超高层建筑的智能化防雷

尹 群

(上海优泰欧申机电有限公司, 上海 201600)



超高层建筑的智能化防雷

尹 群

(上海优泰欧申机电有限公司, 上海 201600)

介绍了超高层建筑在电涌保护运行管理中面临的问题,阐述了上海中心大厦项目中的欧申雷电保护智能管理系统,提出了针对电涌保护器劣化的有效解决方案,分析了超高层建筑中雷电保护智能管理系统的特点和组网技术,通过智能网关将RS-485总线信号转换为标准网络信号,通过光纤上传到主机进行实时监控。

高层建筑; 雷电保护智能管理系统; 电涌保护器; 经典网络构架

0 引 言

超高层建筑的建筑结构复杂,各种电气、电子设备密集分布,楼宇自动化管理程度高,电子电气设备容易受线路上的各种过电压和空间电磁脉冲干扰的影响,其高度决定了超高层建筑受雷击的概率大。所以,工程设计人员都以国家标准GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[1]中最高的A类建筑进行防雷保护的设计,以提高防雷的拦截效率。

超高层建筑防雷的重要性已被人们广泛接受,但安装电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)以后的运行安全却很少有人关注。本文结合上海中心大厦,探讨了欧申雷电保护智能管理系统如何运用智能化的技术,实现超高层建筑的防雷。

1 建筑电气防雷保护现状

国内现有建筑电气防雷设施运行管理水平落后,普遍存在重安装轻维护管理的现象,导致用户花费了大量的经费,防雷保护效果并不理想,甚至还因SPD过载后的故障导致次生灾害的发生,如起火事故,主要灾害的发生有以下两方面原因。

(1) 常见防雷设施的维护手册和用户内部维护规则,都会要求定期由维护人员对防雷设施进行现场检测和检查。对于小规模的防雷系统,可以满足多频次的巡视检查,但对于大规模的防雷系统,人工检查的方式存在两个明显的问题:① 耗费大量的人力,周期长,检查人员的检测设备是否专业,检测的质量是否保证,特别是大规模设施以及超高层建筑,配备SPD的配电箱及设备数量庞大。因此,实际情况是多数用户最后都放弃了定期检查;② 即使经常检查,但是在雷雨季节中雷击是无规律的,同时由于SPD本身的非线性特性,使得SPD的劣化程度无法在现有参数的基础上预测,SPD遭受雷击损坏也是分散特性,维护人员不可能通过一二次检查来避免雷击事故。所以,提高检测手段的技术水平是目前实现安全防雷迫切而又现实的需要。

(2) 电源SPD在劣化失效过程中,如果过载失效后的热保护和过电流保护装置不能有效动作,SPD会发生燃烧起火的现象。由于目前电源SPD的核心保护元件基本都是氧化锌(ZnO)的压敏电阻(MOV),该类元件最终的劣化现象就是击穿短路,在工频电流下温度达几百摄氏度,导致塑料外壳燃烧。虽然SPD要求设置热脱扣(热保护)装置和过电流保护装置,但由于目前部分SPD供应商失效保护技术落后,导致一旦电源SPD过载失效短路,后备保护常常形同虚设。避免电源SPD过载后的短路和过电流,是杜绝电源SPD发生火灾、断电事故的关键。

2 项目概况

上海中心位于上海浦东陆家嘴金融贸易区核心区,主体建筑总高度为632 m,地上127层,地下5层,总建筑面积为57.6万m2,集办公、酒店、会展、商业、观光等功能于一体。业主在进行防雷系统招标时,除了对防雷技术参数提出了较高要求外,特别提出了针对超高层建筑最关心的电气安全问题,其中就有能否避免SPD由于劣化可能发生的起火事故。最终业主方和总包方采用欧申雷电保护智能管理系统,特有的电源SPD劣化预警技术能完全满足业主方的要求,同时智能网关服务器解决了上海中心近3 000个保护点连续、高速采集数据的难题。

