海岛港区综控楼防雷缺陷分析及改进措施

闫 战 岭

(上海金艺检测技术有限公司, 上海 201999)

0 引 言

随着现代通信技术的飞速发展,电子设备早已进入各行各业。建筑物内有复杂程度不同的微电子设备和计算机系统,在现代高度发展的工业生产环境下,雷电电磁脉冲干扰成为频发事故的主要原因之一[1-3]。

海岛港区位置位于海岛工业环境下,雷击造成综合楼内部无线信号发射和接收系统部分装置损坏,间接损失严重。本文结合防雷现状调查进行分析,并提出改进措施。

1 综控楼防雷现状调查

该综控楼地处开阔平坦的港区中心地带,主楼共5层。综控楼、1#变电站分布及供电、信号线路布置示意图如图1所示。

防直击雷:综控楼已有防直击雷措施,采用接闪杆作为接闪器保护的方式,引下线采用的40 mm×4 mm镀锌扁钢在墙体内暗装引入接地装置,接地装置采用独立设置的人工接地体。

防雷电波侵入:供配电系统,综控楼由1#变电站供电,电源线路采用埋地敷设方式,1#变电站供电给综控楼总配,由总配分配到各楼层的分配电源柜,再由分配电源柜供给各用电设备。

信号传输系统主要由两部分组成,一部分是中控室到1#、2#远程控制室之间的信号传输,另一部分是火灾报警控制柜、VTS总控柜与导航塔之间的信号传输系统。无线对讲系统主要是指对讲信号控制柜与屋顶天馈线之间的信号传输系统。

屏蔽与接地系统:综控楼接地系统采用独立人工接地方式,内部各楼层控制室内静电地板、金属机架、金属线槽、主要设备金属外壳都没有做接地和等电位联结处理。

图1 综控楼、1#变电站分布及供电、信号线路布置示意图

2 防雷整体改进

通过以上对港区综控楼防雷现状的调查和分析,可以发现存在很多防雷缺陷,必须借助现代综合防雷技术系统体系进行整体改进[4]。

外部防雷装置:对综控楼原有接闪器保护范围进行验证和计算,根据结果选择合理的接闪装置进行完善;引下线和接地装置需根据接闪装置的设置,参照国家设计规范进行布置,接地装置的接地电阻需符合国家标准要求。

内部防雷装置:根据综控楼内部防雷系统存在的缺陷,从屏蔽、等电位和防电涌保护3种防护方式入手,针对每个问题分析或计算,采取相应的措施进行完善。

3 外部防雷装置改进

3.1 防雷分类

在确定建筑物防雷类别时,需要计算建筑物年预计雷击次数,这要确定土壤电阻率、当地的雷暴日、雷击方向及危险区域的划定。

建筑物年预计雷击次数的确定对于建筑物防雷分类有着极其重要的意义。

(1) 预期年平均直击雷击次数为

(1)

(2) 雷击大地的年平均密度为

(2)

将式(2)代入式(1),得

(3)

(3) 当建筑物的高度H<100 m时,其每边扩大宽度为

(4)

建筑物等效面积为

(5)

从上述综控楼防雷现状中可知,综控楼是位于平坦地面上的孤立建筑物,其长L=25 m,宽W=15 m,高H=18 m,该海岛年平均雷暴日Td=31.1次/(km2·a),则代入式(2),可以得到Ng=2.11次/(km2·a)。因此,可得Ae=0.015 325 km2。

根据计算结果,参照国家设计规范中相关内容,综控楼定性为第二类防雷建筑物。

3.2 接闪器的选择

(6)

将h=34 m、hr=45 m、hx=18 m代入式(6),可得rx=7.6 m。

计算结果表明,天线针塔在综控楼顶的保护范围仅为7.6 m,达不到规范要求,不能完全保护综控楼。根据接闪器的布置和设计要求,选择接闪带与接闪杆共同对综控楼进行防护,较为合理,能够满足经济型、实用性和可靠性等要求[5-7]。

