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高层民用建筑弱电系统防雷问题的探讨


【摘要】从对一起雷击事件的分析人手,分别从设计、规程、施工、元器件及理论等诸方面阐述了雷击弱电系统的原因及预防的措施。

【关键词】雷电;感应;过压

【中图分类号】TU97655

【文献标志码】A

【文章编号】1001—523X(2014)03—0062—03

【作者】严新兵/王青海/左文明

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2011年7月上旬,地处某小区六座高约75m的塔楼接连数次遭到不同程度的雷击侵害。事过之后,经认真检查,建筑物本身及建筑物内部各类强电设备均安然无恙,而处于地下一层弱电监控室内的6块弱电模块及处在电梯竖井内的数个监控摄象头却接连遭击损坏。一时间舆论哗然。甲方疑虑,分包推语,大部分非专业人士均认为防雷系统有问题。为了澄清事实,总结经验,笔者对防雷设计、施工工艺、弱电监控室供电系统及接地系统等进行了调研,并做出了较为合理的判断。

1建筑物防雷系统设计、施工及实际效果的检查验证

1.1设计合理

本建筑设计防雷级别为二级,设计总说明中明确规定:

1)屋顶采用直径10mm圆钢做接闪器,屋顶避雷连接网格不大于10mx10m;

2)引下线利用柱或剪力墙内两根>Φ16的主筋通长焊接;

3)为防止侧向雷击,10层以上每隔两层设水平避雷带;

4)凡突出屋面的所有金属构件均应与避雷带可靠连接;

5)本工程防雷及强弱电接地极共用,要求接地电阻<1Ω;

6)采用总等电位连接---,局部等电位连接---;

7)引下线的间距<10m。

从设计角度衡量,本工程二级防雷标准符合符合《民用建筑电气设计规范》的相关规定。

1.2施工工艺和施工质量符合要求

本工程所有主筋均采用机械螺纹连接,接触电阻较小。再加上被要求用作防雷的主筋又在螺纹连接处用Φ10钢筋作了跨焊连接,保证了良好的电气通路。各个接地测试点的实测结果均<0.3欧姆。经业主复查,其检测结果亦符合规范设计要求。

2雷击的破坏形式

雷的破坏力表现是多方面的,我们将其分为三大类。第一类是雷直接击在建筑物上发生的热效应作用和电动力作用,雷电流的热效应主要表现在雷电流通过导体时产生大量的热能,此热能可导致火灾、爆炸或设备、器件的损毁。而雷电流的机械力可使被击物破坏,如树木的击毁、屋檐屋角的崩塌等等。第二类为二次雷击,也就是强大的雷电流在导体中流动时,在周围的大型金属物体上会感应产生很高的电压,若被感应的回路有间隙(包括与其它回路的间隙),当感应电压高于间隙介质(如空气)的击穿电压时,就会引起火花放电引发危险。第三类,我们站在电力系统的角度叫做大气过电压,亦称为外部过电压。它是由处于雷电场中的输电线路上,被雷云感应产生的静电电压,在雷云放电之后,感应产生的静电电子失去束缚后,在线路上流动形成的浪涌电妇医。当然,以上三种划分方法并不十分准确,例如:直击雷产生的雷电流在线路上流动亦可产生过电压;二次感应电压产生的电动力、热能亦可产生物理破坏坏作用。那么,该工程弱电系统中的模块和摄像头(以下简称元器件),究竟是被什么形式的"雷作用"或"其它作用"所损坏的呢?

3雷击元器件的原因分析

3.1直击雷不是元器件损坏的直接原因

本文中所指工程只包括电视监控系统和楼宇传呼系统。其他如网络、电话等,由于与本文所讨论的雷击事件无关,故不在本文讨论范围之内。本文所述的弱电,除了楼正门上方,24层屋顶外檐,用金属弯管倒挂一钟形金属罩,内置一摄像头处于露天之外,其余弱电线路均在竖井或楼板、墙壁内,内中的摄像头或传输受到了良好的屏蔽作用。故能避开直击雷的破坏。

3.2感应过电压的破坏不容忽视

本工程除上面所提到的室外摄像头传输线路用专用屏蔽电缆经金属导管导人弱电竖井之外,其余各户用传呼电话的导线均用RVV(0.5~0.75)mm²线缆经竖井送至设在地下一层的监控室。如果设想把浇筑混凝土及其他附属物去掉,剩下的将是一个巨大的、相互连通的、内中成格状的钢筋笼。在这里我们借用电路分析中常用的等效电路的分析方法,把弱电竖井中的梯架和导线(电缆)放回原处,这时除了弱电导线之外,其余所有钢筋共同连通构成了一个庞大的接地网。当直击雷击中上部某处之后,雷电流的下泄,并不象我们前面假设的那,由一根柱内的两根通焊钢筋导人大地,而是从所有相互连通的柱、剪力墙,根据各自电阻大小的不同分别导人大地的。此时,作为钢筋笼结构的一部分的梯架应当是其中的下泄通道之一。当其中的雷电流幅度足够大时,将在附着其上的电线、电缆(无屏蔽)中产生破坏性感应电压,从而对系统耐压薄弱部分构成威胁。当然处在梯架周围的其他竖向钢筋,也会产生同样的作用,只是距离有远近,数值有大小而已。由此看来,模块的损毁与弱电信号传输系统中的感应过电压有关系,应当是负责任的说法。