3 雷电保护智能管理系统

3.1 使用的新技术

欧申雷电保护智能管理系统采用工业级的数据采集与监控系统(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA),现场数据通过RS-485到达智能网关服务器。该服务器将前端数据进行处理和缓存,同时作为工作站进行局部监控;网关服务器将处理后的数据通过以太网高速网络传输至管理中心的监控管理平台,实现集中管理、分散控制。通过对SPD运行参数的准确测量,实现SPD使用状态、劣化过程的实时监测,采用“性能劣化预警”和“完全失效报警”的二级报警方式,实现雷电保护的连续性、安全性,提高运行维护的智能化、网络化,同时降低了运行维护的成本。

(1) 提供预警和报警二级报警方式。预警是指在SPD完全劣化失效前,测量参数达到预设阈值,系统输出性能劣化预警,避免SPD因完全劣化后可能引起的次生灾害,如电源SPD起火以及信号SPD的中断,此时仍有防雷保护功能。报警是指SPD完全劣化后,通过开关量信号输出报警,而防雷保护功能停止。

(2) 科学的测量技术。作为一种预警模式的检测技术,可以完全满足100%安全防雷的要求。电源SPD的保护器件主要是MOV。根据GB/T 27746—2011《低压电器用金属氧化物压敏电阻器(MOV)技术规范》[2],判别MOV故障与劣化有6种模式,而唯一可以在工程中采用的是剩余电流爬升失效模式。通过测量每个防雷模块的剩余电流指标,从而准确判别SPD使用寿命,发出劣化预警和失效报警信号。对于信号SPD,通过读取冲击电流的幅值和波形系数,对其使用寿命做出检测和预警。

(3) 针对防雷系统而设计的数据采集和通信设备。采用高精度的电流互感器作为测量SPD参数的传感器,RS-485通信端口和智能网关的网络通信接口采用隔离技术来防止感应电涌冲击,系统采用独立12 V供电。各项措施都为了避免测量单元和数据传输设备在SPD泄放电涌时,强大的脉冲电流对A/D高速转换芯片等低压元件造成电磁干扰损害。如与第一级电源SPD安装在一起的数据采集终端,可以在SPD通过25 kA(10/350 μs)电流时仍正常工作[3-4]。

(4) 科学、灵活、可扩展的网络结构。智能网关服务器将前端各种SPD的实时数据进行本地处理,减轻了后台软件的处理压力,避免数据集中报警时运行缓慢,甚至死机。智能网关具备数据处理和报警的功能,即使主机瘫痪,也可以实现子站的独立工作和数据保存。

(5) 强大的双向兼容性。除了SPD的状态监测,智能网关还可以接受其他(如视频监控、机房参数监控、大楼BA管理等)标准信号输入。SPD数据采集终端也可以作为独立前端测量单元,提供标准RS-485通信协议,接入第三方的监控系统。

3.2 超高层建筑安全防雷的选择

针对超高层的特殊性,结合上述雷电保护设施运行维护上存在的安全和管理方面的要求,提出了用自动化技术手段代替人工操作,用计算机代替人工管理,从而完全实现防雷保护设施24 h安全运行,提高防雷安全管理水平。

超高层建筑雷电保护智能管理系统应具备以下功能:

(1) 电源SPD劣化过程预警。应通过测量SPD运行参数,对SPD的劣化过程进行连续监测,在SPD完全失效前提供预警,提供维护人员足够时间进行故障隐患的事先排除,实现100%防雷安全。

(2) 电源SPD完全失效报警。

(3) 电源SPD外置过电流保护装置的状态监测及报警。

(4) 监测防雷模块的插拔状态,避免人为误拔插。

(5) 室内感应雷的雷击计数功能,同时记录雷击时间,用作本地过电压冲击密度分析、雷击事故分析的参考数据。

(6) 整个系统通信状态监测,实时监测每个通信节点,对网络的实时通信状态进行管理和故障报警。

需要的软件功能如下:

