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現代建筑防雷體系探討
文檔作者:
呂俊霞
文檔來源:
河南工業(yè)職業(yè)技術學院
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更新時間:
2021年11月04日
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住宅建筑的防雷檢測
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© ·防雷技術· 呂俊霞(19 63 —) , 女, 講師, 從事電工電子 教學工作。 現代建筑防雷體系探討 呂俊霞 (河南工業(yè)職業(yè)技術學院機電工程系, 河南南陽 473009) 摘 要: 為了避免雷電給人們生命財產造成極大損失,對現代建筑防雷體系進行 了深入的探討研究。介紹了現代防雷技術的特點、防雷分區(qū)、現代防雷體系組成、 防雷技術水平等。最后指出,要將現代的被動式防雷技術措施變成主動,在高空 區(qū)域消滅雷害之源。 關鍵詞: 現代建筑; 雷電; 過電壓; 防雷體系; 防雷區(qū); 雷電電磁脈沖 中圖分類號: TU 856 文獻標志碼: A 文章編號: 167428417 ( 2010) 0520045204 0 引 言 隨著科學技術的迅速發(fā)展,人類經過長期的 探索與實踐,已經積累了許多防雷知識,形成了 一系列行之有效的防雷方法,逐步建立起現代防 雷體系。 所謂現代防雷體系,就是在分析雷害成因的 基礎上,劃分不同層次的防雷區(qū)域, 采用不同的 防雷措施,全方位、多層次地裝設保護裝置,這樣 可在很大程度上提高整體防雷的可靠性。 現代防雷體系是一項重大的系統(tǒng)工程,它正 面臨著概念上和方法上的轉變。常規(guī)的避雷針 和避雷線主要是一維空間防御;避雷帶和避雷網 是二維空間防御;現代防雷體系則是三維立體空 間防御。 在現代防雷體系中,防御的界限大大延伸 了,因為閃電和雷電電磁脈沖(L ightning Electro2 Magnetic Pulse, LEMP)是發(fā)生在整個空間范圍內 的,從大氣對流層直接到大地表層以下,全面危 及人類的生命和財產安全。上自航空航天飛行 器,下至地下的電纜、光纜、油管、氣管、礦井等, 無不受其侵襲,因此,應把防雷的界限延伸至更 廣闊的范圍。把需要保護的空間劃分成不同的 防雷區(qū),層層設防,既經濟省事,又安全可靠。 1 現代防雷技術的特點 在現代防雷技術理論中, 閃電是電流源,防 雷的基本途徑就是要提供雷電流(包括雷電電磁 脈沖輻射) 對地泄放的合理阻抗途徑。簡言之, 就是要控制雷電能量的泄放與轉換。 德國專家希曼斯基在《過電壓保護理論與實 踐中》提出了現代防雷保護的3道防線: (1) 外部保護:將絕大部分雷電流直接引入 大地泄散。 (2) 內部保護:防止沿電源線或數據線、信 號線侵入的雷電波危害設備。 (3) 過電壓保護:限制被保護設備上的雷電 流過電壓幅值。 這3道防線互相配合,各盡其職,缺一不可。 雷電的防護可分為兩方面,即直擊雷的防護和雷 電感應的防護。 1. 1 直擊雷的防護 直擊雷防護的主要設計依據為IEC 131221~ 3《雷電電磁脈沖的防護》、GB 50174—1993《電子 計算機機房設計規(guī)范》、GB 7450—1987《電子設 備雷擊保護導則》、GB 50057—1994《建筑物防雷 設計規(guī)范》等標準。目前,防直擊雷都采用避雷 針、避雷帶、避雷線、避雷網作為接閃器,然后通 ·45· © ·防雷技術· 過良好的接地裝置迅速、安全地把它送回大地。 1. 2 雷電感應的防護 雷電感應的防護是指從整體和系統(tǒng)上建立 起三維防護體系,主要應在被保護設備構成的系 統(tǒng)中采取以下措施。 ( 1) 電源防雷。配電系統(tǒng)電源防雷應視實 際情況確定其防護級別,避雷器采用的是B、C、D 三級防雷方式。第一級保護(B級)一般安裝在 建筑物輸入電源總配電室內的進線配電柜上或 樓內單元輸入電源的主配電盤上,主要用于保護 整幢建筑物用電設備或單位的主要用電設備。 第二級保護( C級)主要安裝在設備配電柜上。 第三級保護(D級)主要安裝在各個用電設備的 電源端,用于保護最終的用電設備。 ( 2) 信號系統(tǒng)防雷。與電源防雷一樣,信號 系統(tǒng)的防雷主要采用信號避雷器。目前,數據網 絡常采用的方式有電話線、專線、X. 25、DDN和 幀中繼等,通信網絡設備主要采用調制解調器、 路由器和遠程中斷控制器等。通常根據通信線 路的類型、通信頻帶、線路電平等選擇通信避雷 器,將通信避雷器串聯或并聯于通信線路上。 (3) 等電位聯結。等電位聯結是將正常不 帶電(或不傳輸信息)的、未接地或未良好接地的 設備金屬外殼、電纜的金屬外皮、建筑物的金屬 構架、金屬管線的橋架與接地系統(tǒng)作電氣聯結, 防止在這些物件上由于感應雷高電壓或接地裝 置上雷電入地高電位的傳遞造成對設備內部絕 緣、電纜芯線的反擊。等電位聯結的目的是減少 需要防雷的空間內金屬部件和各系統(tǒng)之間的電 位差,防止雷電反擊。 (4) 金屬屏蔽及重復接地。在做好以上措 施的基礎上,還應采用有效的屏蔽、重復接地等 方法,避免架空導線直接進入建筑物內配電系統(tǒng) 和信號系統(tǒng),盡可能采用埋地電纜引入,并用金 屬導管屏蔽。屏蔽金屬管在進入建筑物或機房 前重復接地,最大限度地衰減,從各種線纜上引 入雷電高電壓。 圖1 建筑物防雷區(qū)域劃分示意圖 2 防雷分區(qū) 根據GB 50057—1994 和IEC 6131221,應將 建筑物需要進行保護的空間劃分為不同的防雷 區(qū),以區(qū)分各部分LEMP的嚴重程度和相應的防 護對策。從電磁兼容( EMC)的觀點來看,由外到 內可分為LPZ0A區(qū)、LPZ0B區(qū)、LPZ1區(qū)、LPZn +1 區(qū)( = , , 3?)幾級保護區(qū)。各區(qū)以其交界處 · 6· n 1 2 4 © ·防雷技術· 的電磁環(huán)境有明顯改變作為劃分不同防雷區(qū)的 特征。 通常,防雷區(qū)的級數越高,電磁環(huán)境參數就 越好。規(guī)定的各防雷區(qū),除了LPZ0A與LPZ0B 區(qū)之間無界面外,其余各防雷區(qū)之間均有明確分 割的交界面。在兩個防雷區(qū)的交界面附近,應將 所有穿過交界面的金屬物體、電纜屏蔽層、金屬 管道作等電位聯結。等電位聯結的目的在于減 小防雷保護區(qū)內各金屬物與各系統(tǒng)之間的電位 差。 3 現代防雷體系的組成 現代防雷體系從大地及其外圍空間來說,可 劃分為3 個防雷層次,即高空防雷區(qū)、低空防雷 區(qū)和地下防雷區(qū)。這3個防雷區(qū)域各有一定的 獨立性,相互又有一定的關系,可以說3個防雷 區(qū)域是3個子防雷體系,由3個子防雷體系組成 總防雷體系。 3. 1 高空防雷區(qū) 高空防雷區(qū)位于大氣對流層,在地面以上約 2~14 km。在雷雨季節(jié),該區(qū)域經常有大量雷云 生成, 容易發(fā)生云閃和直接雷擊, 同時形成 LEMP,對現代宇宙火箭、飛行器和航空、航天飛 機等造成了巨大的破壞。 該區(qū)內各物體都可能遭到直接雷擊,且電磁 場強度沒有衰減,因此按IEC 6131221 的標準來 區(qū)分,應屬于LPZ0A區(qū)。 3. 2 低空防雷區(qū) 低空防雷區(qū)是地面上空的防雷區(qū)域,高度范 圍約為0~1 km。在該區(qū)域內,雷擊的主要形式 是直擊雷和LEMP,它給地面生物、建筑物、電力 設備和信息系統(tǒng)等帶來了巨大危害。