閆 戰(zhàn) 嶺

(上海金藝檢測(cè)技術(shù)有限公司, 上海 201999)

0 引 言

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展,電子設(shè)備早已進(jìn)入各行各業(yè)。建筑物內(nèi)有復(fù)雜程度不同的微電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng),在現(xiàn)代高度發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下,雷電電磁脈沖干擾成為頻發(fā)事故的主要原因之一[1-3]。

海島港區(qū)位置位于海島工業(yè)環(huán)境下,雷擊造成綜合樓內(nèi)部無(wú)線信號(hào)發(fā)射和接收系統(tǒng)部分裝置損壞,間接損失嚴(yán)重。本文結(jié)合防雷現(xiàn)狀調(diào)查進(jìn)行分析,并提出改進(jìn)措施。

1 綜控樓防雷現(xiàn)狀調(diào)查

該綜控樓地處開(kāi)闊平坦的港區(qū)中心地帶,主樓共5層。綜控樓、1#變電站分布及供電、信號(hào)線路布置示意圖如圖1所示。

防直擊雷:綜控樓已有防直擊雷措施,采用接閃桿作為接閃器保護(hù)的方式,引下線采用的40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼在墻體內(nèi)暗裝引入接地裝置,接地裝置采用獨(dú)立設(shè)置的人工接地體。

防雷電波侵入:供配電系統(tǒng),綜控樓由1#變電站供電,電源線路采用埋地敷設(shè)方式,1#變電站供電給綜控樓總配,由總配分配到各樓層的分配電源柜,再由分配電源柜供給各用電設(shè)備。

信號(hào)傳輸系統(tǒng)主要由兩部分組成,一部分是中控室到1#、2#遠(yuǎn)程控制室之間的信號(hào)傳輸,另一部分是火災(zāi)報(bào)警控制柜、VTS總控柜與導(dǎo)航塔之間的信號(hào)傳輸系統(tǒng)。無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)主要是指對(duì)講信號(hào)控制柜與屋頂天饋線之間的信號(hào)傳輸系統(tǒng)。

屏蔽與接地系統(tǒng):綜控樓接地系統(tǒng)采用獨(dú)立人工接地方式,內(nèi)部各樓層控制室內(nèi)靜電地板、金屬機(jī)架、金屬線槽、主要設(shè)備金屬外殼都沒(méi)有做接地和等電位聯(lián)結(jié)處理。

圖1 綜控樓、1#變電站分布及供電、信號(hào)線路布置示意圖

2 防雷整體改進(jìn)

通過(guò)以上對(duì)港區(qū)綜控樓防雷現(xiàn)狀的調(diào)查和分析,可以發(fā)現(xiàn)存在很多防雷缺陷,必須借助現(xiàn)代綜合防雷技術(shù)系統(tǒng)體系進(jìn)行整體改進(jìn)[4]。

外部防雷裝置:對(duì)綜控樓原有接閃器保護(hù)范圍進(jìn)行驗(yàn)證和計(jì)算,根據(jù)結(jié)果選擇合理的接閃裝置進(jìn)行完善;引下線和接地裝置需根據(jù)接閃裝置的設(shè)置,參照國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行布置,接地裝置的接地電阻需符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

內(nèi)部防雷裝置:根據(jù)綜控樓內(nèi)部防雷系統(tǒng)存在的缺陷,從屏蔽、等電位和防電涌保護(hù)3種防護(hù)方式入手,針對(duì)每個(gè)問(wèn)題分析或計(jì)算,采取相應(yīng)的措施進(jìn)行完善。

3 外部防雷裝置改進(jìn)

3.1 防雷分類

在確定建筑物防雷類別時(shí),需要計(jì)算建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù),這要確定土壤電阻率、當(dāng)?shù)氐睦妆┤?、雷擊方向及危險(xiǎn)區(qū)域的劃定。

建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的確定對(duì)于建筑物防雷分類有著極其重要的意義。

(1) 預(yù)期年平均直擊雷擊次數(shù)為

(1)

(2) 雷擊大地的年平均密度為

(2)

將式(2)代入式(1),得

(3)

(3) 當(dāng)建筑物的高度H<100 m時(shí),其每邊擴(kuò)大寬度為

(4)

建筑物等效面積為

(5)

