文丨王鳳來 張利華
國際慣例高度150米以上的建筑為超高層建筑,俗稱摩天大樓。超高層建筑的雷電防護(hù)有其特殊性,第一遭受直接雷擊的概率大大增高,第二對其周邊建筑物遭受雷電侵襲的概率大大增高,第三其遭受云間閃所產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖侵襲的概率大大增高。
超高層建筑的雷電防護(hù)應(yīng)按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》作好直接雷擊防護(hù)的設(shè)計(jì)、施工,即接(接閃帶、網(wǎng))、泄流(引下線)、接地、防側(cè)擊雷。筆者認(rèn)為針對其特殊性應(yīng)作好防雷擊電磁脈沖及建筑內(nèi)的人身安全!
超高層建筑高聳入云,受到云地閃 、云間閃雷電襲擊的概率比一般建筑物要大大升高。針對超高建筑,我們先著重研究云間閃的雷電侵襲。雷雨云云底高度400-1000米,云間閃產(chǎn)生的強(qiáng)雷擊電磁脈沖就會(huì)對建筑物內(nèi)的電子設(shè)備遭成損壞、損毀。
雷暴天氣云間閃與云地閃之比為9:4,云間閃中和電荷量5-30庫倫,我們且以中和電荷量15 庫倫計(jì)算,相當(dāng)于Iimp30kA(10/350μS雷電波)的沖擊電流,依據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343-2012,可按 120kA(8/20μS 雷電波)計(jì)算電磁輻射。
據(jù)美國研究報(bào)告(AD-722675)指出:當(dāng)雷電活動(dòng)時(shí),電磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到0.07Gs時(shí),無屏蔽的計(jì)算機(jī)發(fā)生誤動(dòng)作,當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度超過2.4Gs時(shí),計(jì)算機(jī)將會(huì)發(fā)生永久性損壞。
設(shè)云閃雷電發(fā)生在距超高建筑物100 m處,雷電流強(qiáng)度120KA 。依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010 第 6.3.2 條第1款計(jì)算,超高建筑物100米以上房間內(nèi)電子設(shè)備如果未作好電磁屏蔽就可造成永久性損壞。
盡管超高建筑多采用鋼管混凝土框架、鋼板剪力墻,但其玻璃窗的空洞效應(yīng)必須作好電磁屏蔽。建議采用絲網(wǎng)夾芯型電磁屏蔽玻璃,以獲得較好的屏蔽效果。超高建筑內(nèi)部所有電源線、信號(hào)線均應(yīng)穿鐵質(zhì)金屬管或金屬線槽敷設(shè)。室內(nèi)電氣和電子設(shè)備均應(yīng)設(shè)置在距外墻及結(jié)構(gòu)柱不小于1-1.5米處。
超高建筑多采用鋼管混凝土框架,主結(jié)構(gòu)柱作為防雷引下線,必須考慮鋼管寄生電感的影響。
鋼管寄生電感按下式進(jìn)行計(jì)算:
μ0-真空磁導(dǎo)率;μ-導(dǎo)體材料磁導(dǎo)率。λ取值見曲線圖
通過計(jì)算表明,當(dāng)其接閃的雷電流150kA時(shí),外墻結(jié)構(gòu)柱電壓非常高,因此,30米以上應(yīng)在外墻結(jié)構(gòu)柱設(shè)警示標(biāo)示,雷雨時(shí)人員距外墻 1.5 米以外,以保障人身安全。
自2000年10月1日實(shí)施《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94(2000年版),增加第6章防雷擊電磁脈沖、2011年10月1日實(shí)施 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010、2004年6月1日實(shí)施《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343-2004、2012年12月1日實(shí)施《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343-2012,上述國家防雷標(biāo)準(zhǔn)均對低壓配電系統(tǒng)防雷保護(hù)的設(shè)計(jì)、施工作了規(guī)定。依筆者多年從事防雷設(shè)計(jì)、施工、防雷檢測、雷電災(zāi)害調(diào)查、電涌保護(hù)器測試之實(shí)踐,低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝的電涌保護(hù)器能否起到防雷保護(hù)作用,除按規(guī)范作好能量配合外,其接地導(dǎo)體寄生電感的影響是必須考慮的重要因素。
