贵阳市乌当区实验小学教学楼防雷设计

谢 雪，李 军，李剑锋

(贵州省防雷减灾中心，贵州 贵阳 550002)

1 引言

近年来，随着教育事业的迅速发展，学校高层建筑物不断增多，信息技术的应用也日益普及，但由于部分学校，尤其是在农村和偏远山区的学校防雷意识淡薄，许多建筑物和电子电器设备未及时按国家有关法律法规和技术标准采取适当防雷措施，一些新建、改建和扩建的建筑物未按要求进行防雷装置的设计审核、竣工验收，已有防雷装置未进行定期检测，对存在的防雷隐患不能及时整改，致使雷击造成师生伤亡和经济损失事故时有发生。

经勘查贵阳市乌区实验小学防雷设施的建设存在严重的安全隐患，教学楼虽然安装有直击雷的防护装置，但是长时间无人管理和维护，避雷带严重锈蚀和断裂，不但不能防雷，反而引雷，一旦落雷后果不堪设想。本文针对实验小学的实际情况，提出具体的防雷应对措施。

2 资料采集与分析

2.1 地理位置

乌当区地处贵阳市东北部，106°30'～107°03'E、26°55'～26°33'N，雷电活动频繁，属于高雷区雷，雷电活动分析如下。

2.2 气象观测资料分析

贵阳市乌当区2006—2010年雷电监测资料统计分析结果:贵阳市乌当区年平均雷暴日为51 d，月平均雷暴日超过4 d，雷电活动主要发生在4－9月，月平均最高雷暴日接近11 d，6－8月为雷电多发期，月平均雷暴日数超过8 d。

2.3 地闪密度

贵阳市年平均地闪次数为32 939次，地闪密度为41次/(km2·a)，贵阳市乌当区年平均地闪次数为3 954次，地闪密度为45次/(km2·a)。

2.4 地闪强度与累积概率

乌当区最大正闪强度、最大负闪强度、平均地闪强度分别为241.0 kA、244.7 kA、39.26 kA，地闪强度介于0～20 kA、20～50 kA、50～100 kA、100 kA以上的概率分别是28.24%、59.82%、10.52%、1.68%。

2.5 地闪月分布、日分布

贵阳市乌当区地闪主要活动期是4－9月，92.5%以上的地闪都发生在这6个月。

地闪主要活跃在14—03时，91.9%的地闪都发生这个时段，04－13时地闪相对较少，约8.1%的地闪发生在这个时段。

3 乌当区实验小学建筑布局及结构

教学楼建筑物为5层砖混结构，建造17余年，长为60 m，宽为20 m，高为18 m。教学楼无直击雷防护措施。

该教学楼无抗浪涌防护措施。配电室内总配电柜已与大楼接地装置连接，连接点牢固、可靠、无松动现象。总配电柜内各接地汇集排连接点牢固、可靠、无松动现象;各楼层配电箱内均敷设有不小于6 mm2接地线。

进、出建筑物电源线、教学楼网络线未采取屏蔽措施，室内接地汇集排，布线凌乱。各个机柜、机架均未做接地处理。进、出建筑物金属管道、建筑物金属门窗等等未接地。

4 乌当区实验小学教学楼防雷设计

4.1 教学楼防雷建筑物分类和分级

由于该教学楼能够容纳1 200名学生，属于人口密集场所，因此应计算建筑物年预计雷击次数(次/a)，通过计算可知教学楼的年雷击次数N1=0.08(次/a)，根据相关规定:预计雷击次数＞0.06次/a的部、省级办公建筑物及其它重要或人员密集的公共建筑物，应划为第二类防雷建筑物。因此，对教学楼的防雷设计应根据规范规定按二类设计。

4.2 电子信息系统入户设施年预计雷击次数

根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343－2004计算入户设施预计雷击次数N2(次/a)=4.58。

教学楼N=N1+N2=4.81(次/a)

4.3 可接受的最大年平均雷击次数(NC)计算

直击雷和雷电电磁脉冲引起电子信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数NC按下式确定:

由学校的实际情况得:

C1——建筑物结构、材料因素，砖混结构1.5;

C2——信息系统重要程度因子，使用架空线缆设备1.0;

C3——电子信息系统设备耐冲击类型和抗冲击过电压能力因子，较弱1.0;

C4——电子信息系统设备所在雷电防护区域(LPZ)的因子，设备在LPZ1区内1.0;

C5——电子信息系统设备发生雷击事故的后果因子，信息系统业务中断不会产生不良后果0.5;

C6——区域雷暴等级因子，强雷区1.4。

NC=5.8 ×10－1.5/C=0.03，因此，N ＞NC。

5 教学楼防雷设计

5.1 外部防雷设施

教学楼长60 m，宽20 m，楼高18 m，于是宜采用装设在建筑物上的避雷网(带)或避雷针或由其混合组成的接闪器。避雷网(带)应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成不大于10 m×10 m或12 m×8 m的网格。

经勘测得土壤电阻率为500Ω·m，可计算地网有效长度为45 m。

5.1.1 接闪器 在屋面使用避雷网作为接闪器，使之在屋面组成10 m×10 m的网格。教学楼的避雷网采用直径不小于8 mm的圆钢铺设，同时应在建筑物易受雷击处加短针保护，如建筑物阳角处、屋脊等，高度约0.5 m。

5.1.2 引下线 引下线采用圆钢，圆钢直径不小于8 mm。引下线沿教学楼外墙明敷，并经最短路径接地，在各引下线上于距地面0.3～1.8 m之间装设断接卡。在人员流量较大的地方，引下线应采取暗敷、塑料管或橡胶管等保护设施，防止跨步电压或产生电位差而造成的损失。同时引下线的接地部分埋深应不＜80 cm深度。