3.3 引下线改进

综控楼引下线采用暗装的形式沿墙体与接地装置相连接,原有一根引下线,由于接闪器保护范围不全,增加接闪带进行完善,引下线的改进根据第二类防雷建筑物布置要求,在现有基础上增加4根引下线,沿墙面明装引下,确保雷电流分散泄流。

3.4 接地改进

综控楼本身设计有一根引下线和一组人工接地体,在每根新增引下线引下位置离开建筑物3 m需分别单独增设一组接地体,新增接地体与原接地体用水平接地体相连接围绕建筑物一圈,将新旧接地体连接形成接地网,以达到最好的接地效果。

综控楼新增接地连网示意图如图2所示。

图2 综控楼新增接地连网示意图

3.5 防直击雷效果验证

通过以上外部防雷系统的设计,可形成综控楼外部防雷装置整体效果示意图,如图3所示。

图3 综控楼外部防雷系统效果示意图

(1) 接闪器。改变原有的单根独立接闪针塔保护的方式,将没有完全保护的部分通过增设接闪带和接闪网格进行完善,改造后因为接闪带和接闪网格的存在,接闪器保护范围可覆盖整个屋顶及整座建筑物。设计后避雷针和避雷带保护范围示意图如图4所示。

图4 设计后避雷针和避雷带保护范围示意图

(2) 引下线。根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,第二类建筑物引下线数量不得少于2根,且间距不能超过18 m,综控楼引下线共设计5根,每两根间距为16 m,符合规范的要求,能够起到很好的分流作用,使雷电流及时分散泄入接地装置。

(3) 接地装置。垂直埋设的接地体使用直径d为5 cm,长度l为2.0～2.5 m的镀锌钢管或圆钢,其每根接地电阻为

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(7)

为达到所要求的接地电阻值,往往需埋设多根垂直接地体,排列成行或成环形接地体合成电阻为

(8)

综控楼在设计前只有一组接地体,虽然接地电阻达到规范要求,但泄流效果一般,经过设计新增4组接地体,并将这5组接地体用水平接地装置进行连接形成环状接地网。通过以上计算,新增每组接地体由3根独立接地极组成,每根长为3 m,直径为0.025 m,代入式(7),可得R=32.75 Ω。

由于5组接地体共有15根接地极,取ηL=0.9,n=15代入式(8),可得Ro=2.43 Ω。

由以上计算结果可知,增加接地装置后接地电阻值小于4 Ω,符合国家规范的要求。

结合以上效果,可以看出改进后的外部防雷系统能够完全保护建筑物本体,抵御来自直击雷的破坏,引下线和接地装置可以及时、最大程度地将雷电流泄放至大地,减少直击雷击对建筑物和内部设备的损害,能够达到防御直击雷的效果。

4 内部防雷系统改进

4.1 综控楼等电位措施

(1) 综控楼进出的各类金属管线必须在进入大楼之前进行接地和跨接处理。

(2) 在机房内设置等电位联结排,所有电气设备接地、信号接地作等电位联结,所有设备机柜外壳、静电地板支架等金属物体均与等电位联结排连接而形成M型等电位形式,并作可靠接地。

(3) 屋顶各类金属物都与接闪带和接闪网格进行等电位联结。

4.2 综控楼屏蔽设计

(1) 将2F海事局VTS控制室内敷设环形接地,将全部防静电地板、金属机架、金属线槽、主要设备金属外壳与环形接地作等电位联结。环形接地体与大楼接地体作重复连接,形成共用接地系统。

(2) 楼顶单独安装的156 MHz、阻抗50 Ω的通信天线捆扎在接闪带上是不符合规范要求的,应把其移置到不与接闪带相连的被保护地区,并穿铁管做屏蔽接地处理。

4.3 综控楼SPD的选型

综控楼电源系统的SPD选型:

