【电气工程及其自动化】一类高层建筑防雷保护设计

本科生毕业论文（设计）一类高层建筑防雷保护设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月24日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1工程概述12防雷保护的意义121雷电的分类1211直击雷1212球形雷1213雷电波侵入1214感应过电压1214地电位反击222防雷原理23高层建筑的定义34防雷等级计算441年平均雷暴日442与建筑物截收相同雷击次数的等效面积等效面积5421等效面积的计算条件5422本高层年雷击次数65本建筑防雷方案选择651外部防雷6511接闪器6512引下线8513接地装置952其他防雷措施10521防侧击雷10522防雷电感应11523等电位联结11524防雷电波侵入126结束语12参考文献13致谢14一类高层建筑防雷保护设计摘要本设计通过对高层建筑物的特点分析,充分结合直击雷、侧击雷、雷电感应和雷电波侵入等雷击特点,按照国家规程规范的要求,详细介绍了高层建筑物的防雷接地保护系统设计。关键词建筑物防雷；防雷装置；等电位联结AHIGHRISEBUILDINGLIGHTNINGPROTECTIONDESIGNABSTRACTTHISDESIGNTHROUGHANALYZINGTHECHARACTERISTICSOFTHEHIGHRISEBUILDINGS,THECOMBINATIONOFDIRECTLIGHTNING,FLANKINGTHETHUNDER,LIGHTNINGINDUCTIONANDLIGHTNINGCHARACTERISTICSUCHASTHUNDERELECTRICWAVEINVASION,ACCORDINGTOTHENATIONALCODESSPECIFICATIONREQUIREMENTS,DETAILEDINTRODUCESTHELIGHTNINGPROTECTIONGROUNDINGPROTECTIONSYSTEMDESIGNOFHIGHRISEBUILDINGSKEYWORDSLIGHTNINGHIGHRISEBUILDINGLIGHTNINGDEVICEEQUIPOTENTIALCONNECTION1工程概述本一类高层建筑为某事业单位办公大楼，位于雷暴雨多发的广东省湛江市，占地面积约1100M2，层数为16层，层高为3米，建筑高度为50M，本高层宜作为二类防雷建筑采取防雷措施1。2防雷保护的意义21雷电的分类211直击雷电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，称为直击雷。它的破坏力十分巨大，可在瞬间击伤击毙人畜。巨大的雷电流流入地下，令在雷击点及其连接的金属部分产生极高的对地电压,可能直接导致接触电压或跨步电压的触电事故。若不能迅速将其泻放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏或损害火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁，甚至危及人畜的生命安全。212球形雷球形雷是一种球形、发红光或极亮白光的火球,运动速度大约为2M/S球形雷能从门、窗、烟囱等通道侵入室内,极其危险。213雷电波侵入雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。因此，往往在听到雷声之前，我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。214感应过电压雷击在设备设或线路的附近发生，或闪电不直接对地放电，只在云层与云层之间发生放电现象。闪电释放电荷，并在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。雷击放电于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器（避雷带、避雷线、避雷网或避雷针）、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则造成电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪；严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。