建筑防雷設(shè)計(jì)中的地電位反擊防護(hù)

溫昶1馬艷寧2

(1．西安高新區(qū)質(zhì)檢站710048；2．西安建筑科技大學(xué)設(shè)計(jì)院710055)

    隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路對(duì)電壓和電流脈沖的敏感程度越來越高，除直接雷擊影響外，雷電引起的沖擊過電壓和電流是成為造成電子設(shè)備損壞和工作中斷的主要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因雷害造成的損失超過l00億美元。而這其中90％以上的損失是雷擊造成電氣設(shè)備損毀引起的。由此可見防雷設(shè)計(jì)的重點(diǎn)已由過去的只突出保證人員和建筑本身的安全變?yōu)橥瑫r(shí)保證人員、建筑、電氣設(shè)備的安全。為此《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057—94特地在2000年版的修訂中也相應(yīng)增加了第六章：防雷擊電磁脈沖。但筆者認(rèn)為其內(nèi)容依然不全面。據(jù)有關(guān)資料顯示：雷擊電磁脈沖入侵電子設(shè)備主要通過以下三條途徑：(1)由交流供電電源線入侵。(2)由通信信號(hào)線入侵。(3)由地電位反擊入侵。而《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》2000年修訂版對(duì)地電位反擊的防護(hù)并未明確提及。下面通過具體的雷擊案例對(duì)弱電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)中上述易被忽視的方面加以論述。

    筆者曾在屬于多雷地區(qū)的廣東省惠州市工作過兩年，期間曾參與幾起雷擊造成火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)損壞事故的分析鑒定工作。在這一過程中發(fā)現(xiàn)兩起事故是地電位反擊造成的。當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)的基本情況如下：

    1)惠州當(dāng)?shù)氐?/span>10KV供電線路均為利用電纜在電纜溝內(nèi)敷設(shè)或埋地敷設(shè)，沒有架空線。

    2)大樓內(nèi)供配電系統(tǒng)的高壓及低壓配電柜均設(shè)有避雷器。消防控制室的消防專用配電箱內(nèi)設(shè)有電涌保護(hù)器，且設(shè)置及參數(shù)符合《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50057-94(2000年版)中有關(guān)章節(jié)的要求。

    3)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)信號(hào)接口的隔離模塊內(nèi)集成有過電壓保護(hù)功能。

    4)兩棟高層均按二類防雷建筑物設(shè)防，均利用建筑物本身的基礎(chǔ)鋼筋網(wǎng)作為聯(lián)合接地極。根據(jù)當(dāng)年的防雷檢查記錄，其工頻接地電阻分別為0.3歐姆、0.4歐姆。其避雷網(wǎng)、引下線、接地體等防雷設(shè)施符合《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范}GB50057-94(2000年版)中的要求。

    5)兩棟高層均按照《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范))GB50116—98中5.7.2及5.7.3的要求設(shè)置了專用接地干線作為火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的直流工作接地。

    從以上情況來看，兩棟建筑防雷設(shè)計(jì)及火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)均滿足其相應(yīng)規(guī)范的要求。那為什么火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)依然遭受雷擊損壞呢?

    筆者與消防設(shè)備廠家的技術(shù)人員一起通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)損毀設(shè)備實(shí)物分析發(fā)現(xiàn)：兩起事故均為高層建筑內(nèi)的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)板對(duì)機(jī)柜內(nèi)金屬構(gòu)件發(fā)生過電壓，造成絕緣擊穿而燒毀了主機(jī)板。當(dāng)時(shí)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)交流供電部分的電涌保護(hù)器及信號(hào)接口隔離模塊內(nèi)的過電壓保護(hù)器件均未失效或損壞，基本上可以排除雷擊時(shí)通過電源回路及信號(hào)回路引入高壓電涌造成系統(tǒng)損壞的可能。筆者在與另一個(gè)品牌火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)廠家的技術(shù)人員進(jìn)行交流的過程中得知：他們的系統(tǒng)以前也出現(xiàn)過相同的情況，后來發(fā)現(xiàn)同樣的設(shè)備只要不做直流工作接地，則設(shè)備反倒在雷擊中安然無恙。盡管這樣做與《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求不符。用他們的話講就是：做直流工作接地反而引雷。那么為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況?原來《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中設(shè)置專用接地干線的作用是使火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中電路的直流工作地電位鉗制在一個(gè)固定的電位上，目的是為了使系統(tǒng)在正常狀態(tài)下更穩(wěn)定地工作，減少因各種干擾引起系統(tǒng)內(nèi)部直流工作地電位的浮動(dòng)，從而避免因系統(tǒng)錯(cuò)誤造成的誤報(bào)。但是，在建筑物遭受直擊雷而接閃的情況下，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50057—94(2000年版)中的公式，建筑物高度hx處對(duì)大地的電位差U=UR+UL=I.R1+L0.hk.di/dt[式中uR為接地體對(duì)大地電位差(KV)；uL引下線上的電感電壓降(Kv)；I為雷電流幅值(KA)；R1為沖擊接地電阻(Q)；L0為引下線單位長(zhǎng)度電感，此處取值為l.5μH／ m；di／dt為雷電流陡度(KA／μs)，則建筑物距接地體高度為h處的對(duì)接地體電位差Ub=Lo.h.di／dt。本案例中近似取消防控制室地面距接地體(基礎(chǔ)底板鋼筋網(wǎng))高差h為8米(兩棟高層均有兩層地下室)，引下線為8根。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范>>GB50057—94(2000年版)附錄五，分流系數(shù)為Kc=1／8；又根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范>>GB50057—94(2000年版)附錄六所提供的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，首次雷擊時(shí)消防控制室地面對(duì)接地體電位差U8=22.5KV；后續(xù)雷擊時(shí)U8= 225KV。在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)電路未被擊穿時(shí)，由于專用接地干線內(nèi)電流近似為零，所以火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)電路板地電位與建筑物接地體上電位相同。主機(jī)金屬機(jī)柜通過地角螺栓與地板內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋相連而處于同一電位。本案例中建筑物接閃時(shí)，金屬機(jī)柜對(duì)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)電路板地電位的電位差為Ua。由以上推導(dǎo)可知，建筑物接閃時(shí)，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)電路相對(duì)與火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)金屬機(jī)柜有約兩萬至二十萬伏的電位差。而這個(gè)電位差正是造成本案例中火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)被雷電擊毀的原因。并且此電位差會(huì)隨著機(jī)房高度h的增加而線性地增加，其豎向的電位梯度極大，可達(dá)每米數(shù)千伏。相反未做直流工作接地的系統(tǒng)，由于電路板處于浮地狀態(tài)，其直流工作地電位會(huì)隨著機(jī)殼電位浮動(dòng)，故未出現(xiàn)致命的過電壓，設(shè)備反而在雷擊中安然無恙。但這是以犧牲系統(tǒng)工作穩(wěn)定性為代價(jià)的。