3.3市电供电系统内的感应过电压亦应值得怀疑

在市电供电系统中,除了存在前面提到的直接感应过电压之外,根据有关资料介绍,尚存在正、反变换过电压。它是由于雷电流在Y/Yo变压器绕阻上的正反变换而产生的过电压。由于反变换过电压是因为雷电波从变压器压侧侵入所引起的,而本文所述及的强电系统高压侧,经过了漫长的埋地电缆输送,受雷电断响很小,故对其反变换形成机理本文不予述及。而由低压侧所输人的雷电波却不可小视。敷设在强电竖井之中的强电电缆、电线,包括穿PVC管敷设在梁、板、柱中的导线,同样会产生与弱电系统相似的感应过电压。所不同的是弱电系统中的感应过电压直接作用在设备元器件上。而低压侧强电线路中的感应过电压却

会通过变压器次级线圈及中性点而人地,同时在铁心中建立磁通,此磁通使高压侧产生高电压,而后又返回低压侧,使未受雷电侵扰的其他相、其他回路,亦产生危险电压。这个危险电压是否也应危及元器件的危险电压之一?回答是肯定的。当然,该工程目前使用的变压器为新型的DYn11干式变压器,其高压侧绕组为角型接法,是否也会产生与之前所述的Y/Yo,n变压器同样的现象?除非在连接组别上采取了有效的相位抵消措施,否则,其效果应该类似。

3.4设备方面所存在的问题

1)弱电监控系统采用的是"逻辑接地"、"功率接地"、"安全接地"统接于一点的混合接地方式,但接地点的选择出了问题。《建筑电气工程施工质量验收规范}(GB50303—2002)中的14.1.1第三条明确规定:"金属线槽不可作设备的接地导体"。而现场恰恰利用了一段5m长的金属线槽(桥架)作为接地导体。这种做法的错误在于线槽本身感抗较高,且节与节之间的连接电阻没有保障。弱点线路中产生的感应雷电流在该处不能顺利人地,从而产生较高电压危及元器件的安全。

2)弱电系统的强电供电系统未采取防雷措施

该工程的强电供电系统,从低压配电室的每一台低压配电屏开始,直到下面每一个中心配电箱,都设置了相应级别的避雷器。如低压室内配电屏(柜)采用SP465R避雷器,各分支配电箱则采用SP415D避雷器。但是这种过电压保护并不能全部覆盖弱电设备的不安全区域,因为对弱电设施来说,每种避雷器的防护范围内都有很大的"盲区"。这是由于避雷器的通流能力有限,不允许在内部过电压下动作。所以其工频放电电压都设置为其额定电压,即工作点的电网线电压的2~3倍。以通流能力较大、工频放电电压较低的额定电压0.22kV的HY系列氧化锌避雷器为例,其工频放电电压最低为≮0.4kV,而在0.22~O.4kV这段以微秒计的过电压,对强电设备而言尚可承受,但对弱电器件而言,却足以导致灭顶之灾了。所以,虽然强电供电系统低压侧采取了两级防雷措施,但由于盲区的存在和弱电控制室距中心配电箱的距离较远,已经大大超过了避雷器距被保护设备必须小于5m的要求。也就是说在弱电控制室采取装设效果较好的压敏避雷器或性能更好的SPD系列浪涌保护器的措施是必要的。

4措施及结论

通过以上的分析,本工程的雷击事故可以归结为由雷电引起的感应过电压所造成,根据本次事故我们可以得出以下结论:

1)弱电系统接地不允许利用金属线槽,改为用10mm²铜线直接接至接地扁钢;

2)弱电控制室的强电供电系统应增加避雷保护措施。为了尽量避免避雷器"盲区"对弱电元器件的"漏保",建议采用适用于电子信息系统的SPD系列浪涌保护器,其动作电压仅为被保护线路额定工作电压的1.2倍,且通流量较大,是较为理想的保护器件;

3)由于半导体元器件在耐压方面先天性不足,建议在直流电源输出端,增加一个功率较大的稳压管或电压监控系统。其稳压值或监控值略高于系统直流工作电压,这样可大大提高弱电系统在避雷器盲区的安全可靠性;

4)虽然本文元器件损坏不是直击雷造成的,但为了安全的可靠性,弱电信号在由户外引入户内的馈线人户处,应按施工规范的要求装设避雷装置;

5)强、弱电竖井中的电缆梯架应有盖板,利用闭合金属筒的屏蔽作用消除雷电流引起的感应过电压的危害;

6)与主筋平行的线管最好不选用PVC管,或全部采用金属管。

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