民用建筑防雷装置设计的探讨

2018-04-24潘虹

现代建筑电气 2018年3期

潘虹

(上海城市交通设计院有限公司, 上海 200025)

0 引言

目前,现代建筑物的电气电子信息系统应用越来越广泛,防雷工程也随之兴旺起来。面对这种局面,防雷工程技术已是三维空间的防御。提高对防雷规范的理解程度,保证雷电防护的设计质量,对防止或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和文物、财产损失,以及雷击电磁脉冲引发的电气和电子系统损坏或错误运行,具有重要意义。

1 项目概况

上海市杨浦区某中心23-4地块工程地下3层,地上11层,建筑高度为49.80 m,为一类高层建筑,包含车库、商场、餐饮、电影院等功能区。该工程建筑物电子信息系统防雷等级为C级,以低压电缆埋地引入进行雷电防护设计,在每台变压器低压侧、总配电箱和设备机房配电箱设电涌保护器(Surge Protective Device,SPD),系统设置2级保护。

2 建筑物外部防雷设计

根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[1]附录A,计算出该工程的年预计雷击次数大于0.05次/a。根据GB 50057—2010第3.0.3条,该工程属于第二类防雷建筑物,设防直击雷、侧击雷和雷击电磁脉冲保护。

2.1 接闪器

屋顶采用25 mm×4 mm热镀锌扁钢作为接闪器,明敷安装于屋面上接闪带的支架高出女儿墙0.15 m,支架间距为0.50 m,转角处为0.25 m。采用25 mm×4 mm热镀锌扁钢组成不大于10 m×10 m或12 m×8 m的接闪网格,紧贴屋面明敷。固定在建筑物上的节日彩灯、航空障碍灯、屋面投光灯及其他用电设备线路,应采取有效的防雷电波侵入措施;航空障碍灯设防雷接闪杆,突出屋面的金属构件利用金属体结构件接至防雷接闪网格。建筑物的外墙上栏杆、门窗等较大金属物均应与防雷接地装置可靠连接。

2.2 引下线

利用建筑物钢筋混凝土柱内主钢筋作防雷引下线(16 mm以下利用4根,16 mm以上利用2根),间距小于18 m;引下线上端与接闪器焊接,下端与钢筋混凝土灌注桩及基础底板轴线上的上下两层钢筋内的2根主筋焊接。

在每根作为避雷引下线的结构柱内均应留有如下预埋件。

(1) 钢筋混凝土柱的柱顶设预埋件热镀锌钢板(100 mm×100 mm×5 mm),用于连接屋顶接闪器。

(2) 在其外侧室外地坪+0.50 m处设预埋件热镀锌钢板(100 mm×100 mm×5 mm),并采用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢做引出连接板,供测试用。

(3) 离室内地坪0.2 m处设接地预埋铁(100 mm×100 mm×5 mm),用于连接等电位端子。

(4) 在其外侧室外地坪-1.00m处设预埋件热镀锌钢板(100 mm×100 mm×5 mm),每18 m设1块,用于连接人工接地极。

因此,引下线应将屋面接闪器、楼层等电位接地网、主钢筋网可靠连接成电气回路。

2.3 接地极

建筑物采用外包防水,接地极须做在防水层外。在基础底板下混凝土垫层内沿建筑物外轮廓预埋环形接地体(2根φ16 mm圆钢)。基础底板内组成不大于10 m×10 m或12 m×8 m的网格,利用圆钢使基础接地网与环形接地体相互连通作为均压网。在室外地坪-1.00 m、距结构面1 m处,利用2根φ16 mm圆钢敷设一圈人工接地环。在室外地坪-1.00 m处设预埋件热镀锌钢板(100 mm×100 mm×5 mm),每18 m设1块,用于连接室外人工接地环及增加接地装置,且接地预埋钢板应与结构墙及板内主钢筋连接,并接至作为防雷引下线结构柱的主钢筋。建筑物的防雷接地、电力系统接地、防静电接地及各弱电系统接地共用此接地装置,其工频接地电阻在任何季节都不应大于1 Ω。若经测量,工频接地电阻无法满足规范要求,则需在环形接地体3 m外增设人工接地体。