由于該區(qū) 域是人類的主要生活空間,所以防雷特別重要。 除了常規(guī)的防避直擊雷的接閃裝置外,為了防避 直擊雷電磁脈沖對現代電子信息系統(tǒng)的侵襲,必 須采取一些新的綜合防護措施,如限壓型和開關 型SPD,整體的與局部的電磁屏蔽裝置, 聯合接 地與等電位聯結裝置等。在該區(qū)域內,又以建筑 物為主題劃分為不同層次的防雷區(qū)。 3. 3 地下防雷區(qū) 地下防雷區(qū)是指在地面以下的防雷區(qū)域。 有人認為地下的設施就不會遭受雷擊,事實卻相 反。如埋在地下的電纜與光纜就時常會遭受雷 擊,地下隧道、地鐵和地下礦井作業(yè)也多次發(fā)生 雷害事故。 電纜與光纜的防雷措施基本相同,主要有兩 種方法。一種方法是采用避雷線(也稱為排流 線) ,即在地下電纜(或光纜)的上方敷設1條或 2條與電纜(或光纜)平行的金屬線。當有雷電 流到來時,電流將大部分從排流線流走,從而保 護了下部的線纜。避雷線也可安裝在地面上方, 與地下線纜平行,避雷效果更好,施工也方便。 另一種方法是在線纜外加裝金屬管,也能達到可 靠的保護效果。 4 現代防雷體系特點 根據上述分析,現代防雷體系的主要特點可 歸納如下: (1) 現代防雷體系的范圍包括高空防雷區(qū)、 低空防雷區(qū)和地下防雷區(qū)3個層次。這3個層 次的防雷效果是互相聯系、互相影響的。 (2) 現代防雷體系中要考慮的雷擊形式,除 直擊雷外,還有L EMP、雷電波侵入和高電壓放電 等。 (3) 現代防雷體系的各種技術措施都不是 孤立的,而是互相聯系、互相影響的。如建筑物 防直擊雷安裝避雷針與室內電子設備防LEMP 安裝SPD,兩者是互相聯系的,在總體防雷效果 上是互補的。建筑物各防雷區(qū)SPD的防電涌效 果與接地和等電位聯結關系又是密切的。 (4) 現代防雷技術是多種科學知識的結晶。 它應用到的技術和基礎理論包括線性與非線性 電路理論、電磁場理論、氣體放電理論、高頻傳輸 線理論、計算機網絡技術、現代通信技術、固體及 氣體微電子技術、高電壓技術、模擬及數字電子 技術、新材料技術等。 (5) 現代防雷體系是一項重大的系統(tǒng)工程, 從雷電防護專業(yè)性質來分,主要包括3 個子系 統(tǒng):直擊雷防御系統(tǒng)、雷擊電磁脈沖防御系統(tǒng)、雷 電探測及預警系統(tǒng)。 5 防雷技術水平的提高 目前,提高防雷技術需從兩個方面開展工 作①不斷探討和完善現代防雷理論; ②開發(fā)和 · · : 47 © ·防雷技術· 研制新一代的防雷產品?,F代避雷器應同時具 有以下技術性能。 ( 1) 具有完全的防雷功能,即雷電陡波和雷 電幅值同樣具有限壓保護作用。 ( 2) 其防雷保護作用不會造成網絡接地故 障或線間短路故障,是保證網絡正常、安全運行 的重要要求。 ( 3) 動作特性應具有長期運行穩(wěn)定性,避免 受暫態(tài)過電壓危害。 ( 4) 具有連續(xù)雷電沖擊保護能力。 ( 5) 具有較小的外形尺寸,更便于安裝。 ( 6) 具有較高的技術性能指標和低損耗。 ( 7) 具有5~10 a的使用壽命。 在國民經濟的許多重要領域(如郵電、廣電、 金融、電力、公路等) ,防雷已是熱門話題。這是 因為電子信息設備的廣泛應用引發(fā)了對傳統(tǒng)防 雷技術的創(chuàng)新和發(fā)展,因此應推動各種防雷新產 品的開發(fā)和研制,使現代防雷技術不斷地創(chuàng)新和 完善。對于電子信息系統(tǒng)總的防雷原則如下: ( 1) 將絕大部分雷電流通過接閃器直接接 閃引入地下泄散(外部保護) 。 ( 2) 阻塞沿電源線或數據信號線引入的雷 電過電壓波(外部保護及過電壓保護) 。 ( 3) 限制被保護設備上的浪涌過電壓幅值。 為了消除雷電引起的毀滅性電位差,在一個 完整的防雷系統(tǒng)中必須實施等電位聯結。目的 是減小需要防雷的空間各金屬部件和各系統(tǒng)之 間的電位差。