從上述綜控樓防雷現(xiàn)狀中可知,綜控樓是位于平坦地面上的孤立建筑物,其長(zhǎng)L=25 m,寬W=15 m,高H=18 m,該海島年平均雷暴日Td=31.1次/(km2·a),則代入式(2),可以得到Ng=2.11次/(km2·a)。因此,可得Ae=0.015 325 km2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,參照國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范中相關(guān)內(nèi)容,綜控樓定性為第二類防雷建筑物。

3.2 接閃器的選擇

(6)

將h=34 m、hr=45 m、hx=18 m代入式(6),可得rx=7.6 m。

計(jì)算結(jié)果表明,天線針?biāo)诰C控樓頂?shù)谋Ｗo(hù)范圍僅為7.6 m,達(dá)不到規(guī)范要求,不能完全保護(hù)綜控樓。根據(jù)接閃器的布置和設(shè)計(jì)要求,選擇接閃帶與接閃桿共同對(duì)綜控樓進(jìn)行防護(hù),較為合理,能夠滿足經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用性和可靠性等要求[5-7]。

3.3 引下線改進(jìn)

綜控樓引下線采用暗裝的形式沿墻體與接地裝置相連接,原有一根引下線,由于接閃器保護(hù)范圍不全,增加接閃帶進(jìn)行完善,引下線的改進(jìn)根據(jù)第二類防雷建筑物布置要求,在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加4根引下線,沿墻面明裝引下,確保雷電流分散泄流。

3.4 接地改進(jìn)

綜控樓本身設(shè)計(jì)有一根引下線和一組人工接地體,在每根新增引下線引下位置離開(kāi)建筑物3 m需分別單獨(dú)增設(shè)一組接地體,新增接地體與原接地體用水平接地體相連接圍繞建筑物一圈,將新舊接地體連接形成接地網(wǎng),以達(dá)到最好的接地效果。

綜控樓新增接地連網(wǎng)示意圖如圖2所示。

圖2 綜控樓新增接地連網(wǎng)示意圖

3.5 防直擊雷效果驗(yàn)證

通過(guò)以上外部防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì),可形成綜控樓外部防雷裝置整體效果示意圖,如圖3所示。

圖3 綜控樓外部防雷系統(tǒng)效果示意圖

(1) 接閃器。改變?cè)械膯胃?dú)立接閃針?biāo)Ｗo(hù)的方式,將沒(méi)有完全保護(hù)的部分通過(guò)增設(shè)接閃帶和接閃網(wǎng)格進(jìn)行完善,改造后因?yàn)榻娱W帶和接閃網(wǎng)格的存在,接閃器保護(hù)范圍可覆蓋整個(gè)屋頂及整座建筑物。設(shè)計(jì)后避雷針和避雷帶保護(hù)范圍示意圖如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)后避雷針和避雷帶保護(hù)范圍示意圖

(2) 引下線。根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》,第二類建筑物引下線數(shù)量不得少于2根,且間距不能超過(guò)18 m,綜控樓引下線共設(shè)計(jì)5根,每?jī)筛g距為16 m,符合規(guī)范的要求,能夠起到很好的分流作用,使雷電流及時(shí)分散泄入接地裝置。

(3) 接地裝置。垂直埋設(shè)的接地體使用直徑d為5 cm,長(zhǎng)度l為2.0～2.5 m的鍍鋅鋼管或圓鋼,其每根接地電阻為

單則易折，眾則難摧?？梢哉f(shuō)，楊紅和門診患者服務(wù)團(tuán)隊(duì)銳意進(jìn)取，創(chuàng)新服務(wù)，心往一處想，勁往一處使，以優(yōu)質(zhì)的服務(wù)、規(guī)范的禮儀、專業(yè)的技能,帶給患者安心、放心、優(yōu)質(zhì)、高效、便捷的就診流程，實(shí)現(xiàn)了“群眾滿意、社會(huì)滿意、政府滿意，構(gòu)建和諧醫(yī)患關(guān)系”的目標(biāo)。2017年3月，導(dǎo)診中心被評(píng)為全國(guó)青年文明號(hào)。

(7)

為達(dá)到所要求的接地電阻值,往往需埋設(shè)多根垂直接地體,排列成行或成環(huán)形接地體合成電阻為

(8)

