智能建筑中的防雷技术研究
摘要:随着现代社会信息化技术的发展,智能建筑的智能化程度越来越高,大量的电子设备也被投入到使用当中。这些电子设备的抗雷性一般较弱,且一旦遭受雷击就会导致其系统遭到破坏,相关办公人员在这些设备中存储的文件、数据就会丢失,严重还会导致系统瘫痪,这对整个智能建筑中的办公单位都会造成极大的经济损失,因此,探究我国智能建筑防雷技术具有非常重要的意义。此文对目前智能建筑容易遭受雷击的形式,以及当前已有的防雷技术措施进行综述,为相关设计或施工人员提供参考。
1 引言
智能建筑的概念是由美国最早提出的。1984年1月美国康涅狄格州哈特福德市建成了世界上第一座智能化大厦——City Place Building,随后日本、德国、英国、法国等国家的智能建筑相继发展。我国的智能建筑建设始于1990年,并在2000年10月正式实施的《智能建筑设计标准》GB/T 50314-2000中明确指出智能建筑“是以建筑为平台,兼备建筑设备、办公自动化及通信网络系统,集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合,向人们提供一个高效、舒适、便利、安全的建筑环境”的概念[1-2]。
智能化建筑一般多为高层或超高层建筑,其中各种电子设备、计算机及其网络系统、楼宇自动化系统(BAS)、通信自动化系统(CAS)、办公自动化系统(OAS)、火灾报警及其消防联动系统、保安监控系统、电梯自动化等系统密度大、集成度高,容易受到雷电冲击或电磁干扰的影响。智能大楼受到雷电冲击时,大楼内冲击电位分布和空间瞬间电磁场将会影响安装在大楼与楼外有电气联系的设备,尤其容易造成现代数字化通信设备中的计算机控制中心的误动或损坏。据国外资料介绍,0.03Gs的磁场强度即可造成计算机误动,2.4Gs即可使元件击穿[3]。因此如何有效避免雷电的破坏作用,减少雷电对人们生活、工作所造成的影响及损失,已成为目前智能建筑设计及施工中的一项重要内容。
2 雷电对智能建筑的作用形式
智能建筑遭受雷击的形式主要分为三种:直击雷、雷电感应和雷击电磁脉冲[4-7] 。
2.1 直击雷
直击雷是指雷电直接作用到智能建筑的表面或其露天设备上,通过直接雷击产生电、热及机械效应而造成设备损害的过程。一般而言,直接雷击通常会作用到建筑物或防雷装置的表面,而不会直接作用到建筑物内部的电子设备上。
2.2 雷电感应
感应雷击包括静电感应、电磁感应(这两者也被称为二次雷)和雷电波侵入。
静电感应——由于雷电的作用,使附近导体上感应出与雷云本身符号相反的电荷,雷云放电后,云内通道中的电荷会很快被中和,这种超强的电荷一旦被中和须进行及时的释放,而导体上感应的电荷若不就近释放,会产生很高的电动势,这种电动势的产生就是静电放电的前提和基础。
电磁感应——由于雷电中的电流在传送过程中遇到不同性质的物质,这些物质的阻碍会使电流迅速变化,电流在变化过程中会在其周围空间产生瞬间变化的强电磁场,从而使得建筑附近的导体上感应出很高的电动势。
雷电波侵入——智能控制系统的电源线、信号传输线或进入控制室的金属管线遇到雷击或被雷电感应时,雷电波沿着金属导线侵入到设备内,造成电位差使设备损坏的现场称为雷电波侵入。
感应雷击对智能建筑中设备的损害没有直击雷猛烈,但发生的几率要比直击雷大很多。
2.3 雷击电磁脉冲
智能建筑遭受雷击电磁脉冲干扰的影响主要有三种:空间电磁脉冲、沿缆线侵入的浪涌过电压和楼层地电位抬高。
空间电磁脉冲——高层智能建筑所遭受的雷击行为会造成空间电磁脉冲的干扰。在三维空间范围内,空间电磁脉冲能够作用于一切相关高层智能建筑物中的所有电子设备。
沿缆线侵入的浪涌过电压——包括缆线传导过电压和缆线感应过电压,建筑物在遭受雷击行为时会受到雷电流的侵入,雷电流会通过各类接地缆线分流传导,从而侵入建筑结构。雷电流在实施泄放过程中,还会通过电磁感应在相应线缆中形成浪涌过电压。
楼层地电位抬高——在高层智能建筑中,由于建筑物所使用的接地引下线较长,会导致雷电流在泄放通道阻抗上所形成的实际压降将高层智能建筑的地电位抬高,从而产生反击现象。
3 智能建筑的防雷技术
3.1 传统的外部防雷措施
外部防雷系统包括的主要设备有接闪器、引下线、接地体等,其中接闪器的构成要素是避雷针和避雷带。针对两者的使用情况而言,一般是优先使用避雷带,因为在建筑物的顶部,避雷带的设置可以起到引雷和截获闪雷的作用,只有将雷电引到其他空旷的地方或者对雷电进行直接拦截,才能避免或者预防雷电直接击打到建筑物中。而引下线和接地体设备的使用,则可以与接闪器直接进行连接,这三者的合理连接可以将接闪器中所截获的雷电流直接引到接地体,并将雷电流散在大地上,从而避免雷电对智能建筑的危害[7]。
3.2 智能建筑中的内部防雷系统
内部防雷系统作用主要是防雷电感应、防伏击和防雷电波侵入等,这些内部防雷系统要素的设置不仅可以减少进入建筑物中的雷电流和因雷电流的进入而产生的电磁效应,也可以有效制止建筑物对雷电的反击、其他物体接触到的雷电压以及跨步电压所形成的二次雷电损害。如使用金属制成的网、箔、壳和管等导体,将所需要保护的物体包围起来,以更好的阻隔雷电的脉冲磁场入侵到建筑物的各种通道内,同时也对设备上的电磁干扰和过电压能量进行阻挡。
3.3 等电位连接与接地[8]
在智能建筑内部,可通过将分开的装置、各导电物体用等电位连接导体或使用电涌保护器连接起来以减少雷电流在它们之间产生的电位差。若防雷系统的等电位连接设置得当,可以大大减小大型建筑引下线的雷电流,同时降低其周围的电磁场强度,减小对智能化系统设备的危害程度。
一个信息系统的各种箱体、壳体、机架等金属组件与建筑物的共用接地系统的等电位连接可采用如下两种等电位连接方式,即S型星型结构或M型网型结构,如图1所示。
通常,S型等电位连接网络可用于相对较小、限定于局部的系统或设备,而且所有设施管线和电缆宜从接地基准点ERP(Earth Reference Point)处附近进入该信息系统,而M型等电位连接网络则一般用于延伸较大的开环系统或大型设备。
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