電源線、信號線要通過過電壓保護 器進行等電位聯結, 金屬管道、設備機殼、電源 線、信號線的屏蔽體都要實現等電位聯結,建筑 物各個內層保護區(qū)的界面處同樣要進行局部等 電位聯結,各個局部等電位采用等電位聯結棒相 互聯結,并最后與主電位母線聯結為一體。電位 均衡聯結就是使導體良好地導電性聯結,使它們 達到電位相等,為雷電流提供低阻抗的通道,使 它迅速泄散入地。 6 結 語 從防護效果方面來看,現代防雷技術是成功 的、可靠的,對保護人民生命財產安全和信息系 統(tǒng)的正常運行起到了很大的作用,但是還不能做 到絕對可靠。其主要原因在于現代防雷技術措 施是被動式的。要變被動為主動,必須從根本上 控制雷電的形成和發(fā)展,即在高空區(qū)域就把雷害 之源消除掉。這一方面依賴于新型消雷技術的 發(fā)展,另一方面依賴于高性能雷電探測和預警系 統(tǒng)的建立。 [ 1 ] 周志敏,周紀海,紀愛華. 電氣電子系統(tǒng)防雷接地 實用技術[M ]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2005. [ 2 ] 楊金夕. 防雷、接地及電氣安全技術[M ]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004. [ 3 ] 王時煦. 建筑物防雷設計[M ]. 北京: 中國建筑工 業(yè)出版社, 1985. [ 4 ] 芮靜康. 建筑物防雷與電氣安全技術[M ]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2003. [ 5 ] 浙江神龍電器有限公司. 防雷常識[G ]. 2007. 收稿日期: 2009 - 10 - 09 D iscussion about L igh tn ing Protect ion System in M odern Bu ild ing LV J un xia (Henan Poly2technical Institute, Nanyang 473009, China) Abstra c t: Modern lightning protection system wa s deeply disscussed and re sea rched to avoid great loss of people’s life and p rope rty caused by lightning. The charac teristic s of mode rn lightning protection technology, lightning protec tion zoning, composition ofmodern lightning protection system, lightning p rotec tion leve l were introduced. A t last, it was pointed out tha t it should change the pa ssive lightning p rotec tion technology into the active one and elim inate the source of lightning in the air. K y ; ; 2 ; y ; ; ( L M ) · · e word s: m odern bu ild ing lightn in g over vo lta ge lightn in g pr otec tion s stem l igh tn ing pr otect ion a r ea lightn in g e lectr oma gne tic pulse E P 48
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