214地电位反击如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。同时，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。22防雷原理现代防雷技术系统的防雷方案包括外部防雷和内部防雷两个方面1、外部防雷包括避雷针、避雷带、引下线、接地极等等，其主要的功能是为了幕确保建筑物本体免受直击雷的侵袭，将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等，泄放入大地。2、内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。通过在需要保护设备的前端安装合适的防雷器，使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体。将可能进入的雷电流阻拦在外，将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地，确保后接设备的安全。高层建筑防雷是依据法拉第笼原理，采用笼式防雷系统，即将建筑物屋面避雷带、引下线和接地装置三部分联结成一个整体的钢铁大网笼。建筑物内部结构中垂直钢筋与各层水平钢筋焊接起来,将建筑物结构中的柱，梁，剪力墙，楼板，基础内的钢筋连成电气通路，形成很多小笼子，从而组成了大钢筋笼子，这样就构成了封闭金属笼。它具有良好的均压和引流作用，既能防直击雷，侧击雷，又能防止雷电感应。3高层建筑的定义表1一类高层的定义建筑性质一类高层建筑居住建筑十九层及十九层以上的住宅公共建筑1医院2高级旅馆3建筑高度超过50M或者24M以上部分的任一楼层的建筑面积超过100平米的商业楼、展览楼、综合楼、电信楼、财贸金融楼4建筑高度超过50M或者24M以上部分的任一楼层的建筑面积超过1500平米的商住楼5中央级和升级（含计划单列市）广播电视楼6网局级和省级（含计划单列市）电力调控楼7省级（含计划单列市）邮政楼、防灾指挥调度楼8藏书超过100万册的图书馆、书库9重要的办公楼、科研楼、档案楼10建筑高度超过50M的教学楼和普通的旅馆、办公楼、科研楼、档案楼等本设计中，此高层为重要的办公楼，在建筑分类上属于一类高层建筑。4防雷等级计算建筑物年雷击次数公式NKNGAE（1）N建筑物年预计雷击次数K修正系数，一般取1；位于旷野孤立的建筑物取2位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处以及特别潮湿的建筑物取15；金属屋面没有接地的砖木结构建筑物取17NG建筑物所处地区雷击大地的年均密度（次/KM2/A）AE与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（KM2）NG01TDTD年平均雷暴日（D/A）；A年；D天本高层无特殊地形条件，修正系数取1。41年平均雷暴日根据国家气象局的最新数据，湛江市年平均雷暴日为946天每年,故TD946（D/A）。NG001TD946（2）图1广东省历年全平均雷暴日42与建筑物截收相同雷击次数的等效面积等效面积421等效面积的计算条件表2等效面积的计算条件1H100MAE1LW2LWDD2106AE21AE105D周围建筑物周长之和106AE22LWLWD025D2106AE31AE1D周围建筑物平行边长之和106AE32LW10062H100MAE4LW2HLWH2106AE51AE405H周围建筑物平行边长之和106AE52LWHLW025H2106AE61AE4H周围建筑物平行边长之和106AE62LW1006AE1建筑物高度小于100M，与建筑物截收相同雷击次数的等效面积。AE21建筑物高度小于100M，且2D范围内存在的建筑物不高于本建筑物时，周围建筑物不在考虑范围内的等效面积。AE22建筑物高度小于100M，且2D范围内存在的建筑物不高于本建筑物时，周围建筑物在考虑范围内的等效面积。AE31建筑物高度小于100M，且2D范围内存在的建筑物高于本建筑物时，周围建筑物不在考虑范围内的等效面积。AE32建筑物高度大于等于100M，与建筑物截收相同雷击次数的等效面积。AE4建筑物高度大于等于100M，与建筑物截收相同雷击次数的等效面积。AE51建筑物高度大于等于100M，且2H范围内存在的建筑物不高于本建筑物时，周围建筑物不在考虑范围内的等效面积。AE52建筑物高度大于等于100M，且2H范围内存在的建筑物不高于本建筑物时，周围建筑物在考虑范围内的等效面积。AE61建筑物高度大于等于100M，且2H范围内存在的建筑物高于本建筑物时，周围建筑物不在考虑范围内的等效面积。