    這樣的情況也同樣出現(xiàn)在其它的弱電系統(tǒng)中，例如：樓宇自控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、某些大型醫(yī)療設(shè)備等。并且由于其它弱電設(shè)備安裝處的高度h往往大于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)安裝處的高度(消防控制室大多設(shè)于易疏散的一層)，由此引入的危險(xiǎn)電位差Uh也大于火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。又因?yàn)橛械南到y(tǒng)還要求專用的獨(dú)立接地極，其引入的電位差更大，為UR+UL。

    由以上分析可知：弱電設(shè)備的專用直流工作接地雖然可以穩(wěn)定系統(tǒng)的直流工作地電位，使系統(tǒng)更準(zhǔn)確可靠地工作，但同時(shí)在建筑物遭受雷擊而接閃時(shí)，也會(huì)因地電位反擊而燒毀設(shè)備。如何趨利避害，既要發(fā)揮專用直流工作接地抗干擾的優(yōu)越性，又要防止大樓遭直擊雷時(shí)破壞性的地電位反擊是電氣專業(yè)設(shè)計(jì)人員在防雷設(shè)計(jì)過程中應(yīng)解決的問題。這要從兩個(gè)方面來解決：l.弱電設(shè)備的設(shè)計(jì)人員要在設(shè)備內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)時(shí)就在電路與金屬機(jī)殼之間加入過電壓保護(hù)器件。2.建筑電氣的設(shè)計(jì)人員應(yīng)在弱電設(shè)備直流工作接地干線的設(shè)備端與設(shè)備安裝處的預(yù)留鋼板(與此處結(jié)構(gòu)鋼筋焊接)之間設(shè)置電涌保護(hù)器。通過以上兩個(gè)方面的防護(hù)，在未遭直擊雷的絕大多數(shù)情況下，由于電涌保護(hù)器及過電壓保護(hù)器件的隔離作用，專用接地干線與建筑物的結(jié)構(gòu)鋼筋處于高阻抗的絕緣狀態(tài)，專用直流工作接地可以照常發(fā)揮其抗干擾的優(yōu)越性；在遭雷擊的特殊情況下，電涌保護(hù)器或過電壓保護(hù)器件導(dǎo)通(忽略殘壓)，相當(dāng)于專用直流接地干線與在弱電設(shè)備處的建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋(設(shè)備金屬外殼)構(gòu)成瞬時(shí)等電位體，機(jī)房?jī)?nèi)的弱電設(shè)備可以避免因其內(nèi)部電路板的直流工作地電位與金屬外殼或結(jié)構(gòu)鋼筋之間形成過電壓而引起的損壞。

    近年來，雖然《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057—94(2000年版)對(duì)原規(guī)范作了修訂，增加了防雷擊電磁脈沖的章節(jié)，但對(duì)于如何防止地電位反擊對(duì)弱電設(shè)備的損害卻未做出明確的規(guī)定。而相應(yīng)的專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范如：《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《建筑與建筑群綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、《電子計(jì)算機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》等也均未提及。因此建筑電氣設(shè)計(jì)人員在做防雷設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)地電位反擊的防護(hù)往往漏項(xiàng)，造成防雷設(shè)計(jì)的防護(hù)不全面。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及參考文獻(xiàn)：

1.《智能建筑設(shè)計(jì)技術(shù)》華東建筑設(shè)計(jì)研究院編著

2.《建筑電氣專業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)措施》北京建筑設(shè)計(jì)院編著

3.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057—94(2000年版)

4.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50116—98

5.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑與建筑群綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范}GB／T50311-2000

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)