(1) 显示每个SPD的平面和立体空间位置,便于维护人员查找。

(2) 记录每个SPD和通信节点的运行状态、运行参数、报警记录、维护更换记录。

(3) 各种预警、报警功能,软件可以设置屏幕虚拟声光报警、短信输出报警、自动邮件报警、电话报警、输出外接报警设备,实现多通道同步分级报警与定向报警。

(4) 系统内置运行日志,实现历史事件记录、存储、查询、列表、统计、自动报表生成、历史数据分析。

(5) 先进的管理功能,支持权限分级管理、查询,实现对整个系统的高效管理。

3.3 经典的网络构架

超高层建筑中使用的SPD数量多,布线距离长,故合理的网络结构设计尤为重要。上海中心的雷电保护智能管理系统采用RS-485总线方式进行信号传输,通过智能网关将RS-485总线信号进行数据处理后转换为标准网络信号,通过光纤上传主机进行实时监控。系统主要由感知层、中间层、应用层组成[5-6]。

雷电保护智能管理系统拓扑结构如图1所示。

图1 雷电保护智能管理系统拓扑结构

(1) 感知层。各种防雷设施及数据监测终端,包括电源SPD及其数据采集终端、信号SPD及其数据采集终端以及接地电阻、等电位、直击雷记录等。

(2) 中间层。负责将现场前端设备的RS-485总线信号进行数据本地处理,然后转换成TCP/IP网络传输信号,送达应用层,从而实现设备综合组网、地址查询等功能。中间层主要由智能网关服务器及为前端设备集中供电的开关电源组成。

(3) 应用层。提供Windows操作界面及专用软件,可进行人机对话,具有实时在线监控功能,包括监控主机(Windows操作界面主机)、防雷管理软件(进行综合防雷信息处理,并提供友好的人机对话界面)、数据库和服务器(可建立独立数据库,保存监控范围内防雷设施的综合数据)。

4 结 语

本文介绍了上海中心大厦项目中采用的电源SPD智能化管理系统,分析了超高层建筑在电涌保护运行管理中面临的问题。提出欧申雷电保护智能管理系统的电源SPD劣化预警技术能完全满足业主方的要求,智能网关服务器解决了上海中心近3 000个保护点连续、高速的数据采集。

[1] 建筑物电子信息系统防雷技术规范:GB 50343—2012[S].

[2] 低压电器用金属氧化物压敏电阻器(MOV)技术规范:GB/T 27746—2011[S].

[3] 马林.住宅小区低压配电系统防雷措施[J].现代建筑电气,2015,6(8):12-14.

[4] 曾旭东.电源电涌保护器冲击电流和标称电流的确定[J].现代建筑电气,2015,6(1):17-18.

[5] 高云鹏，崔浩，章程.计算机机房防雷检测注意事项[J].现代建筑电气,2015,6(4):47-48.

[6] 吴超.轨道交通防雷、防静电检测技术[J].现代建筑电气,2015,6(12):29-31.

Intelligent Lightning Protection of Super High-rise Building

YIN Qun

(Shanghai Eurotect Electric Co., Ltd., Shanghai 201600, China)

This paper introduced the problems of surge protection management in high-rise building.The Eurotec intelligent lightning protection management system used in Shanghai Tower was elaborated,and the effective solution for the degradation of surge protective device was proposed.The characteristics and networking technology of the intelligent lightning protection management system were analyzed in high-rise building.The RS-485 bus signal is converted into the standard network signal through the intelligent gateway,and the standard network signal is transmitted to the host through the optical fiber,which realizes the real-time monitoring.

high-rise building; intelligent lightning protection management system; surge protective device; classic network architecture

尹 群(1969—),男,工程师,从事220/380 V及以下配电和信号系统电涌保护器的研发及工程应用。

TU 856

B

1674-8417(2016)11-0042-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.11.012

2016-09-26