AE62建筑物高度大于等于100M，且2H范围内存在的建筑物高于本建筑物时，周围建筑物在考虑范围内的等效面积。AE7各建筑物高度不同沿建筑物周边逐点算出最大扩大宽度，其等效面积应按每点最大扩大宽度外端的连接线所包围的等效面积。综上所述，本建筑长度L为36M，宽度W为35M，高度H为50M。H025，根据规范，预计雷击次数大于025次/A的住宅、办公楼等一般性民用建筑物或一般性工业建筑物应归为第二类防雷建筑。5本建筑防雷方案选择高层建筑的防雷主要是防直击雷、侧击雷、雷电感应和雷电波侵入。依据建筑物防雷设计规范中华人民共和国国家标准GB500572010年版,采取相应的防雷措施。51外部防雷511接闪器依据文献3所谓接闪器,就是专门用来接收直接雷击雷闪的金属物体。它一般包括避雷针和避雷带两种形式。1避雷针的保护原理是通过把雷电引向自身,来完成保护区内保护对象遭受直接雷击。为了保证保护对象免遭直接雷击，避雷针就必须有足够的高度。依据规范3411条避雷针宜采用圆钢或焊接钢管制成。本工程的避雷针是安装在屋脊处的。如图2所示,因为屋脊是最容易受雷击的部位图2避雷针安装示意图依据规范3第331条规定,二类防雷建筑物避雷网带应沿屋角、屋脊、屋檐、檐角等易受雷击部位敷设。避雷带沿女儿墙敷设,当女儿墙宽度较大时,应将避雷带移向女儿墙的外侧处为宜,而且应在整个屋面组成不大于10M10M或12M8M的网格。所有避雷针采用避雷带相互连接。在建筑物上装设避雷带,能可靠吸引强雷和弱雷。依据规范3第412条规定屋面避雷带宜采用圆钢或扁钢，优先采用圆钢。圆钢直径不应该小于8MM,扁钢截面不应小于48MM2,其厚度不应小于4MM避雷带应热镀锌或涂漆,在腐蚀性较强的场所,当应采取加大其截面或其它防腐蚀措施本工程是沿屋面轮廓四周的天沟外侧、屋脊、女儿墙通圈敷避雷带,在女儿墙、电梯机房、水箱顶部的四周敷设避雷带,避雷带采用206MM镀锌扁钢,避雷带安装的支架由建筑专业预埋,支架外露长度1M,转弯处为05M。避雷带在过伸缩缝处留足够的长度,用10镀锌钢将不同标高处避雷带可靠焊接,且与避雷针可靠焊接。512引下线依据文献2引下线是连接接闪器与接地装置的金属导体。其作用是将避雷带与接地装置连接在一起,使雷电流构成通路,当建筑物遭到雷击的时候，强大的雷电流将经过引下线入地，引下线的数量及布置直接影响分流效果。引下线数量多且间距较小时,雷电流在局部区域分布也就比较均匀,感应范围也就相对小,反击危险也相应减少。依据规范3第333条,二类防雷建筑物引下线不应少于两条，并应沿建筑物四周均匀或对称布置,其间距不应大于18M每根引下线的冲击电阻不应大于10。建筑物宜利用钢筋混凝土屋面，梁，柱，基础内的钢筋作为引下线。依据规范3第424条，采用多根引下线时，宜在各引下线上于距地面03M至18M之间接断接卡。设置断接卡可将避雷引上线与接地体断开,便于测量引下线的接地电阻，供检查用。依据规范45高层建筑引下线必须保证全长焊通,为避免接错钢筋,同一柱内引下线不宜少于两根主筋,主筋截面不应小于16MM2,钢筋连接处应采用搭接焊,搭焊倍数为圆钢直径的6倍,要求双面焊,焊缝要饱满、平整,以减少接触电阻。本工程在8根柱子处的室外地坪08M处焊出一根D12MM镀锌导体,此导体伸向外,距外墙皮距离不小于1M,此作为断接卡。建筑物外围四周框架柱总共有13根柱子是作为引下线，每根柱子的纵向主筋自下而上绑扎，每层又与梁板钢筋绑扎，向上伸出与避雷带绑扎，向下与基础，承台及桩基钢筋绑扎。绑扎长度不应小于100MM,引下线引出至屋面或女儿墙，外露长度200MM，与避雷带支架可靠焊接。建筑物结构内是采用柱内4根16钢筋通长绑扎，在建筑物的四周均匀对称布置，间距小于18M，并利用混凝土基础钢筋作自然接地体。本工程断接卡和引下线的安装部位如图3所示图3本工程断接卡和引下线的安装部位513接地装置依据文献6接地装置包括接地体和接地线。接地体分为自然接地体和人工接地体两种。自然接地体是具有兼作接地功能的,但不是为此目的而专门设置的,与大地有良好接触的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土中的钢筋、埋地金属管道和设施等。依据规范5接地装置的优劣与接地电阻和接地方式有关。防雷接地应尽量利用自然接地体作为接地装置,只要基础采用硅酸盐水泥和周围土壤的含水量不低于4基础外表面无防腐层或有沥青质的防腐层时,可利用基础内钢筋作接地装置,否则应加设人工接地装置。高层建筑基础一般采用桩基,形成纵横交错的接地网，既均衡了电位，又容易达到接地电阻1的要求。