智能化建筑雷击风险分析

徐华伟 李舟鑫 饶仕吉 田人妃 刘 松

1.贵州省贞丰县气象局 贵州 贞丰 562200;2.贵州省黔西南州气象局 贵州 兴义 562400

前言

雷电是发生在大气中的声、光、电物理现象,其放电电流可达数十千安培,甚至数百千安培。雷电流具有很高的峰值和波头上升陡度,放电瞬间产生强大的暂态脉冲电磁场危害智能化建筑内的通信传输、楼宇、消防、安保、办公等智能系统,其危害主要分为两类:直接危害和间接危害。直接危害主要表现为雷击引起的热效应、机械效应和冲击波效应;间接危害主要表现为雷电引起的静电感应、电磁感应、雷电波侵入和暂态过电压。智能化建筑遭受直接雷击或其附近区域发生雷击时,雷电流产生暂态脉冲电磁场,脉冲电磁场交链不同空间的导体回路,并在这些回路中感应出过电压和过电流,过电压、过电流和脉冲电磁场将通过供电线缆、通信线缆、天线、金属管道和空间辐射等途径侵入,危害CMOS工艺制造的集成电路及传输接口,导致集成电路及设备接口损坏,威胁智能化建筑设备的安全运行。

1 雷击风险识别

智能化建筑布置于自然环境中,雷电对其危害与雷击位置关系密切,雷击点可能是智能化建筑本身或附近,也可能是供电或通信线缆,统称为雷击风险源[1-2],根据雷击点位置的不同,考虑下列情形:雷击智能化建筑时(S1);雷击智能化建筑的邻近区域时(S2);雷击供电及通信设施时(S3);雷击供电及通信设施的邻近区域时(S4)。由此所产生的损害类型和损失类型将是风险识别的主要对象,雷击智能化建筑导致的损害可能是一部分,也可延伸至整体,甚至是提供服务的设施本身(供电及通信)及其电气和电子系统。损害的基本类型主要是人员的伤害(D1),实体损害(D2),电气和电子系统失效(D3),不同损害类型,无论是单一的或多种损害类型的联合,都会使智能化建筑产生不同的损失后果。依据智能化建筑本身特征,损失类型主考虑:致人员伤亡(L1),为智能化建筑提供服务的公共设施的损失(L2),经济损失(L3)。相应风险为致人员伤亡的风险(R1);为智能化建筑提供服务的公共设施损失的风险(R2),经济损失的风险(R3)。对风险分析的实际应用如表1-1:

表1-1 雷击风险对照表

智能化建筑的年雷击损害次数(F)作为主要风险因子,由直击雷击引起的年损害次数Fd),间接闪击导致的年损害次数(Fi)两部分组成:

F=Fd+Fi

可能损失的平均数δ取决于人员数量及他们停留的时间长短,根据损害类型,δ值可用下列近似公式(1)计算:

δ=1-(1-t/8760)n(1)

式中:n—危险地带的人数

t—这些人员每年出现于危险地带的时间,单位:小时

为了确定智能化建筑是否需增加雷电防护,须将F值与智能化建筑所能接受的损害次数的最大值Fa相比较

Fa=Ra/δ

F≤Fa的条件应满足,可不额外增加雷电的防护措施,当F〉Fa时,需要增加雷电防护措施具有效率为E的LPS装置作防直击雷保护。

提供LPS保护并在服务设施(供电、通信)上安装SPD防护,将外来导电部件作等电位连接,减小服务设施的损害概率,从而降低风险分量。

2 数据采集

智能化建筑的雷击风险,需要数据资料来分析支撑,智能化建筑的雷击风险跟建设地的地理环境、雷暴日数、闪电强度、土壤电阻率密切相关,数据来源于建设地气象台(站)雷暴日数的地面观测资料、雷电监测网的大气电场及闪电资料,智能化建筑建设项目的设计文件资料,现场勘测的土壤电阻率数据。利用采集数据分析建设地的雷击大地密度、年预计雷击次数、雷电流强度及闪电极性、截收雷电的等效面积、接地系统的接地电阻等参数。

3 雷击风险分析

智能化建筑的雷击风险与年预计雷击次数、磁场强度、接地电阻相关。其中年预计雷击次数主要由建设地的雷暴日数和建筑对雷电的等效截收面积确定,影响系统正常运行的磁场强度由雷电流强度和屏蔽措施确定,接地电阻则由建设场址的土壤电阻率、接地网面积、接地材料的等效面积等因素确定。

3.1 雷击损害分析

雷击损害需对智能化建筑受雷电的直接闪击次数、雷击附近大地的雷击次数进行理论计算,利用数据采集得到的参数、智能化建筑设计参数分析雷击损害概率,雷电闪击次数与雷击大地密度(Ng)有关,在没有闪电监测资料的情况下,可利用年平均雷暴日数确定。

Ng=0.04Td1.25(次/km2·年)

雷电有效截收面积定义为与建筑物有相同的年直接雷电闪击次数的大地面积

Ae=[ab+6(a+b)h+9πh2]×10-6

依公式(2)估算智能化建筑预计遭受直接雷击年平均次数

Nd=Ng·Ae(次/年)(2)

