高层建筑的防雷和接地设计

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摘 要本文以某提升机井塔的防雷和接地设计实践为例,讨论了高层建筑防雷和接地设计的若干注意事项.

关 键 词高层建筑;防雷等级;接地;土壤电阻率;共用接地系统

中图分类号TU97文献标识码A文章编号1674-6708(2013)90-0063-02

随着社会的发展,高层建筑内的电子设备越来越多,对防雷和接地的要求也越来越高.如何才能切实做好高层建筑的防雷和接地设计,本文通过提升机井塔这一典型工业高层建筑的设计实践.

1高层建筑的防雷设计

1.1防雷等级计算

确定一个高层建筑物的防雷等级,需要参考当地的年雷击次数和建筑物受到雷击后的风险评估等重要数据.但在实际设计中,设计人员由于怕麻烦而疏于计算,只简单地按建筑物的重要性或建筑物的高度进行选择,这样就容易将防雷等级提升或降低,造成不合理的设计和不必要的浪费.

举例说明:本人设计的某提升机井塔,长L等于19m,宽W等于19m,高W等于90米,当地的年平均雷暴日天数Td等于8.00天/年,校正系数k等于2.00.

则年预计雷击次数按下列公式计算:

N等于k*Ng*Ae等于2.00*0.35828*0.04000等于0.02866

其中:

建筑物的雷击大地的年平均密度:

Ng等于0.024*(Td^1.3)等于0.024*8.00^1.3等于0.35828

等效面积Ae为:

由于H<100M,

Ae等于[L*W+2(L+W)*SQRT(H*(200-H))+3.1415926*H(200-H)]*10-6等于0.04000

虽然该建筑物年预计雷击次数N达不到三类防雷标准,考虑到提升机井塔含有大量重要电子设备,根据国标GB50057-94(2000年版)将其划入第三类防雷保护建筑.

假如取年平均雷暴日天数Td为全国最高雷暴日数(120.8),继续用上述公式进行验算时,其防雷等级则必须划为第一类防雷保护建筑.由此可见,防雷等级计算的重要性.

1.2接闪器的设计

装设在井塔的接闪器多采用网、带等屏蔽型直击雷保护,如在井塔屋顶外沿和突出部位等易受雷击处设置明装避雷带,组成小于等于20m×20m的人工避雷网;将屋面结构钢筋与外部避雷网焊接相连,作为屏蔽和后备接闪器用.

避雷针则少用、慎用,如果一定要用时也只用短针、多针保护,以减少保护半径,降低雷击概率.因此,突出屋面的非金属物如航空障碍灯等,通过安装短避雷针进行保护,并将短针与屋面防雷装置连接成一体;突出屋面的金属架等金属物,其保护是将其金属外壳与避雷带就近进行可靠的电气连接.

1.3避雷针的选择和防雷保护区域的计算

虽然装设在井塔屋面四周的避雷带和避雷网可以保护建筑物,但它们仍无法保护高出屋面5m的其它非金属物体,故需装设一支或若干支短避雷针.

下面以一支避雷针选择为例,用滚球法计算该避雷针的高度时,避雷针长度h按下列公式选择计算:

式中:rx-避雷针在hx高度xx'的平面上的保护半径(m);

hr-滚球半径;

hx-被保护物的高度(m);

h-避雷针的高度(m);

r0-避雷针在地面上的保护半径(m);

防雷规范[1]特别说明以大地为“地面”,也可以是位于建筑物上的接地金属物或其它接闪器.因该建筑物屋面装设了与地导通的避雷网,计算时则可将屋面做为参照“地面”.

取rx等于/2等于13.43m,hr等于60m,hx等于5m,计算得出:h等于107m或13m.故只须使用一支高度为13m的避雷针就能保护到高出屋面5m的所有非金属物体.

提升机井塔的屋顶又有突出房屋(如图2),在屋顶B和房屋A上均装设避雷带和避雷网,这两处接闪器在断面上的防雷保护范围,则可按如下方法确定.

1)以A、B为圆心,hr为半径作弧线相交于O点;

2)以O为圆心、hr为半径作弧线AB,弧线AB就是保护范围的上边线,位于弧线AB下的物体均在保护范围内.

1.4防侧击雷的设计

当建筑物高度超过其滚球半径hr时,建筑物超出hr及以上部分应采取下列防侧击雷和等电位措施.高90m的井塔,比其滚球半径60m要高,故需做防侧击雷保护,实践中采取以下措施防侧击雷:

1)将建筑物内梁、柱、墙,基础的主钢筋互相连接;

2)将60m及以上部分,墙上的栏杆,金属门窗等比较大的金属物直接或者通过金属门窗埋铁与防雷引下接地装置相连;

3)在建筑物标高60m的外墙上,设置若干与引下线相连的接地端子板,然后用扁钢相连组成防侧击雷的均压环.

