.7KA及1.39KA*30%=0.4KA，而在電湧保護器承受10/350 us的雷電波能量相當於8/20 us的雷電波能量的5~8倍，所以選擇能承受8/20 us波形電湧保護器的最大放電電流為5.55*8=44.4KA；即設計應選用電湧保護器SPD的最大放電電流為40KA，以法國SOULE公司產品為例，選用PU40 型，根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）第6.4.7條規定，該級電湧保護器應在總配電間處安裝，即在LPZOA，LPZOB與LP Z1區的交界處安裝。 2、根據國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）第6.4.8，第6.4.9條規定，在分配電箱處，即在LPZ1與LPZ2區的交界處安裝 電湧保護器，其額定放電電流不宜小於5KA（8/20 us），故此處應選用電湧保護器SPD的最大放電電流為40KA，額定放電電流為10KA；以法國SOULE公司產品為例，選用PU40型。 在供電線路中,電湧保護器的具體安裝以較常用的TN－S系統，TN－C－S系統，TT系統為例，示意如下： 1）TN-S系統過電壓保護方式 2）TN-C-S系統過電壓保護方式 3）TT系統過電壓保護方式 綜上所述可見，在防雷保護設計中，總的防雷原則是採用三級保護：1、將絕大部分雷電流直接引入地下基礎接地裝置泄散；2、阻塞沿電源線或資料、信號線引入的過電壓；3、 限制被保護設備上浪湧過電壓幅值（過電壓保護）。這三道防線，缺一不可，相互配合，各行其責。目前通常作法是以下三點： 1）建立聯合共用接地系統，形成等電位防雷體系 將建築物的基礎鋼筋（包括樁基、承台、底板、地梁等），樑柱鋼筋，金屬框架，建築物防雷引下線等連接起來，形成閉合良好的法拉第籠式接地，將建築物各部分的接地（包括交 流工作地，安全保護地，直流工作地，防雷接地）與建築物法拉第籠良好連接，從而避免各接地線之間存在電位差，以消除感應過電壓產生。 2）電源系統防雷 以建築物為一個供電單元，應在供電線路的各部位（防雷區交接處）逐級安裝電湧保護器，以消除雷擊過電壓。 3）等電位聯結系統 國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-94（局部修訂條文）明確規定，各防雷區交接處，必須進行等電位聯結；尤其建築物內的電腦房等弱電機房，遭受直擊雷的 可能性比較小，所以在此處除採取電湧保護器進行感應雷防護外，還應採用等電位聯結方式來進行防雷保護，本文不再敘述。 作為電氣設計人員都非常清楚，建築物的防雷保護設計是一項既簡單又繁瑣的內容，但對建築物的安全使用，電氣設備的正常運行有著至關重要的作用，所以還有待於各位電氣設計 人員作進一步的研究與探討；同時必須嚴格按照國家規範，善為謀劃，精心設計。本文僅此設計作了一點粗淺的探討，所以文中不足之處，望同行不吝賜教。 參考文獻 1、國家標準 建築物防雷設計規範GB50057-94（2000年版）北京 中國計畫出版社2001 2、中南建築設計院主編 建築物防雷設計安裝99D562 北京 中國建築標準設計研究所出版1999.12 3、朱林根 主編 21世紀建築電氣設計手冊下冊 北京 中國建築工業出版社2001.3
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