直接雷电闪击的损害次数是由跨步电压或接触电压而引起的:

Fd=H+A

H是由于接触电压及跨步电压引起的损害次数:H=NdPh

A是由于着火引起的损害次数:A=Nd×Pfd

间接雷电闪击的损害次数是由入户设施上的过电压引发放电而引起,应考虑对智能化建筑附近大地的闪击及作用于入户设施上的闪击。

Fi=B+C(B=NnPtP3、C=Pt(NlP3+N2P3))

智能化建筑预期的年损害次数:

F=Fd+Fi

为了确定智能化建筑是否需加以保护,必须将F值与建筑物所能接受的损害次数的最大值Fa相比较

Fa=Ra/δ

F≤Fa的条件应满足,否则应提供额外的防护措施。

当安装LPS并在入户设施上安装SPD,将外来导电部件作等电位连接,以便将P3、P4概率减小;

采取的雷电防护措施,使损害概率满足 Fd＜Fa的条件时,智能化建筑获得防雷电闪击的保护。从安全角度考虑,在入户设施上安装浪涌保护器(SPD)的防护措施更是需要的。

3.2 磁场与屏蔽分析

智能化建筑受直接雷击或附近雷击时,雷电流及感应电流经各接地引下线泄放,由于雷电有极大的峰值和徒度,在其周围形成强大的变化的电磁场[3-4],处于变化电磁场中的导体会感应出较大的电压,该电压由导线传导至电气设备。根据相关规范要求,机房内磁场强度应不大于800A/m。因此,智能化建筑所处环境的磁场强度超过800A/m时,需要采取屏蔽措施,并且在尽可能的条件下,磁场强度越低越好。

3.3 接地分析

接地是指电气设施的某些导电部分与大地或范围比较广泛能用来代替大地的等效导体之间的电气连接。接地的目的是利用地作为传导电流回路的一个元件,在事故或遭受雷击的情况下将电位控制在允许的范围,以保障人员和设备安全。无论是防止击雷、防感应雷,都是利用接地装置将故障电流或雷电流引入大地泄放[5-6],接地装置的接地电阻通常由三部分组成:接地体本身的电阻,接地极与土壤接触部分的接触电阻,电流经接地极流入土壤后呈现的散流电阻,这部分电阻由土壤电阻率决定,与土壤电阻率成反比,同时受水平接地体的有效长度限制,由于雷电流在接地中的传导速度有限,加之雷电流陡度高,高频分量丰富及接地体自身的分布电感,使雷电流的传导受阻碍,当水平接地体的长度达一定数值时,它的时间常数已足够大,对雷电流的散流已不起作用,水平接地体的有效长度起决于土壤电阻率(L=2),接地装置的接地电阻按等效为半球形接地极法进行计算,当接地电阻不能满足智能化设备的接地要求时,应采用联合接地方式或使用降阻材料降低土壤电阻率,使接地电阻满足设备要求。电气设备保护接地及其它电子信息系统接地采用共用接地,一般情况下接地电阻不大于4Ω。

4 分析结论

依据智能化建筑相关建设资料,并结合项目场址、地形地貌、环境等情况,分析了智能化建筑场址及周边的雷电活动特征[7-8],雷电对智能化建筑可能产生的危害,分析年预计雷击次数、磁场强度、屏蔽网格、接地电阻、系统雷电防护等级雷击风险,通过风险的分析,对于所考虑最危险的情况是与第一类的损害人身伤亡相关。为了将这类损害的风险减小至一个可以接受的水平,防雷类别按二类,首次雷击电流应按一类200KA考虑,利用结构钢筋、基础钢筋等自然金属构件组成外部防雷装置和连接网络,形成栅格型屏蔽系统实现屏蔽,以减弱LEMP的干扰。智能化建筑设备宜设置在雷击风险低区域内,避开强干扰磁场,选用有金属屏蔽层的线缆,将线缆金属屏蔽层与等电位连接网络连接并接地。当交流工作接地、直流工作接地、保护接地、防雷接地等共用接地装置时,其接地电阻值应以设备要求的接地电阻最小值为基准,各类金属导体,线缆屏蔽层及金属线槽(架)等进入机房时,应做等电位连接。当采用S型结构等电位连接时,只允许单点接地,在磁场干扰强度不大于800A/m的情况下,考虑到智能化建筑设备的精密性,宜安装多级浪涌保护器(SPD)防止雷击过电压,使雷电流逐级汇放,过电压逐级钳位,最终将SPD的残压控制在0.65kv的残压水平。

雷击风险分析是以采集数据为基础,既包括智能化建筑的原始设计数据、气象观测数据,也包括相当数量的现场勘察数据。应当声明的是,考虑到经济与技术结合的最大效益,国际标准和国内标准规定了允许雷电闪击频率和可接受的最大危险度,雷击风险分析是基于这些规定得出的,因此,超出规范规定值的雷击损坏是可能存在的。