(1) 1F总配电间一路供电安装1台65 kA三相电源电涌保护器(SPD),作为电源系统第一级防护措施。

(2) 2F海事局VTS控制室内的电源自动切换柜进线端安装1台40 kA三相电源SPD,作为电源系统第二级防护措施。

(3) 4F中控室内的电源柜进线端安装1台三相电源SPD,作为电源系统第二级防护措施;室内UPS输出分配电箱输出端安装1台15 kA三相电源SPD,作为电源系统第三级防护措施。

综合楼信号系统的SPD选型:

(1) 2F海事局VTS控制室内无线对讲通信系统与楼顶单独安装的156 MHz、阻抗50 Ω的通信天线相连,在其进线处安装1台天馈线SPD,火灾报警系统信号线与山上导航塔火灾报警控制系统相连,在其进线处安装1台接线式信号SPD,作为信号系统防护措施。

(2) 4F调度室内有无线对讲通信系统与楼顶通信塔上2根156 MHz、阻抗50 Ω的无线通信天线相连,在其进线处各安装1台天馈线SPD(共2台),作为信号系统防护措施。

4.4 效果与评价

通过以上的改进措施,可对三部分效果一一做出评价。

综控楼控制机房内部设立M型等电位联结网络,将机房内电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管、槽、屏蔽线缆外层、信息设备防静电接地、安全保护接地、SPD接地端等均应以最短的距离与等电位联结网络的接地端子连接。并在直接雷非防护区(LPZ0A)或直击雷防护区(LPZ0B)区与第一防护区LPZ1区交界处将屋顶金属物和进出大楼的各种金属管线进行等电位联结并做接地处理,这些都符合国家标准对等电位联结的要求。

外部防雷系统形成第一道空间屏蔽的防线,再将2F海事局VTS控制室内所有金属物作等电位联结,形成笼式屏蔽的效果,在空间上已经满足国标要求。在线路上电源线是埋地引入,并且自带屏蔽层接地,不做处理。信号线路上主要对进出屋顶的2条天线信号传输线路做了屏蔽处理,也已符合规范的要求。

在电源部分,规范要求根据被保护设备的抗扰度和雷电防护分级确定。根据现场情况把综控楼内部分为三级进行防护,逐级减弱雷电流的强度,以防止雷电流从电源线路上侵入设备,截断传输途径,保护用电设备。信号部分又分为信号传输部分和天馈信号部分,在信号传输部分中将进、出建筑物的信号线缆选用金属管屏蔽,并埋地敷设,在直击雷非防护区(LPZ0A)或直击雷防护区(LPZ0B)与第一防护区(LPZ1)交界处,线缆金属屏蔽层也做等电位联结并接地。在信号线路SPD的选择上,根据线路的工作频率、传输介质、传输速率、传输带宽、工作电压、接口型式、特性阻抗等参数,选用电压驻波比和插入损耗小的适配SPD。天馈线路上同样根据线路的工作频率、传输介质、传输速率、传输带宽、工作电压、接口型式、特性阻抗等参数,选用电压驻波比和插入损耗小的适配SPD,并安装在收、通信设备的射频出、入端口处。以上内容都符合国标规定的内容。

经过等电位联结、屏蔽接地及安装SPD三项措施,可以大大减少侧击雷和感应雷对综控楼内设备的影响,可基本消除雷电对设备的损坏。

5 结 语

港区综控楼建在港区高地或开阔地,加上天线塔的高度,在这种地形环境下遭雷击的概率非常高,一旦遭受雷击,系统瘫痪所造成的间接损失巨大。综控楼所处的环境及工作的特殊性,决定其必须有一套全面、完善的雷电防护措施。本文通过对综控楼雷电防护系统的现状分析,借助综合防雷技术改进措施使建筑物内、外部防雷系统的防雷能力得到大幅提升,经过效果验证将大幅减少雷击造成的损失。