綜控樓在設(shè)計(jì)前只有一組接地體,雖然接地電阻達(dá)到規(guī)范要求,但泄流效果一般,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)新增4組接地體,并將這5組接地體用水平接地裝置進(jìn)行連接形成環(huán)狀接地網(wǎng)。通過(guò)以上計(jì)算,新增每組接地體由3根獨(dú)立接地極組成,每根長(zhǎng)為3 m,直徑為0.025 m,代入式(7),可得R=32.75 Ω。

由于5組接地體共有15根接地極,取ηL=0.9,n=15代入式(8),可得Ro=2.43 Ω。

由以上計(jì)算結(jié)果可知,增加接地裝置后接地電阻值小于4 Ω,符合國(guó)家規(guī)范的要求。

結(jié)合以上效果,可以看出改進(jìn)后的外部防雷系統(tǒng)能夠完全保護(hù)建筑物本體,抵御來(lái)自直擊雷的破壞,引下線和接地裝置可以及時(shí)、最大程度地將雷電流泄放至大地,減少直擊雷擊對(duì)建筑物和內(nèi)部設(shè)備的損害,能夠達(dá)到防御直擊雷的效果。

4 內(nèi)部防雷系統(tǒng)改進(jìn)

4.1 綜控樓等電位措施

(1) 綜控樓進(jìn)出的各類金屬管線必須在進(jìn)入大樓之前進(jìn)行接地和跨接處理。

(2) 在機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置等電位聯(lián)結(jié)排,所有電氣設(shè)備接地、信號(hào)接地作等電位聯(lián)結(jié),所有設(shè)備機(jī)柜外殼、靜電地板支架等金屬物體均與等電位聯(lián)結(jié)排連接而形成M型等電位形式,并作可靠接地。

(3) 屋頂各類金屬物都與接閃帶和接閃網(wǎng)格進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)。

4.2 綜控樓屏蔽設(shè)計(jì)

(1) 將2F海事局VTS控制室內(nèi)敷設(shè)環(huán)形接地,將全部防靜電地板、金屬機(jī)架、金屬線槽、主要設(shè)備金屬外殼與環(huán)形接地作等電位聯(lián)結(jié)。環(huán)形接地體與大樓接地體作重復(fù)連接,形成共用接地系統(tǒng)。

(2) 樓頂單獨(dú)安裝的156 MHz、阻抗50 Ω的通信天線捆扎在接閃帶上是不符合規(guī)范要求的,應(yīng)把其移置到不與接閃帶相連的被保護(hù)地區(qū),并穿鐵管做屏蔽接地處理。

4.3 綜控樓SPD的選型

綜控樓電源系統(tǒng)的SPD選型:

(1) 1F總配電間一路供電安裝1臺(tái)65 kA三相電源電涌保護(hù)器(SPD),作為電源系統(tǒng)第一級(jí)防護(hù)措施。

(2) 2F海事局VTS控制室內(nèi)的電源自動(dòng)切換柜進(jìn)線端安裝1臺(tái)40 kA三相電源SPD,作為電源系統(tǒng)第二級(jí)防護(hù)措施。

(3) 4F中控室內(nèi)的電源柜進(jìn)線端安裝1臺(tái)三相電源SPD,作為電源系統(tǒng)第二級(jí)防護(hù)措施;室內(nèi)UPS輸出分配電箱輸出端安裝1臺(tái)15 kA三相電源SPD,作為電源系統(tǒng)第三級(jí)防護(hù)措施。

綜合樓信號(hào)系統(tǒng)的SPD選型:

(1) 2F海事局VTS控制室內(nèi)無(wú)線對(duì)講通信系統(tǒng)與樓頂單獨(dú)安裝的156 MHz、阻抗50 Ω的通信天線相連,在其進(jìn)線處安裝1臺(tái)天饋線SPD,火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)信號(hào)線與山上導(dǎo)航塔火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)相連,在其進(jìn)線處安裝1臺(tái)接線式信號(hào)SPD,作為信號(hào)系統(tǒng)防護(hù)措施。