5.1.3 接地装置 本设计采用直击雷接地网作为联合接地装置。按照共用接地系统设计原则，直击雷接地装置、网络机房接地装置和浪涌保护器接地装置联合接地体，接地体的接地电阻≤1Ω。

沿教学楼建筑物周围设置地网，垂直接地体应采用50 mm×50 mm×5 mm热镀锌角钢，其长度不＜2.5 m，间距不＜5 m;水平接地体应采用40 mm×4 mm热镀锌扁钢，其埋设深度不应＜0.5 m，且与垂直接地体应作良好电气连接，在连接处应采用沥青包裹防腐。

5.2 教学楼内部防雷设计

5.2.1 机房电源防雷设计 机房的电源防雷系统(图1)所示，在机房的楼层采用BOB三级防雷系统，在UPS主机的前级加装 B级电涌吸收器，在UPS配电箱进线开关处设置C级电涌吸收器，在机柜电源引入处设置D级电涌吸收器。一级防雷器V 25－B/3+NPE，是属建筑物内部的第一级(B类)电源防雷器，可提供220/380 V供电线路的防雷过电压保护。防雷过电压保护是减少被保护设备或建筑物损坏、火灾、爆炸和人员安全的重要措施。V 25－B/3+NPE设计安装于电源总配电柜处，可以直接安装在开关箱内标准的35 mm导轨上，并以最短的距离并联主空开的负载侧。该防雷器可用于交流和直流电路中的雷电过电压保护。二级(C级)防雷器V 25－B/3+NPE，属建筑物内第二级(C类)电源防雷器。它保护电气设备不受因雷电和开关转换过程所引起的过电压的损坏。作为限压防雷器，V 25－B/3+NPE设计安装于电源的分配电处，可以无任何问题地与空气开关等一起进行安装，自由安装在配电箱内的35 mm的标准导轨上，由于多模块防雷器在工厂已经由内置接地跳线连接，所以接地连接(PE连接)只需在现场一次连接，简单方便。三级(D级)电涌吸引器，机房服务器及核心交换机前端安装三级(D级)电涌吸引器，起动时间＜25 ns，雷电通流量为5 kA，工作电压为220 V，有劣化指示。

图1 机房分配电源进线防雷安装示意图

5.2.2 信号系统防雷设计 雷击设备主要是通过空间电磁脉冲，它具有相当穿透性，一般的建筑只能起到一定的衰减作用，要真正做到保证设备的安全，必须用金属板将设备屏蔽起来，同时将金属屏蔽层接地，这种办法针对一些小部门、局部设备可以采用，而且效果还不错，但绝大多数设备不可能照此办理，同时与金属屏蔽层以外相连的线缆还是需要加SPD设备。

5.2.3 机房等电位联结 网络机房、计算机教室的机柜未做接地处理。跨接处理要求“以最短距离”，是指连接导线应最短，过长的连接导线将构成较大的环路面积会增大对防雷空间内LEMP的耦合机率，从而增大LEMP的干扰度。接地干线宜采用采用40 mm×4 mm紫铜排组成M或S型。计算机机房的安全保护地、信号工作地、屏蔽接地、防静电接地、浪涌保护器及机房内各电子设备等均应连接到局部等电位端子板上。

5.2.4 电源浪涌防护器的安装 在教学楼电源进线总配电箱内设置1组电源防雷器，要求通流量不＜60 kA，作为教学楼电源系统的第一级防护。接地线采用16 mm2多股铜芯线，连接线尽量平直，长度不宜超过0.5m。

在教学楼计算机机房所在楼层的分配电箱内设置1组电源防雷器，要求通流量不＜40 kA，作为教学楼电源系统的第二级防护。接地线采用10 mm2多股铜芯线，连接线尽量平直，长度不宜超过0.5 m。

在计算机机房配电箱内设置1组电源防雷器，要求通流量不＜20 kA，作为机房电源系统的第三级防护。接地线采用6 mm2多股铜芯线，连接线尽量平直，长度不宜超过0.5 m。

5.2.5 信号线路浪涌防护 在雷击发生时，产生巨大瞬变电磁场，在1 km范围内的金属环路，如网络、信号及通讯金属连线等都会感应到雷击，将会影响网络、信号及通讯系统的正常运行甚至彻底破坏系统。

教学楼机房交换机输出端安装2台THX05RJ45V/16网络交换机防雷器，接地线采用6 mm2多股铜芯线从汇集排引入。

教学楼有线电视收发设备输入端及输出端安装2只CREX－F/20K馈线防雷器，接地线采用6 mm2多股铜芯线从汇集排引入。

电话系统程控交换机输入端安装5只EPL－120信号防雷器，接地线采用6 mm2多股铜芯线从汇集排引入。

5.2.6 建筑物管线等电位连接 采用符合防雷技术要求的屏蔽网对进出建筑物的电源线路屏蔽。原网络线为非屏蔽架空敷设，应采用屏蔽网络线替换，并在LPZ0A、LPZ0B、LPZ1防护区交界处将线缆屏蔽层与接地体作电气连通，进出建筑物部分采取埋地敷设，其埋地长度符合L≥ k，但不小于15 m。

6 结论

贵阳市乌当区实验小学发生雷击的主要原因有:没有采取相应的防护措施或防护措施失效;缺乏必要的防护技术知识和应急预案。本文分别从直击雷、雷电感应和雷电波入侵方面提出学校的综合防雷设计方案。因此，各级管理部门要以广大师生生命财产安全极端负责的高度，充分认识学校防雷减灾工作的重要性和当前学校雷电灾害多发的严峻形势，确实增强责任感和使命感，为学校提供良好的、安全的学习环境。

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