徐華偉 李舟鑫 饒仕吉 田人妃 劉 松

1.貴州省貞豐縣氣象局 貴州 貞豐 562200;2.貴州省黔西南州氣象局 貴州 興義 562400

前言

雷電是發(fā)生在大氣中的聲、光、電物理現(xiàn)象,其放電電流可達(dá)數(shù)十千安培,甚至數(shù)百千安培。雷電流具有很高的峰值和波頭上升陡度,放電瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的暫態(tài)脈沖電磁場(chǎng)危害智能化建筑內(nèi)的通信傳輸、樓宇、消防、安保、辦公等智能系統(tǒng),其危害主要分為兩類:直接危害和間接危害。直接危害主要表現(xiàn)為雷擊引起的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和沖擊波效應(yīng);間接危害主要表現(xiàn)為雷電引起的靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、雷電波侵入和暫態(tài)過(guò)電壓。智能化建筑遭受直接雷擊或其附近區(qū)域發(fā)生雷擊時(shí),雷電流產(chǎn)生暫態(tài)脈沖電磁場(chǎng),脈沖電磁場(chǎng)交鏈不同空間的導(dǎo)體回路,并在這些回路中感應(yīng)出過(guò)電壓和過(guò)電流,過(guò)電壓、過(guò)電流和脈沖電磁場(chǎng)將通過(guò)供電線纜、通信線纜、天線、金屬管道和空間輻射等途徑侵入,危害CMOS工藝制造的集成電路及傳輸接口,導(dǎo)致集成電路及設(shè)備接口損壞,威脅智能化建筑設(shè)備的安全運(yùn)行。

1 雷擊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

智能化建筑布置于自然環(huán)境中,雷電對(duì)其危害與雷擊位置關(guān)系密切,雷擊點(diǎn)可能是智能化建筑本身或附近,也可能是供電或通信線纜,統(tǒng)稱為雷擊風(fēng)險(xiǎn)源[1-2],根據(jù)雷擊點(diǎn)位置的不同,考慮下列情形:雷擊智能化建筑時(shí)(S1);雷擊智能化建筑的鄰近區(qū)域時(shí)(S2);雷擊供電及通信設(shè)施時(shí)(S3);雷擊供電及通信設(shè)施的鄰近區(qū)域時(shí)(S4)。由此所產(chǎn)生的損害類型和損失類型將是風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的主要對(duì)象,雷擊智能化建筑導(dǎo)致的損害可能是一部分,也可延伸至整體,甚至是提供服務(wù)的設(shè)施本身(供電及通信)及其電氣和電子系統(tǒng)。損害的基本類型主要是人員的傷害(D1),實(shí)體損害(D2),電氣和電子系統(tǒng)失效(D3),不同損害類型,無(wú)論是單一的或多種損害類型的聯(lián)合,都會(huì)使智能化建筑產(chǎn)生不同的損失后果。依據(jù)智能化建筑本身特征,損失類型主考慮:致人員傷亡(L1),為智能化建筑提供服務(wù)的公共設(shè)施的損失(L2),經(jīng)濟(jì)損失(L3)。相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)為致人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)(R1);為智能化建筑提供服務(wù)的公共設(shè)施損失的風(fēng)險(xiǎn)(R2),經(jīng)濟(jì)損失的風(fēng)險(xiǎn)(R3)。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析的實(shí)際應(yīng)用如表1-1:

表1-1 雷擊風(fēng)險(xiǎn)對(duì)照表

智能化建筑的年雷擊損害次數(shù)(F)作為主要風(fēng)險(xiǎn)因子,由直擊雷擊引起的年損害次數(shù)Fd),間接閃擊導(dǎo)致的年損害次數(shù)(Fi)兩部分組成:

F=Fd+Fi

可能損失的平均數(shù)δ取決于人員數(shù)量及他們停留的時(shí)間長(zhǎng)短,根據(jù)損害類型,δ值可用下列近似公式(1)計(jì)算:

δ=1-(1-t/8760)n(1)

式中:n—危險(xiǎn)地帶的人數(shù)

t—這些人員每年出現(xiàn)于危險(xiǎn)地帶的時(shí)間,單位:小時(shí)

為了確定智能化建筑是否需增加雷電防護(hù),須將F值與智能化建筑所能接受的損害次數(shù)的最大值Fa相比較

Fa=Ra/δ

F≤Fa的條件應(yīng)滿足,可不額外增加雷電的防護(hù)措施,當(dāng)F〉Fa時(shí),需要增加雷電防護(hù)措施具有效率為E的LPS裝置作防直擊雷保護(hù)。