(2) 4F調(diào)度室內(nèi)有無(wú)線對(duì)講通信系統(tǒng)與樓頂通信塔上2根156 MHz、阻抗50 Ω的無(wú)線通信天線相連,在其進(jìn)線處各安裝1臺(tái)天饋線SPD(共2臺(tái)),作為信號(hào)系統(tǒng)防護(hù)措施。

4.4 效果與評(píng)價(jià)

通過(guò)以上的改進(jìn)措施,可對(duì)三部分效果一一做出評(píng)價(jià)。

綜控樓控制機(jī)房?jī)?nèi)部設(shè)立M型等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò),將機(jī)房?jī)?nèi)電氣和電子設(shè)備的金屬外殼、機(jī)柜、機(jī)架、金屬管、槽、屏蔽線纜外層、信息設(shè)備防靜電接地、安全保護(hù)接地、SPD接地端等均應(yīng)以最短的距離與等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)的接地端子連接。并在直接雷非防護(hù)區(qū)(LPZ0A)或直擊雷防護(hù)區(qū)(LPZ0B)區(qū)與第一防護(hù)區(qū)LPZ1區(qū)交界處將屋頂金屬物和進(jìn)出大樓的各種金屬管線進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)并做接地處理,這些都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)等電位聯(lián)結(jié)的要求。

外部防雷系統(tǒng)形成第一道空間屏蔽的防線,再將2F海事局VTS控制室內(nèi)所有金屬物作等電位聯(lián)結(jié),形成籠式屏蔽的效果,在空間上已經(jīng)滿足國(guó)標(biāo)要求。在線路上電源線是埋地引入,并且自帶屏蔽層接地,不做處理。信號(hào)線路上主要對(duì)進(jìn)出屋頂?shù)?條天線信號(hào)傳輸線路做了屏蔽處理,也已符合規(guī)范的要求。

在電源部分,規(guī)范要求根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的抗擾度和雷電防護(hù)分級(jí)確定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況把綜控樓內(nèi)部分為三級(jí)進(jìn)行防護(hù),逐級(jí)減弱雷電流的強(qiáng)度,以防止雷電流從電源線路上侵入設(shè)備,截?cái)鄠鬏斖緩?保護(hù)用電設(shè)備。信號(hào)部分又分為信號(hào)傳輸部分和天饋信號(hào)部分,在信號(hào)傳輸部分中將進(jìn)、出建筑物的信號(hào)線纜選用金屬管屏蔽,并埋地敷設(shè),在直擊雷非防護(hù)區(qū)(LPZ0A)或直擊雷防護(hù)區(qū)(LPZ0B)與第一防護(hù)區(qū)(LPZ1)交界處,線纜金屬屏蔽層也做等電位聯(lián)結(jié)并接地。在信號(hào)線路SPD的選擇上,根據(jù)線路的工作頻率、傳輸介質(zhì)、傳輸速率、傳輸帶寬、工作電壓、接口型式、特性阻抗等參數(shù),選用電壓駐波比和插入損耗小的適配SPD。天饋線路上同樣根據(jù)線路的工作頻率、傳輸介質(zhì)、傳輸速率、傳輸帶寬、工作電壓、接口型式、特性阻抗等參數(shù),選用電壓駐波比和插入損耗小的適配SPD,并安裝在收、通信設(shè)備的射頻出、入端口處。以上內(nèi)容都符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的內(nèi)容。

經(jīng)過(guò)等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽接地及安裝SPD三項(xiàng)措施,可以大大減少側(cè)擊雷和感應(yīng)雷對(duì)綜控樓內(nèi)設(shè)備的影響,可基本消除雷電對(duì)設(shè)備的損壞。

5 結(jié) 語(yǔ)

港區(qū)綜控樓建在港區(qū)高地或開(kāi)闊地,加上天線塔的高度,在這種地形環(huán)境下遭雷擊的概率非常高,一旦遭受雷擊,系統(tǒng)癱瘓所造成的間接損失巨大。綜控樓所處的環(huán)境及工作的特殊性,決定其必須有一套全面、完善的雷電防護(hù)措施。本文通過(guò)對(duì)綜控樓雷電防護(hù)系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析,借助綜合防雷技術(shù)改進(jìn)措施使建筑物內(nèi)、外部防雷系統(tǒng)的防雷能力得到大幅提升,經(jīng)過(guò)效果驗(yàn)證將大幅減少雷擊造成的損失。