建筑物防雷设计包括:
1、接闪器设计,其目的是控制雷击点,避免发生危险的部位。
2、有良好的接地结构和接地电阻值。
3、设计选型良好的引下线
4、做好等电位连接,防止高电压反击。
5、防止引入雷电高电压浪涌。
现以某地邮电大楼防直击雷的选型设计举例:
(一)确定该楼所处的地理环境和气象情况。预计雷击次数大于0.06次/a,属于人员密集型的公共建筑物。
(二)方案给定条件:楼高AB天面:30M、CD天面:24M。楼长:20M。宽:15M。在CD天面的宽度中心线上安装有微波天线,距BC墙面5M,天面AB长度8M,CD长度12M。
(三)设计总则:因为避雷保护的对象是雷击次数大于0.06次/a的邮电大楼,它的设计必须符合GB50057-94标准,按标准应划为第二类防雷建筑,采用滚球法计算时,其半径应为45M。为了有效保护大楼免受直击雷的损坏,本设计采用双套方案分步设计,经过充分比较,选出保护范围大,可靠性,简单易行的方案进行实施。现分述如下: 方案一、外部避雷系统中采用常规避雷针装置保护方案: 整座大楼采用四根常规避雷针进行保护,四根针均采用f 16mm圆钢制作,连避雷针底座和针体在内,针全高为8M。其摆放位置如图 中,A、B、C、D所示。
采用滚球法绘制雷电保护图型的步骤是: (1) 从地面起按尺寸和比例分别绘出大楼的主、府、右视图,按尺寸标出A、B、C、D4根针的位置,按尺寸绘出微波天线的位置,并沿A、B针尖做与地平行的线H-H。 (2) 从地面截取hr=45M作平行于地平线的R-R线,以针尖B为圆心,hr为半径在R-R线上截取两点,分别以这两点为圆心,hr为半径,从B点向地平线两侧作圆弧,然后以C点为圆心,以hr为半径在R-R上截取两点,分别以这两点为圆心hr为半径,从C点向地平线两侧做圆弧。四条圆弧线所组成的两个山峰形状就是B针和C针的保护范围。 (3) 分别以B点和C点为圆心hr为半径划圆弧交于0点,然后以0点为圆心,hr为半径划圆弧连接BC,BC圆弧的覆盖部分就是B针和C针,两针共同的保护范围。 (4) 以同样方法在右视图上做出针A和针B的保护范围。 (5) 在俯视图上分别以针尖A、B、C、D的圆心,hr为半径划出四段圆弧交于大楼的纵横中心线,所圈定的范围即四根避雷针在俯视上对地的保护范围。通过以上三个视图可以看出,邮电大楼在四根避雷针的保护范围之内,设计避雷保护有效。 验算保护范围的可靠性:
避雷针设置位置到楼角的距离为: 12 + 0.52 =1.12M (四针均等)
(1)、A、B天面验算: g AB= h ( 2hr - h) - h ′ (2hr-hx) = 38(2′ 45-38) - 30(2′ 45-30)= 44.45-42.42 = 2.03M。
因为 3.28 > 1.12,所以A、B楼角在A、B两针的保护范围之内,保护有效。
(2)、C、D天面验算
g CD= hCD(2hr-hCD) - hy (2hr - hy) = 32(2′ 45-32) - 24(2′ 45-24)= 43.08 –39.80 = 3.28M。
因为3.28 > 1.12,所以C、D楼角在C、D两针的保护范围之内,保护有效。经过验算整个大楼均在四针的保护范围之中,保护有效.
引下线设计选型: 引下线设计有两种方案:1种是焊接与大楼的混凝土构柱内钢筋连接,利用混凝土框架内的钢筋网络,做引下线和接地装置这种方案的效果最佳。但本设计是培训师范型,选型用常规避雷装置,所以本设计选型用明装四条引下线的设计方案。引下线的材料选用f 12mm的圆钢,在四根引下线的中间和避雷针、针尖以下两米处,用f 12mm的圆钢,四针、四线周围焊接,做等电位连接。引下线的敷设是沿避雷针垂直地面的方向,直线敷设。在距地面1.8M处设断接卡,断接卡以下距地面> 1.7M和入地的开始部分,要套装耐阳光晒的塑料管。f 12mm要镀锌。
接地装置设计选型:
与上同理最理想的方案是充分利用建筑物混凝土基础中的钢筋网为接地装置,是最佳选择。但本次需要采用常规选型设计方案,作为示范设计这就需要认真进行接地装置的设计选型工作。 由于本建筑物是邮电大楼其内部除防雷工程外,还有很多的设备和电气都需要接地,经过方案对比确定采用共用接地的设计方案,又由于邮电大楼属于人员密集型建筑,减少跨步电压对人的危害是考虑的重点,所以本设计采用绕大楼围成一个闭合环行共用的接地网的设计方案,这样不但解决了多设备、多装置、多网络、多电气共地和减小跨步电压对人的危害问题,而且也减少了室内在被雷击时,由于地电位梯度大,产生对电气、设备高压反击的危险。 接地网的布置:如图所示沿大楼基础墙体以外3M处水平敷设焊接的接地网。