人工接地体采用φ50 mm热镀锌钢管或50 mm×50 mm×5 mm热镀锌角钢,长为2.5 m,顶端埋深为0.8 m,距建筑出入口或人行道≥3 m。当人工接地体距建筑出入口或人行道<3 m时,为防止接触电压和跨步电压,接地体埋深≥1 m或在接地体上面敷设50～80 mm的沥青层,其宽度超出接地体2 m。接地连接线采用40 mm×4 mm镀锌扁钢。接地体、接地线等应搭焊接,其搭接长度应满足相关规范的要求。

2.4 防侧击雷

将距地面45 m及以上的金属窗门框架、阳台金属栏杆以及面积较大的金属装饰物等就近与钢筋网或金属构架连接。结构外圈梁中的φ20 mm主钢筋每三层连成闭合回路(屋顶层、8F、5F、3F),并与建筑内防雷接地系统可靠连接。屋顶层、8F、5F、3F的外圈梁外侧面每18 m预埋1块预埋件热镀锌钢板(100 mm×100 mm×8 mm),用于连接外墙金属构件,且预埋钢板与圈梁内主钢筋可靠焊接。

3 建筑物内部防雷设计

闪电无论是在空间的先导通道或回击通道中产生的瞬变电磁场,还是进入地上建筑物的避雷系统所产生瞬变的电磁场,都会在空间一定范围内发射电磁作用,在三维空间范围内对电子设备发生作用。这种空间雷电电磁脉冲会危及建筑物内各种设备的安全、可靠运行。

防雷击电磁脉冲的保护系统是对建筑物内系统(电气系统和电子系统)防雷电流引发的电磁效应,包含防经导体传导的闪电电涌和防辐射脉冲电磁场效应。

建筑物内部防雷系统是防止雷电和其他形式的过电压侵入设备中而造成毁坏,理解为防雷击电磁脉冲的保护系统。

3.1 预防雷电感应

将建筑物内的设备、管道等主要金属物就近接至防直击雷接地装置上;建筑物内防闪电感应的接地干线与接地装置的连接,不应少于2处。平行敷设的管道、构架和电缆金属外皮等金属物,其近距<100 mm时,应采用金属线跨接,跨接点的间距不应大于30 m;交叉近距<100 mm时,其交叉处也应跨接。

3.2 预防雷电波侵入

所有进出建筑物的电缆金属外皮、保护钢管或金属线槽及其他专业的金属管道在入户处与防雷的接地装置相连。

3.3 SPD的选择

在复杂的电气和电子系统中,除在户外线路进入建筑物处,LPZ0A或LPZ0B进入LPZl区,按GB 50057—2010第4章要求安装SPD外,在其后的配电和信号线路上应按GB 50057—2010第6章要求,确定是否选择和安装与其协调配合好的SPD。

结合该工程二类防雷建筑物,说明安装和选择电涌保护器的要求。具体安装位置包括低压总配电进线处、楼层配电、电梯、弱电机房、屋面(室外)用电设备、重要动力设备、消防设备等配电进线处[2]。

入户线SPD的装设要求:在该建筑物内靠近南侧外墙,设置有2台Dynll型接线的配电变压器,在变压器高压侧装设避雷器。电气接地装置与防雷接地装置共用,应在配电变压器低压母线上装设Ⅰ级分类试验(10/350 μs波)的SPD,SPD每种保护模式的冲击电流≥12.5 kA,SPD的电压保护水平值≤2.5 kV。

固定在建筑物上的节日彩灯、航空障碍信号灯及其他用电设备和线路处于LP0B区和LP1区交界处,因该建筑物属于二类防雷建筑物,采取相应的防止闪电电涌侵入的措施,配电箱内应在开关的电源侧装设Ⅱ级试验的SPD,其电压保护水平≤2.5 kV。故屋顶消防动力配电箱、消防电梯配电箱、客梯配电箱应安装Ⅱ级分类试验(8/20 μs波)的SPD,但由于上述配电箱含有电子线路的设备,如计算机、有电子程序控制的设备,所以其电压保护水平选择≤1.5 kV。根据规范GB 50057—2010第4.5.4条3款条文说明,建议二类防雷建筑物标称放电电流≥20 kA。

