浅谈揭阳中专新宿舍楼防雷

陈浩坚+卢尉+卢孟杰

摘要：学校是公共场所，人员密集，它担负着教书育人的重任。做好学校的防雷安全是一项重要的工作，不仅关系到在校师生的生命安全，还与千千万万个家庭的幸福息息相关。本文针对广东省揭阳地区中专学校的新宿舍楼所处的位置环境、建构特征、雷电活动规律、电子设施、线路分布等一系列情况进行综合分析研究，设计出一套综合雷电防防护系统。确保学校师生的生命财产安全，以及促进教育事业的快速、健康发展。

关键词：新宿舍楼；防雷工程；防雷安全

1.引言

雷电是在大气中的电、光、声等的物理现象，雷电发生时带有强大的雷电流，其电流峰值可达数十千安或数百千安的瞬间电流，同时发出耀眼的光芒并伴随有爆炸的轰鸣声。在气象资料记载中表明，地球上每秒钟平均约有100次雷闪发生，根据雷闪发生的空间位置分布，可分为云内闪、云际闪和云地闪，其中云内闪和云际闪统称为云闪，而云地闪称为地闪，又称为落地闪，落地闪对人类构成的危险性几率相对比较高，所以落地闪是雷电防护系统中的主要研究对象。发生雷闪时，闪电中的强大雷电流产生了巨大的破坏力和很强的电磁干扰，这是引发自然界十大灾害的之一。

2.新宿舍楼实地勘察

2.1结构参数及周边环境

揭阳市中专业学校新宿舍楼项目位于揭阳市空港区中心大道，地势平坦、周边无其它高层建筑物或高压线塔等。该新建宿舍楼总建筑面积为：7215.8平方米，低层基低面积为：1185.0平方米，宿舍楼共有2栋：1栋建筑面积：3574.2平方米（长：39.6m宽：12.5m高：25.3m）；2栋建筑面积：3641.6平方米（长：39.6m宽：12.5m高：25.3m）；宿舍楼层数为：7层，高度均在25.3米。

新宿舍第一栋规模：普通宿舍68间，每间6人，合计住人：408人；北侧：与拟建宿舍楼2栋（7F）相距24.2m；东侧：与已建宿舍楼（7F）相连，共用疏散通道；南侧、西侧：为校园运动场；

新宿舍楼第二栋规模：普通宿舍70间，每间6人，合计住人：420人；北侧：为18m空地和35m宽排水干渠；南侧：与拟建宿舍楼1栋（7F）相距24.2m；东侧：与已建宿舍楼（7F）相连，共用疏散通道；西侧：空地；

两栋宿舍楼累计入住学生为：828名。

2.2电源线路配套

根据该新建宿舍楼电气设计要求配套有：照明系统、网络系统、电热水器等；在各栋新宿舍楼的第一层各设置有分配电箱，采用TN-S接地形式；各楼层的楼梯口处设置有楼层控制配电箱，两栋7层的宿舍楼共有14处楼层控制配电箱；每间房间都配备有电热水器、电话机和网络信号线路等；如没有做好相应的雷电防护措施，一旦建筑物遭受雷击，雷电流将直接引入室内伤及人员或损坏设备，引发的后果将不堪设想，况且在学校这种人员密集的公共场所，所以做好新建宿舍楼的雷电综合防护系统是迫在眉睫的。

2.3雷电活动规律

揭阳市中专业学校新宿舍楼所在位置信息的采集是利用现代卫星定位系统GPS定位仪对本项目进行定位（经度：116°25.294′纬度：23°30.133′），以该宿舍楼为中心的9平方公里内，根据新宿舍楼所处的经纬度数据从广东省雷电监测网提取1999-2012年的雷电数据可以统计分析得出雷电流区间分布对应的概率，并分别计算出雷电流平均值和最大值，如右图2为新宿舍楼所在区域范围年平均雷电流概率情况；可得出，该区域年雷电流幅值主要集中在60kA以内，占总的百分之95.3。

2.4实测土壤电阻率

选取了揭阳市中专宿舍楼所在地（116°25.294′E，23°30.133′N）的土壤电阻率进行测试，当日天气情况为晴天，据现场观察，土壤含水量较低，所以季节系数取1.0，得出土壤电阻率为：12.09Ω·m。

土壤电阻率是对土壤的导电性能情况进行的判断，一般是在该新建筑物所在位置的区域采取1立方米的正方体的土壤两端间施加一定额度的电流，对该土壤电流的导电性能进行测试。土壤的电阻率情况测试用ρ表示，单位为欧姆每米（Ω·m）。

在国内最常用的土壤电阻率测量方法一般是采取“四极测探法”操作方式相对较为简单，能准确的测量出土壤电阻率，且误差较小，基本能满足工程测量要求。通过现场取样检测，揭阳市中专宿舍楼所在地土壤类型为田土。