1.5引下线设计

为了安全起见,同时设置了明引下线和暗引下线.专设的明引下线使用-40×4的镀锌扁钢,数量不少于两根,按间距小于20m沿建筑物四周设置;暗引下线则利用建筑物钢筋混凝土的2根不少于φ16的主钢筋(最好靠近墙外侧的),数量按建筑物的跨度设置.

所有引下线从上至下焊接相连,其上部与避雷带相连,下部与接地体焊接相连.由于设置的引下线数量较多,每根引下线通过的雷电流就小,其感应范围就小,对微电子设备影响就小,有利于微电设备的保护和屏蔽.

1.6内部防雷设计

井塔内部防雷采取的具体措施有:

1)接地.由于已经将井塔内梁、柱、墙,基础的主钢筋互相连接,要保持防雷装置与各种金属物体和线路的安全距离几乎不可能,此时只能将屋内各种金属物体及进出建筑物的各种金属管线,进行严格的接地,而且所有接地装置都必须共用,并进行多处连接,使防雷装置和邻近的金属物体电位相等或降低其间的电位差,以防反击危险;2)过电压保护和屏蔽.在关键电气线路上均加装过电压保护器;电气线路采用钢管配线或采用铠装电缆及带有屏蔽层的电缆,条件有限时将普通导线敷设在封闭的金属桥架内;


3)井塔内的微电子设备和通信等线路的主干线尽量设在井塔中心部位,从而远离雷电流泄流通道,减小被感应电磁脉冲的干扰.

2高层建筑的接地设计

2.1土壤电阻率和接地电阻估算

1)土壤电阻率是接地设计中最重要的关键数据,一般以现场实测为准,先测量出某区域的接地电阻,再转化为土壤电阻率.接地电阻的测量方法可分为:

电压电流表法;比率计法;电桥法.土壤电阻率的计量单位有Ω.m,Ω.cm两种.外方提供给我们的提升机井塔周边土壤电阻率为37.6Ω.cm.这涉及单位转换,37.6Ω.cm到底是37600Ω.m还是0.376Ω.m,两者相差一万倍,结果完全不同.当时我们想当然把37.6Ω.cm换算为37600Ω.m,而且该区域为干旱地带,断定应该属极高土壤电阻率区,并考虑使用多种降低土壤电阻率的方法.后经过认真查阅相关资料后才证实,37.6Ω.cm换算后应该是0.376Ω.m,之所以电阻率很低是因为该区域含金属特别丰富的矿藏,故接地设计相对变得容易;

2)接地电阻估算.井塔的基础属箱形基础,基础在地下-25m处,基础的钢筋混凝土有2.5m厚,钢筋非常密集,设计采用基础作为自然接地体.接地电阻按下列简易公式式估算:

另外,因井塔基础施工需要使用很多钢筋混凝土护桩来围护,将建筑物四周安装的护桩及锚杆环用镀锌扁钢连接构成了环形自然接地体,可进一步降低接地电阻和跨步电压,使接地系统变得更加安全可靠.

2.2共用接地系统设计

独立的防雷保护接地电阻应≤10Ω,独立的安全保护接地电阻应≤4Ω,独立的交流工作接地电阻应≤4Ω,独立的直流工作接地电阻应≤4Ω,防静电接地电阻一般要求≤100Ω.

按照规范,当工作接地要与建筑物的防雷接地系统分开时,两个接地系统距离不宜小于20m,否则会产生强烈的干扰.在实际工程中,要将两个接地系统在电气上真正分开一般较难办到.因此,井塔根据实际情况采用共用接地体来解决多系统接地的问题,接地电阻要求≤4Ω.

利用井塔的基础和四周安装的护桩及锚杆环,并用40mm×4mm镀锌扁钢将其连成一体,作为统一接地体.统一接地体为接地电位基准点,由此分别引出各种功能接地引线,利用总等电位和辅助等电位的方式组成一个完整的统一接地系统.

具体做法是在配电室设置总等电位铜排,该铜排一端通过构造柱上的接地端子板,与统一接地体连接,另一端通过不同的连接端子分别与交流工作接地系统中的中性线连接,与需要做安全保护接地的各设备连接,与防雷系统连接,与需做直流接地的电子设备的绝缘铜芯接地线连接,更详细的做法请参看国标图集.

3结论

现代高层建筑物大量采用钢结构和钢筋混凝土结构,这些建筑物的体积高大,本身引雷能力强,而且也具有较强的耐雷击能力,设计者应把防雷各要素与建筑物的结构有机的结合起来,利用结构钢筋构成协调的防雷结构,以便更好的发挥出防雷电波侵入和防雷电电磁脉冲的功能.

同时,高层建筑接地设计也非常重要,接地保护方法措施到位,不但是设备及人身安全的重要保证,而且是整个供配电系统正常运转的重要条件.

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