楼层配电箱应安装Ⅱ级分类试验(8/20 μs波)的SPD。根据其内部配电回路确定SPD,如楼层箱有引至弱电井插座或电子信息系统的回路,则楼层箱SPD的电压保护水平≤1.5 kV,如果仅含有照明和普通动力回路,则楼层箱SPD按照级差原则选择。根据GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[3]表5.4.3-3,该工程雷电防护等级为C级,标称放电电流≥20 kA。

SPD参数如表1所示。

SPD安装位置示意图如图1所示。

表1 SPD参数

4 信息系统防雷设计

消防监控中心应有直通室外的出入口,雷电防护区属于LPZ1区。在LPZ1区与LPZ0A区(或LPZ0B区)的界面应将所有通过界面的金属物体做等电位联结,并设置等电位联结端子箱。

消防监控中心机房内的电子设备及信息线路不宜靠建筑物外墙设置,而且与防雷引下线的距离应在1 m以上。

进入消防监控中心机房的屏蔽电缆其屏蔽层应至少在两端与等电位接地装置连接。当系统要求只在一端做等电位联结时应采用两层屏蔽,其外层屏蔽按上述要求处理。消防监控中心机房内设S型等电位联结网络。设备的金属外壳、金属管槽、电缆屏蔽层、防静电接地、安全保护接地及SPD接地等均应以最短距离与等电位联结网络的接地端子板(ERP)连接。所有信息系统的电缆屏蔽层均须经过ERP进入系统内。

输出电路采用DA转换电路TLV5616转换器件，TLV5616是12位的DA转换器件，SPI总线接口，本设计的电路工作电压为5V，参考电压采用高精度稳压器件REF02输出5V参考电压，经过电阻分压，调整为2.5V参考电压作为TLV5616的参考电压，当TLV5616输入最大值，输出电压可以为参考电压的2倍达到5V。通过OP-07放大电路进行放大，将电压信号转换为0-12V的输出信号。通过将PID运算得到的输出结果转换为对应的数字量写入到TLV5616中，实现输出电压的控制。由于单片机电路工作电压为3.3V，因此通过隔离电路写TLV5616操作。

图1 SPD安装位置示意图

S型等电位联结网络只允许单点接地,并采用≥35 mm2绝缘铜芯导线与机房内等电位接地端子板连接。消防监控中心的直流工作接地线应单独绝缘敷设(如塑料管),并采用铜芯屏蔽电缆。主干铜芯电缆截面≥95 mm2,支干铜芯电缆截面≥35 mm2。直流工作接地的接地电阻≤1 Ω。当采用共用接地方式时,直流工作接地线应全程绝缘敷设至室外的接地孔,并采用铜钢过渡接头与共用接地装置连接。当采用分散接地方式时,直流工作接地装置与共用接地装置的间距≥20 m。

建筑物各处设置的区域警报控制器的金属支架(壳)、金属线槽(或金属管)、消防接线箱的金属外壳及其他消防监控设施的金属外壳等应就近接至等电位接地端子板。消防联动控制系统所控制的动力、暖通空调及给排水等设备的金属支架(壳)、金属线槽(或金属管)均应就近与等电位接地端子板连接。

火灾报警控制系统的报警主机、联动控制盘、火灾广播、消防对讲通讯等系统的信号传输线路宜在进出建筑物雷电防护区交界处装设适配的信号SPD。

消防监控中心与本地区指挥中心之间联网的网络系统调制解调器进出端、对外119报警电信线路的端口等,均应装设适配的信号SPD。

当信息系统内安装的SPD无法在设计图纸上表达时,应说明由承包商(或供应商)负责实施,并将其信号SPD的接地线以最近的线路接至工程内的等电位接地端子板。