民用高层建筑项目的电气安全与防雷措施

刘庆雄

（江西同济建筑设计咨询有限公司，江西南昌 330000）

1 民用高层建筑电气安全的挑战

1.1 电气负荷的增加及其影响

高层建筑中的电梯、中央空调、照明系统等设备需求随楼层的增加而呈现明显的增长趋势。这不仅增加了建筑的总体电气负荷，还对电源系统提出了更高的稳定供电需求。

电气负荷增加可能导致电源容量不足、设备过热和电能损失增加等问题，具体体现如下：①电源容量不足。如果没有对高电气负荷进行合理设计，可能会导致电源容量不足，从而引发设备故障或电源供应中断。电源供应中断可能会导致电梯停滞、消防系统失效和生活设备失效等问题，不仅影响建筑内各设备的正常运行，更会威胁居住者和使用者的生命安全。②设备过热。高电负荷可能使电气设备、线缆等过热，增加发生电气火灾的风险。③电能损失增加。电气负荷增加意味着电能传输和分配的损失也会增加，这将增加能源成本。

1.2 电气线路复杂性的挑战

随着建筑楼层的增加，电气线路的布线距离和复杂性也均有增长，对电气设计、施工和维护都提出了更高的要求。电气线路复杂性的挑战主要体现在以下几个方面：①信号衰减。长距离的电缆布线可能导致电信号衰减，影响设备的正常运行。②线路故障难以定位。大量的分支和线路交叉可能导致线路故障难以快速定位和处理。③维护难度增加。线路的复杂性意味着其维护成本和难度都会显著增加，需要专业团队进行定期巡查和维护。为确保电气安全，高层建筑项目在设计、施工和运营阶段都需要对电气系统进行严格的管理和控制。

2 民用高层建筑电气安全措施的详细分析

2.1 民用高层建筑电气设计的安全措施

（1）选择合适的线缆规格。每种线缆都有其规定的安全电流容量，选择的线缆须能承载预期的最大电流，否则过载可能导致线缆过热，甚至引发火灾。随着线缆长度的增加，电阻也会相应增加，这可能导致电压下降。为确保设备能够得到足够的电压运行，须考虑这一点来选择合适的线缆规格。

（2）确保电气设备的稳定运行。电气设备是建筑中的核心组成部分，从照明到空调，再到安全系统，都依赖于电气设备的稳定运行。选择合适的电气设备可确保其在各种条件下都能稳定运行。此外，电气设备在运行过程中会产生热量，确保良好的散热是延长设备寿命、防止过热和确保设备稳定运行的关键，涉及设备的放置、散热器的使用或散热风扇的安装。

（3）预留备用容量。建筑的用途和需求可能会随时间的推移而发生变化，预留一定的备用电气容量可确保建筑能够适应这些变化。并且，随着技术的进步，设备需要升级或替换，新的设备可能会有不同的电气需求，预留的备用电气容量可确保新需求得到满足。

2.2 多路供电源的深入解析

（1）冗余供电设计。高层建筑正常运行依赖的关键系统，如安全监控、消防、电梯等，对电源的连续性和稳定性有严格的要求。为确保这些系统不会因单一电源故障而中断，可采用冗余供电设计：①为建筑提供两个或更多的独立电源输入；②在两个或更多的电源间平衡电气负荷不仅可确保每个电源都在其容量范围内工作，还可以确保在一个电源失效时，其他电源能够承担额外的负荷。

（2）“无缝”切换。在一个电源出现故障时，为确保电气设备和系统的连续运行，需要在极短时间内切换到备用电源，即“无缝”切换，具体可采取以下措施：①应用自动转换开关（ATS），可自动检测电源的状态并在主电源失效时迅速切换到备用电源，其通常与发电机或其他备用电源一起使用，确保在主电网故障时能够快速响应；②应用不间断电源（UPS），其内部有电池或其他能源存储系统，可在电网中断时为设备提供短时间的电力，对于需要连续运行的关键设备，例如，数据中心的服务器或医院的生命维持系统，UPS 可确保在电源切换期间不会中断供电。