2.5新宿舍楼防雷类别

已知揭阳市中专业学校新宿舍楼的建构尺寸情况（长：39.6m；宽：12.5m；高：25.3m两栋结构尺寸相同）和当地的年平均雷暴日天数为Td =74.3天/年等相关数据，可以通过计算公式计算得出该建筑物的等效面积和年预计雷击次数，得出结果依据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》来确定该新宿舍楼的防雷类别，推导计算结果该工程属于第二类防雷建筑设计，计算结果：根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》“第3.0.3条第九款：预计雷击次数大于0.05次/a的部、省级办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物”该新宿舍楼应划分为第二类防雷建筑物。

3.雷电侵入建构筑物途径

3.1直接雷击

雷电直接击打在大地或建构筑物、人員、植物、牲畜等的放电现象，瞬间能引起雷击物体内产生的热效应、机械效应和冲击波等；假如直接击打在建筑物上时，在电动力作用的下，建筑物内的导体之间会相互吸引或排斥，应发强烈变形或折断。由于雷电流幅值很高，而作用的时间极短，在强电流瞬间流入树木或建筑构件时，在其内部瞬时产生大量热量，在极短的时间内热量来不及消散，致使物体内部的水分被大量蒸发成水蒸汽，并迅速膨胀，从而产生巨大的爆炸力，能够使被击树木劈裂、建筑构件崩塌。

3.2感应雷击

当雷击发生后，局部地区的感应电荷不能在同样短的时间内消失，形成局部高电压。这种由静电感应产生的过电压对接地不良的电气系统有很强破坏作用，使接地不良的金属器件之间发生火花，这对爆炸危险环境所而言，是非常危险的。另外，静电感应或电磁感应形成的瞬间高电位都可通过金属导体（如电源线、信号线）入侵建筑物内的电气设备而造成损害。endprint

感应雷击能使电气输送线上瞬间感应产生处2000～20000A的浪涌电流，对建筑物内的高精密度电子或敏感电子器件直接造成击坏，考虑该新宿舍楼的电气信息配套设施，感应雷击一般采取在电源系统入户处设置一级试验浪涌防护SPD，两栋新宿舍楼的前端设置二级试验浪涌防护SPD，各参数搭配应根据该电源系统特征而定，且符合规范要求。

3.3电磁脉冲

由于雷电时放电时，雷电流中存在极大的陡坡和峰值，使周边环境产生强大的电磁场，处在磁场范围内的金属导体上瞬间会感应出很高的电动势，磁场空间范围内产生强电磁或形成电磁波辐射，导致电磁脉冲波（LEMP）在三维空间里对电子设备产生影响，这种电磁波脉冲速度一般超过2.4GS（20KA/m），会对电子设备直接造成严重的损坏或出现故障。

当建筑物的外部防雷装置接闪针、接闪网、接闪带或金属屋面等遭受雷击时，瞬间强大的雷电流流经引下线至接地装置散流，此时在接地装置两端会产生危险的过电压，会对附近的金属物体（如金属管道、铠装电缆线路）或设备自然接地线等进行引入建筑物内，对设备进行破坏或伤及人员。

4.具体防雷方案设计

4.1外部防雷系统

建筑物的外部防雷接地系统LPS是用于直接截收雷击的防雷装置，将雷电流从雷击点引导分流散入大地，从而保护了新宿舍楼避免遭受雷击破坏。

4.1.1接闪器

揭阳市中专宿舍楼的天面层類为钢筋混凝土屋面，接闪器设置安装在宿舍楼天面层女儿墙上的阳角、外角处以及楼梯间上阳角处。

（1）钢筋混凝土天面：宿舍楼天面层、女儿墙上四周明敷φ12mm镀锌圆钢接闪带，支持卡采用φ12mm镀锌圆钢（高度0.15m，间距1.2m，拐弯处不超1.5m），避雷短针采用φ14mm镀锌圆钢（针高0.5m），避雷网格不大于10m*10m并和接闪带焊接连通，搭接处焊接面积要求双面不小于6D，并做好腐蚀措施。

（2）突出天面的金属物：金属水池与接闪带的等电位连接，采用镀锌扁钢-40mm×4mm与接闪带进行焊接连通，焊接要求扁钢与金属水池端的搭焊其扁钢面积不少于三面施焊，扁钢与天面φ12mm镀锌圆钢接闪带搭接处焊接面积要求双面不小于6D，并做好腐蚀措施。