提供LPS保護(hù)并在服務(wù)設(shè)施(供電、通信)上安裝SPD防護(hù),將外來(lái)導(dǎo)電部件作等電位連接,減小服務(wù)設(shè)施的損害概率,從而降低風(fēng)險(xiǎn)分量。

2 數(shù)據(jù)采集

智能化建筑的雷擊風(fēng)險(xiǎn),需要數(shù)據(jù)資料來(lái)分析支撐,智能化建筑的雷擊風(fēng)險(xiǎn)跟建設(shè)地的地理環(huán)境、雷暴日數(shù)、閃電強(qiáng)度、土壤電阻率密切相關(guān),數(shù)據(jù)來(lái)源于建設(shè)地氣象臺(tái)(站)雷暴日數(shù)的地面觀測(cè)資料、雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的大氣電場(chǎng)及閃電資料,智能化建筑建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)文件資料,現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的土壤電阻率數(shù)據(jù)。利用采集數(shù)據(jù)分析建設(shè)地的雷擊大地密度、年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)、雷電流強(qiáng)度及閃電極性、截收雷電的等效面積、接地系統(tǒng)的接地電阻等參數(shù)。

3 雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析

智能化建筑的雷擊風(fēng)險(xiǎn)與年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)、磁場(chǎng)強(qiáng)度、接地電阻相關(guān)。其中年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)主要由建設(shè)地的雷暴日數(shù)和建筑對(duì)雷電的等效截收面積確定,影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的磁場(chǎng)強(qiáng)度由雷電流強(qiáng)度和屏蔽措施確定,接地電阻則由建設(shè)場(chǎng)址的土壤電阻率、接地網(wǎng)面積、接地材料的等效面積等因素確定。

3.1 雷擊損害分析

雷擊損害需對(duì)智能化建筑受雷電的直接閃擊次數(shù)、雷擊附近大地的雷擊次數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算,利用數(shù)據(jù)采集得到的參數(shù)、智能化建筑設(shè)計(jì)參數(shù)分析雷擊損害概率,雷電閃擊次數(shù)與雷擊大地密度(Ng)有關(guān),在沒(méi)有閃電監(jiān)測(cè)資料的情況下,可利用年平均雷暴日數(shù)確定。

Ng=0.04Td1.25(次/km2·年)

雷電有效截收面積定義為與建筑物有相同的年直接雷電閃擊次數(shù)的大地面積

Ae=[ab+6(a+b)h+9πh2]×10-6

依公式(2)估算智能化建筑預(yù)計(jì)遭受直接雷擊年平均次數(shù)

Nd=Ng·Ae(次/年)(2)

直接雷電閃擊的損害次數(shù)是由跨步電壓或接觸電壓而引起的:

Fd=H+A

H是由于接觸電壓及跨步電壓引起的損害次數(shù):H=NdPh

A是由于著火引起的損害次數(shù):A=Nd×Pfd

間接雷電閃擊的損害次數(shù)是由入戶設(shè)施上的過(guò)電壓引發(fā)放電而引起,應(yīng)考慮對(duì)智能化建筑附近大地的閃擊及作用于入戶設(shè)施上的閃擊。

Fi=B+C(B=NnPtP3、C=Pt(NlP3+N2P3))

智能化建筑預(yù)期的年損害次數(shù):

F=Fd+Fi

為了確定智能化建筑是否需加以保護(hù),必須將F值與建筑物所能接受的損害次數(shù)的最大值Fa相比較

Fa=Ra/δ

F≤Fa的條件應(yīng)滿足,否則應(yīng)提供額外的防護(hù)措施。

當(dāng)安裝LPS并在入戶設(shè)施上安裝SPD,將外來(lái)導(dǎo)電部件作等電位連接,以便將P3、P4概率減小;

采取的雷電防護(hù)措施,使損害概率滿足 Fd＜Fa的條件時(shí),智能化建筑獲得防雷電閃擊的保護(hù)。從安全角度考慮,在入戶設(shè)施上安裝浪涌保護(hù)器(SPD)的防護(hù)措施更是需要的。

3.2 磁場(chǎng)與屏蔽分析

智能化建筑受直接雷擊或附近雷擊時(shí),雷電流及感應(yīng)電流經(jīng)各接地引下線泄放,由于雷電有極大的峰值和徒度,在其周圍形成強(qiáng)大的變化的電磁場(chǎng)[3-4],處于變化電磁場(chǎng)中的導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出較大的電壓,該電壓由導(dǎo)線傳導(dǎo)至電氣設(shè)備。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求,機(jī)房?jī)?nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)不大于800A/m。因此,智能化建筑所處環(huán)境的磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)800A/m時(shí),需要采取屏蔽措施,并且在盡可能的條件下,磁場(chǎng)強(qiáng)度越低越好。