2.3 定期检查

高层建筑电气系统管理中，定期检查是确保系统安全和高效运行的关键，只有通过持续的、系统性的检查，才能及时发现和解决潜在问题，从而避免更大的损坏或事故。开关、插座、变压器等都是电气系统的关键部分。通过定期检查，可确保这些设备始终处于良好的工作状态。另外，随着时间的推移，电气设备会出现磨损或老化，例如，开关的触点可能因长时间使用而磨损，插座内部的接触变得不良，定期的检查可及时发现这些问题。

2.4 安装短路和过载保护装置

（1）断路器安装。断路器的主要功能是在检测到短路或过载时迅速切断电源，以防止火灾和其他相关的安全事故。断路器内部通常有一个电磁线圈或双金属片。当流过其的电流超过一定的限值时，会引发机械动作，迅速切断电源。选择断路器时，须考虑其额定电流、断开能力和电压等级，以确保其能在特定的应用场景中有效地工作。

（2）限流器安装。限流器的作用是在毫秒级的时间内限制电流的峰值，以防止对设备造成损害。当电流超过特定阈值时，限流器会增加其电阻，从而限制流过其的电流。在可能发生短路的场景，如大型电动机、变压器或高功率的电子设备中，使用限流器尤为重要。

（3）地漏保护安装。地漏保护设备（也称为残余电流设备或GFCI）是为防止电气触电而设计的。地漏保护设备会持续监测进入和离开设备的电流。如果有电流流向地面，设备会在毫秒内切断电源。这种保护尤其在潮湿的环境中很重要，例如，浴室、厨房或任何与水接触的区域。在这些区域，电气触电的风险显著增加，地漏保护可有效地减少这种风险。

2.5 建立完善的应急预案

（1）应急电源。持续稳定的电源供应至关重要，例如，当主电网中断时，医院、数据中心或其他关键设施需要不间断的电源来维持其基本运行。应急发电机通常使用柴油或天然气作为燃料，能在几秒钟内启动并提供电力。为关键设备配置应急发电机，即使在主电源长时间中断的情况下，关键设备也能继续运行。对于那些需要即时电源并不能等待发电机启动的设备，如某些医疗设备或服务器，非常适用。

（2）故障应对流程。清晰明确的故障应对流程是快速解决电气故障的关键。为每种可能的电气故障制订详细的操作步骤和指南，包括如何判断故障的性质、选择正确的修复方法和预防进一步的损坏，并确保维护人员接受足够专业的培训，熟悉各种可能出现的故障及其应对方法，以能够更快速、更有效地处理问题。

安：这个问题很长，也是一个很复杂但很有价值的问题，值得我用更长的答案来仔细作答。你谈到了一种现象，想要对他们有所分辨，我们首先得区分哪些准则是有艺术价值的，而哪些准则是纯粹的照本宣科、“掉书袋”。我相信演奏莫扎特有许多准则，但我从不相信所谓的“德式准则”，是谁创造了这些准则呢？他们总会提及“正统”，但我们根本就没人知道莫扎特是如何弹琴的！这样的弹琴方式让我觉得局限、“反艺术”，甚至略显愚蠢。我见过许多秉持如此观点的人，每次我都想问他们，当你们看见其他伟大钢琴家和你们弹得不一样时，你们如何评价？他们全都错了吗？如果所有人弹的都像录音机里批量翻录出来的，那我们这个行业的意义何在？

（3）定期模拟演练。模拟演练是确保预案在实际中得到有效执行的关键。可设定一系列可能的故障情境，如电源中断、设备故障或线路损坏，通过模拟这些情境，可检查应急预案的完整性和有效性。并在模拟演练中，确保不同的部门能够有效地合作。例如，保安部门、电气维护团队和管理团队应协同工作，确保在真实的紧急情况下能够迅速、准确地响应。

通过上述详细的电气安全措施，高层建筑可确保其电气系统的稳定、可靠和安全运行，从而保障建筑内人员的生命财产安全。

3 高层建筑防雷挑战

高层建筑易受外部雷及内部雷击影响，为确保整个建筑工程的稳定性不受影响，人员的生命健康安全能够得到有效保障，需要施工单位依照实际情况进行高层建筑防雷措施的设计，以确保后续工作能够顺利开展。