4.1.2接地装置

（1）揭阳市中专宿舍楼的接地装置采用基础承台地梁闭合形成网格状地网，有利于平衡地电位和防止发生反击。

（2）（2）利用结构基础作为接地装置时，要特别注意增加桩的利用系数大于或等于0.5，并要求有效的电气连接。

（3）要求项目内各建（构）筑物采用综合接地系统，防雷接地、防静电接地、电气设备工作接地、保护接地的接地等，其电阻不应大于4Ω。

（4）项目应根据需求预留下列各类接地端子：电气接地预留端子采用不小于φ12mm的圆钢或-40mm×4mm的热镀锌扁钢，长度不小于200mm，高度200mm-300mm。

（5）接地装置主要阳角处应靠近或与引下线一起设置接地电阻测试端子，设置高度距室外地坪不低于300mm为宜，并设置明显标志。

4.2内部防雷接地系统设计

根据该新宿舍楼的内部的配套设施情况分析，防雷设计的主要任务是防止各类因雷电间接效应产生的各种损害。结合防雷区的划分情况，综合运用各类防护措施，对各类电子信息系统进行综合防护。

4.2.1防雷等电位连接

等电位设置主要是在雷电防护区的交接处，首先，在该宿舍楼直击雷非防护区（LPZ0A）或直击雷防护区（LPZ0B）与第一防护区（LPZA）的界面处设置总等电位连接端。具体的新宿舍楼等电位连接部分与具体施工要求：

（1）总等电位连接都设在宿舍楼一层楼梯口处分配电箱的附近，外引进入宿舍楼的电源接地保护线、通信线路、网络信号线路等采用PE干线16mm2多股接地铜线VBR做等电位连接线连接到接地母排，接地母排上的接地PE母线采用25mm2多股接地铜线VBR与宿舍楼的自然基础接地极连接；接地母排MEB端子板的具体规格材料要求：（尺寸mm：5×40×200；接线端子数：8个M6螺栓、带螺帽、戒指；表面处理：镀锌；抗击性：可抗>300kA的雷电流冲击；材质：紫铜；使用环境：室内、户外、配电柜内；）

（2）进入新宿舍楼的金属套管需与防雷系统做等电位连接，等电位连接线材料采用16mm2多股接地铜线进行可靠连接。

4.2.2综合布线

在新宿舍楼区的线路敷设过程中避免产生较大的环路或相互干扰而导致因环路感应产生较高的过电压或干扰电压而损坏工程物体，应采取科学合理的布线方式，尽可能不出现较大的感应环路，避免线路相互干扰。

为了减少电磁干扰的感应效应，一般采取的屏蔽的基本措施是：

（1）在新宿舍楼的外部设屏蔽措施，以合适的路径敷设线路，线路屏蔽。

（2）新宿舍楼中的大型金属物体全部等电位连接起来，形成电气通路连接到新宿舍楼的接地装置上，从而改善电磁环境。

（3）在需要保护的空间内，当采用屏蔽电缆时，其屏蔽层在两端接地，宜在防雷区交界处做等电位连接，当系统要求只在一端做等电位连接时，应采用两层屏蔽。

信号线路的防浪涌保护措施：

（1）宿舍楼共有10部电话信号交换机，一路电话信号从室外引入宿舍楼1，在进线处安装信号电话信号防雷器，安装的具体参数（额定工作电压Un：110V；最大持续运行电压Uc：130V；最大放电电流Imax：10kA；限制电压Up：≤250V；绝缘电阻：≥0.4MΩ；插入损耗：≤0.5dB）；电话信号防雷器的接地线和交换机的接地保护线PE连接到建筑防雷接地系统中，PE接地线的截面不小于6mm2，并进行可靠的连接。

（2）两栋宿舍楼共用8台以太网网络交换机和1台光端路由器，分别在网络信号的进线处安装网络信号防雷器，具体参数（额定工作电压Un：5V；最大持续运行电压Uc：5.8V；最大放电电流Imax：10kA；限制电压Up：≤500V；绝缘电阻：≥0.4MΩ；插入损耗：≤0.5dB；接口形式：RJ45）；网络信号防雷器的接地保护线PE与交换机的接地保护端一起连接到建筑防雷接地系统中，采用PE接地线的截面不小于6mm2，并进行可靠的连接。

5.结论

为了打造平安校园环境，减少雷击灾害事故的发生，本文通过引用防雷行业相关标准，借鉴有关新建宿舍楼防雷的文献和通过当地气象部门调查获取该新宿舍楼所处地理位置的气象相关资料，针对地区的地形地貌、雷暴情况、建筑物特征、人员密集场所等方面进行综合考虑，设计出一套符合该新宿舍楼的综合雷电防护系统，有效的保障该新宿舍楼在雷雨天气来临时起到雷电的防御作用。

参考文献：

[1]吴晓波.电源系统的防雷综述[J].科技咨询导报，2007，（23）

[2]杨金夕.防雷接地及电气安全技术[M].北京：机械工业出版社，2004

[3]吴薛红.濮天伟.廖德利.防雷与接地技术.北京：化学工业出版社，2008.endprint