材料选用4′ 25mm的扁钢焊接周围布置。在大楼外形成一个闭合的均压环带,地网的埋设深度0.8M,地网上平面距地平深度0.8M,地网网格扁钢的连接、地网与接地线的连接,均用电焊连接。焊接处采用刷防锈、防腐材料的方法处理。从该楼所处的地理位置现场是一片开阔地,所提供的图纸资料标明,表土层是砂质粘土,经现场人员在大楼的前后、左、右四个测点测量地电阻率平均值为86W × m,四个测量值与平均值相当接近,可将该地的电阻率视作均匀。邮电大楼建筑设计周边长70M,设计接地网距建筑物3M处环行闭合埋设,接地网环行闭合长度94M,接地网系由3根横体和10根直体焊接而成,总接地长度278M。(其中不包括4根引下线入地部分0.8M′ 4)。总接地面积16.124M2,从而加强共地、散泄雷电流的作用。
根据邮电部对综合通信大楼的规定,其接地电阻值不得大于1欧姆, 计算结果表明,采用深埋扁钢接地网所起的作用,接地电阻0.86< 1W ,已经高标准达到《规范》要求。 通过以上的验算表明本设计方案,散泄雷电流能力强,可靠性高是可行的设计方案。但也存在一定的缺点,如:四根避雷针的架设;周圈接地网的埋设,工程量大,造价高,施工复杂,只适合与大楼的土建工程建地基时同时进行,已经交付使用的邮电大楼要有较大的影响,所以还要进行下一个方案的设计。
方案二、外部避雷系统采用主动式提前放电避雷针装置保护方案:
一、选型:整座邮电大楼选用壹只由法国INDELEC公司生产的Prevetron第二代产品,TS3.40型主动式提前放电避雷针进行保护。设计避雷针支撑杆高度为5米,其安装位置如图所示。其选型程序见法国英德利公司生产的主动式避雷针的产品说明书。
二、主动式提前放电避雷针的结构组成:
(1)一支中央收集杆是由电解铜或不锈钢制成的,此杆贯通空气终端器,可以不间断的把闪电流送往大地,它被固定在直立棒上。
(2)一组上端电极是用来产生火花的。
(3)一个防水不锈钢盒与大地连接,有黑色《铜型》和银白色《不锈钢型》两种。
(4)一个电触发装置被密封在一个保护盒内。
(5)一组下端电极用来收集瞬间产生的电能量。
三、主动式避雷针运作过程:
避雷针的空气终端从自然界的电场中吸收能量,下端能量收集电极把电能量储存在触发装置内,每当闪电发生前,电场强度会迅速增强,当储存的能量达到某一水平,空气终端便会把信息送往电触发装置,在空气终端的尖端便会产生火花,并使尖端周围的空气离子化,形成尖端放电现象。
四、主动式避雷针的工作原理:
控制离子的准确释放:在主闪电发生前的刹那间,触发系统极度准确的释放电离子。 CORONA效应的触发:云层对地的放电时间随电场的强弱而变化,科罗纳效应为尖端效应,电场增强触发时间减少。 预期上行放电通道:主动式避雷针被设计成从其尖端产生预期上行放电通道的类型,并早于那些邻近的高点产生,这样比传统避雷针提供了更宽阔的保护半径。
五、验算保护范围的可靠性:从设计选型避雷针的安装位置0到最远的楼角OB或者OC的距离为:
OB=OC= 12 2 + 7.5 2 =14.15M
AB天面的保护半径为:RP
Rp= h (2D- h)+ L(2D+ L)
式中:D:滚球半径为45M
h:不同受保护平面与避雷针顶端的垂直距离为5M。
L:提前放电距离 =106′ T(US)为40。
T:提前放电时间,查表得来见产品说明书。
RP:不同h距离平面上的保护半径。M
计算:
RP= h(2D- h) + L(2D + L) = 5 (2 ′ 45-5) +40 (2 ′ 45 +40) =75M
比较:因为保护半径75M,远远大于14.15M。
结论:所以,建筑物均在选型避雷针的保护范围之中,选型设计的避雷针对建筑物的避雷保护有效。
六、引下线的设计选型: 选用与避雷针相配套的,符合法国国家标准NFC17-102的30′ 2mm两条铜质引下线,采用最短的路线安装布设到接地点上。两根引下线在CD天面,用同规格的铜线做等电位连接,引下线固定点的间隔长度为1米。敷设引下线距地面2M处,安装测试夹,测试夹上面安装雷击计数器,测试夹以下到地面的引下线,采用不锈钢或镀锌钢管屏蔽,由三个不锈钢箱所固定,等电位连接线用同样方法屏蔽。
七、接地体的设计选型: 接地体的设计选型,选择符合法国标准NFC17-102,与主动式避雷针配套的“鸡脚”形接地体,“鸡脚”形接地体由3根7米长,相互构成45° 角的“鸡脚”形镀铜地极和一根3米长的中央连杆组成。“鸡脚”的背后接地夹处可与邮电大楼的基础钢筋网络焊接连通。
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