3.3 接地分析

接地是指電氣設(shè)施的某些導(dǎo)電部分與大地或范圍比較廣泛能用來(lái)代替大地的等效導(dǎo)體之間的電氣連接。接地的目的是利用地作為傳導(dǎo)電流回路的一個(gè)元件,在事故或遭受雷擊的情況下將電位控制在允許的范圍,以保障人員和設(shè)備安全。無(wú)論是防止擊雷、防感應(yīng)雷,都是利用接地裝置將故障電流或雷電流引入大地泄放[5-6],接地裝置的接地電阻通常由三部分組成:接地體本身的電阻,接地極與土壤接觸部分的接觸電阻,電流經(jīng)接地極流入土壤后呈現(xiàn)的散流電阻,這部分電阻由土壤電阻率決定,與土壤電阻率成反比,同時(shí)受水平接地體的有效長(zhǎng)度限制,由于雷電流在接地中的傳導(dǎo)速度有限,加之雷電流陡度高,高頻分量豐富及接地體自身的分布電感,使雷電流的傳導(dǎo)受阻礙,當(dāng)水平接地體的長(zhǎng)度達(dá)一定數(shù)值時(shí),它的時(shí)間常數(shù)已足夠大,對(duì)雷電流的散流已不起作用,水平接地體的有效長(zhǎng)度起決于土壤電阻率(L=2),接地裝置的接地電阻按等效為半球形接地極法進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)接地電阻不能滿足智能化設(shè)備的接地要求時(shí),應(yīng)采用聯(lián)合接地方式或使用降阻材料降低土壤電阻率,使接地電阻滿足設(shè)備要求。電氣設(shè)備保護(hù)接地及其它電子信息系統(tǒng)接地采用共用接地,一般情況下接地電阻不大于4Ω。

4 分析結(jié)論

依據(jù)智能化建筑相關(guān)建設(shè)資料,并結(jié)合項(xiàng)目場(chǎng)址、地形地貌、環(huán)境等情況,分析了智能化建筑場(chǎng)址及周邊的雷電活動(dòng)特征[7-8],雷電對(duì)智能化建筑可能產(chǎn)生的危害,分析年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)、磁場(chǎng)強(qiáng)度、屏蔽網(wǎng)格、接地電阻、系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)雷擊風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)的分析,對(duì)于所考慮最危險(xiǎn)的情況是與第一類的損害人身傷亡相關(guān)。為了將這類損害的風(fēng)險(xiǎn)減小至一個(gè)可以接受的水平,防雷類別按二類,首次雷擊電流應(yīng)按一類200KA考慮,利用結(jié)構(gòu)鋼筋、基礎(chǔ)鋼筋等自然金屬構(gòu)件組成外部防雷裝置和連接網(wǎng)絡(luò),形成柵格型屏蔽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)屏蔽,以減弱LEMP的干擾。智能化建筑設(shè)備宜設(shè)置在雷擊風(fēng)險(xiǎn)低區(qū)域內(nèi),避開(kāi)強(qiáng)干擾磁場(chǎng),選用有金屬屏蔽層的線纜,將線纜金屬屏蔽層與等電位連接網(wǎng)絡(luò)連接并接地。當(dāng)交流工作接地、直流工作接地、保護(hù)接地、防雷接地等共用接地裝置時(shí),其接地電阻值應(yīng)以設(shè)備要求的接地電阻最小值為基準(zhǔn),各類金屬導(dǎo)體,線纜屏蔽層及金屬線槽(架)等進(jìn)入機(jī)房時(shí),應(yīng)做等電位連接。當(dāng)采用S型結(jié)構(gòu)等電位連接時(shí),只允許單點(diǎn)接地,在磁場(chǎng)干擾強(qiáng)度不大于800A/m的情況下,考慮到智能化建筑設(shè)備的精密性,宜安裝多級(jí)浪涌保護(hù)器(SPD)防止雷擊過(guò)電壓,使雷電流逐級(jí)匯放,過(guò)電壓逐級(jí)鉗位,最終將SPD的殘壓控制在0.65kv的殘壓水平。

雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析是以采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),既包括智能化建筑的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),也包括相當(dāng)數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)勘察數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)聲明的是,考慮到經(jīng)濟(jì)與技術(shù)結(jié)合的最大效益,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了允許雷電閃擊頻率和可接受的最大危險(xiǎn)度,雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析是基于這些規(guī)定得出的,因此,超出規(guī)范規(guī)定值的雷擊損壞是可能存在的。