依据手册7施工中通常将桩基的抛头钢筋与承台板主筋焊接,并与承台上作为下线的柱钢筋焊通,再与整个底板内钢筋或地梁中的钢筋互相连通,将桩基主筋与地梁主筋焊接成一个闭合的水平接地网,以形成均压。依据文献8由于防雷装置直接装在建筑物上,建筑物防雷接地与电气设备接地等无法隔离。通常建筑物的防雷接地与电气设备的接地、微电子设备接地均应连接成统一的接地系统,当雷击在电子信息类的建筑物上或雷击在建筑物的电力系统上时，该建筑内的电力系统的电压与这些电子设备一起接地的电压同时上升，保持设备工作电压不变。因此采用共同接地系统能够克服独立接地不利于过压保护的缺点，可以使微电子设备在雷击的时候可以正常工作。共用接地系统就是将各部分防雷装置、建筑物金属构件、低压配电保护线（PE）、等电位连接带、设备保护地、屏蔽体接地、防静电接地和接地装置等连接在一起。本工程利用建筑物的混凝土基础钢筋作自然接地体。且在引下线的柱子或剪力墙的位置处，将柱基的抛头钢筋与承台主筋焊接，并与引下线的主筋焊接（如果基础不是柱基和承台，就将地板和地梁的抛头钢筋与引下线的主筋焊接）。防雷接地、电气设备安全接地以及其它需要接地的设备，弱电设备采用共用接地，共用接地体的接地电阻应小于。52其他防雷措施521防侧击雷依据文献9侧面雷击的保护一般是装设均压环,所谓均压环是指高层建筑物为防侧击雷而设计的环绕建筑物周边的水平避雷带，也可利用圈梁内两条主筋焊接成闭合圈。当建筑物高度超过一定高度一类30米，二类45米，三类60米），每隔6米设一均压环，该环与周围的引下线、金属门窗等其它金属构件物形成电气连接。依据规范3第3310条,高度超过45M的钢筋混凝土结构、钢结构建筑物，尚应采取以下防侧击和等电位的保护措施（1）钢构架和混凝土的钢筋应互相连接。（2）应利用钢柱或柱子钢筋作为防雷装置引下线；（3）应将45M及以上外墙上的栏杆、门窗等较大的金属物与防雷装置连接；由于高层建筑物引下线很长,雷电流的电感应压降很大,要在每隔一定的高度处用均压环将各条引下线在同一高度连接起来,并接到同一高度的屋内金属物体,金属门窗、栏杆等金属物利用均压环与最近防雷装置相连接。以减小其间的电位差,避免发生反击。本设计方案（1）利用建筑物连梁内的主筋作为周边的均压环连梁内有四根主筋沿四周焊接成环状,主筋的直径不能小于16MM,并且与引下线的主筋可靠焊接,设周边均压环的楼层是第15层,建筑物内的金属结构,金属物体都应焊接在环上。（2）第15层及以上楼层外墙上的栏杆,金属门窗等较大的金属物体与防雷装置即是柱内作引下线的钢筋可靠的焊接。522防雷电感应依据文献2所谓雷电感应就是在闪电放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，它们产生的高电位和高电动势，有可能使金属部件之间产生火花。一般来说，感应雷击没有直击雷击那么猛烈，但它发生的几率比直击雷高得多，危害比较大。防御雷电感应的有效手段就是做好等电位连接。523等电位联结依据文献6等电位联结分总等电位联结、辅助等电位联结和局部等电位联结三种。本工程用到总等电位联结和局部等电位联结。依据文献9总等电位联结是作用于全建筑物，它在一定程度上可降低建筑物内间接接触电击的接触电压和不同金属部件间的电位差，并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险故障电压的危害。它应通过进线配电箱近旁的接地母排（总等电位联结端子板）将下列可导电部分互相连通1进线配电箱的PE（PEN）母排；2公用设施的金属管道，如上、下水、热力、燃气等管道；3建筑物金属结构；本工程在建筑物内作总等电位联结，在地下室安装一总等电位联结端子箱，把总水管、空调立管等所有进出建筑物的金属体及建筑物的金属构件等与电位联结端子箱连通。局部等电位联结是在一局部场所范围内将各可导电部分连通。它可通过局部等电位联结端子板将下列部分互相连通1PE母线或PE干线；2公用设施的金属管道；3建筑物金属结构；本工程在一至十六层卫生间的柱子侧面,距地表03M处预埋100100的钢板,就404的扁钢沿卫生间距地03M,过门处沿地面暗敷,卫生间内所有金属构件均与扁钢可靠焊接,并且与剪力墙内的引下线焊接。沿高压配电室,变压器室,低压配电室,发电机房，电梯井，消防控制室，强弱电竖井，弱电机房四周处距地01M,沿墙敷设404扁钢并与就近的柱内引下线的主筋可靠焊接。524防雷电波侵入依据文献6所谓雷电波侵入是由于雷电对架空线路或金属管道的作用，雷电波可能沿着这些管线侵入室内，危及人身安全或损坏设备。依据文献