低壓配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器的技術(shù)參數(shù)Up是在其無感接地條件下測試的結(jié)果。為驗(yàn)證電涌保護(hù)器接地引線寄生電感對其能否起到防雷作用的影響。2019年7月11日在北京雷電防護(hù)裝置測試中心作試驗(yàn),如以下測試結(jié)果:
依據(jù)(建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護(hù); 電子工業(yè)出版社2000年6月第一版 張小青編著)計(jì)算長1 米、16mm2 多股塑銅線寄生電感量:
式中:L0---寄生電感(μH);H和r---分別為導(dǎo)體的長度和半徑(cm);
通過公式計(jì)算表明,電涌保護(hù)器接地線的長短對能否起到防雷保護(hù)作用影響極大,5kA雷電流無感接地 Ures=1.12kV,2米截面積 16mm2銅導(dǎo)線接地 Ures=1.88kV,如果被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊額定電壓 Uw=1.5kV,則該設(shè)備會(huì)遭雷擊而損壞。
《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343-2012第6.5.1條第1款“電源線路的各級浪涌保護(hù)器應(yīng)分別安裝在線路進(jìn)入建筑物的入口、防雷區(qū)的界面和靠近被保護(hù)設(shè)備處。各級浪涌保護(hù)器連接導(dǎo)線應(yīng)短直,其長度不宜超過0.5m,并固定牢靠。浪涌保護(hù)器各接線端應(yīng)在本級開關(guān)、熔斷器的下樁頭分別與配電箱內(nèi)線路的同名端相線連接,浪涌保護(hù)器的接地端應(yīng)以最短距離與所處防雷區(qū)的等電位接地端子板連接。配電箱的保護(hù)接地線(PE)應(yīng)與等電位接地端子板直接連接;”該規(guī)定考慮到了接地線的寄生電感影響問題(規(guī)范只是表述各級浪涌保護(hù)器連接導(dǎo)線應(yīng)短直,其長度不宜超過0.5m。實(shí)際工程中配電箱接地排到總等電位接地端距離將大于兩米,甚至更大?。?,但是低壓配電施工規(guī)范要求配電箱按裝箱底距地面1.5米,電涌保護(hù)器安裝位置距地面可達(dá)1.8米左右,即使是2米左右的接地線也會(huì)對其防護(hù)作用產(chǎn)生影響。因此,筆者建議對于Ⅱ級、Ⅲ級分配電箱應(yīng)從建筑總MEB就近引40X4mm 矩形導(dǎo)體(扁鋼或扁銅)接入配電箱 與 PE 排作等電位連接,并作為箱中電涌保護(hù)器接地,以盡量減小寄生電感的影響。
針對超高層建筑接地引下線過長,前述鋼管混凝土結(jié)構(gòu)柱,鋼管每米寄生電感以3.485(μH)估算(鋼管內(nèi)外徑不同,寄生電感值略有不同),則必須考慮其對防雷擊電磁脈沖的影響。因此,構(gòu)建MEB時(shí)(目前尚無超高層建筑防雷設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)),應(yīng)有別于住建部的建筑物《等電位聯(lián)結(jié)安裝》02D501-2相關(guān)規(guī)定(等電位環(huán)形導(dǎo)體用40X4mm 扁鋼,其1米寄生電感為0.865μH)。筆者建議總等電位環(huán)型導(dǎo)體選用120X4.5mm 扁鋼帶或扁銅帶(其1米寄生電感為 0.66μH),連接盡量多根結(jié)構(gòu)柱(等電位環(huán)形導(dǎo)體與結(jié)構(gòu)柱連接導(dǎo)體也選用120X4.5mm扁鋼帶) ,使接地引下線寄生電感減小到可忽略的量級。超高層建筑防雷接地引下線寄生電感問題應(yīng)引起建設(shè)投資方、設(shè)計(jì)方的高度重視!。