3.1 物理现象

雷云底部积累的电荷会产生一个下向的电场，使地面产生相反的感应电荷。高层建筑，特别是金属结构，因其高度和导电性，为雷电提供了一个优势的放电路径。在雷电放电过程中，高层建筑起到突变体的作用，即像一个尖锐的物体“吸引”雷电，使得其附近的空气更容易被击穿。

超高层建筑在雷暴期间，特别是在雷暴活跃的地区，几乎每场雷暴都可能受到雷击。频繁的雷击不仅危及建筑结构，还可能影响其中的设备和居住者。

3.2 电场强度

地面与雷云间的电场强度具有一个垂直梯度，即电场强度随高度的增加而增加。高层建筑的高度使其更易受到较高电场强度的影响。当电场强度超过一定阈值时，空气开始导电，进而引发雷电放电。高层建筑顶部的电场强度，由于其与雷云的距离更近，更易超过这一阈值。高层建筑的形状和材料可进一步增强顶部的电场强度。例如，建筑上的尖锐物体或金属装饰会在其尖端集中电荷，从而显著增强局部电场强度。

3.3 电子设备增多

（2）雷电带来的干扰和损害。①电磁脉冲（EMP）。雷电产生的EMP 可轻易穿透建筑物，对内部的电子设备造成干扰或损害。这种脉冲可使电子设备的电路短路或永久损坏。②电压浪涌。雷击可直接或间接导致电力线路中的电压浪涌，进而破坏连接到这些线路上的设备。③感应电流。雷电活动可在建筑的电缆和金属结构上感应出电流，这些电流可能会流入连接的电子设备，导致其损坏。

（3）设备敏感性的增加。现代电子设备趋向于微型化和高度集成，其更为敏感，对外部干扰的容忍度更低。尤其是通信和计算设备，工作在高频率下，对电磁干扰特别敏感。除物理损坏，雷电干扰还可能导致数据丢失、软件故障或系统崩溃，这对于数据中心或存储重要数据的设备来说具有较大影响。

4 民用高层建筑防雷措施的深入探讨

4.1 合理设计防雷系统

高层建筑，由于其高度和结构，更易受雷击，因此，设计专门的防雷系统对于保护建筑和其中的设备和人员至关重要。

（1）接闪器通常位于建筑的最高点，其的设计和放置应确保其是建筑中最容易被雷击的部分，从而引导雷电沿预定的路径流动。

（2）下导线是从接闪器引出的导线，用于将雷电从建筑的顶部导向地面，应均匀分布在建筑物的周围，确保雷电可快速、有效地被引导到地面。

（3）接地装置是防雷系统的终点，可确保雷电安全流入地面而不会对建筑或其内部的设备造成损害。接地装置的设计应考虑土壤的导电性和湿度，以确保雷电能够迅速流入地面。

4.2 安装浪涌保护器

雷击可能导致电气系统中的瞬时电压增加，形成的电压浪涌，对电子设备造成严重损害。浪涌保护器可检测到电压的突然增加，并在几毫秒内切断电源或将过高的电压引导到地面，从而保护连接的设备。对于关键的电子设备，如计算机、通信设备或医疗设备，使用浪涌保护器至关重要，不仅可防止设备受损，还可避免数据丢失或其他与设备故障相关的问题。

4.3 定期检测

与电气系统类似，防雷系统也需要定期检查，以确保其始终处于良好的工作状态，具体如下。

（1）性能测试。使用专门的设备测试防雷系统的整体性能，包括接闪器、下导线和接地装置，可确保系统的各部分都能有效地起到其应有的作用。

（2）物理检查。对系统的各部分进行物理检查，确保没有损坏、腐蚀或其他可能影响其性能的问题。

总之，高层建筑的防雷措施是确保建筑、其中的设备和居住者安全的关键部分。通过结合技术先进的系统和定期的检查，可最大限度地减少雷击带来的风险。

5 结束语

为民用高层建筑提供电气安全和防雷保护是一个综合性的任务，需要工程师、维护人员和管理者的紧密合作。只有通过合作，才能确保建筑和其中的人员得到最大程度的保护。而随着技术的进步，未来的高层建筑将会更加安全、智能和高效。