扬州市某收费站防雷工程设计

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扬州市某收费站防雷工程设计
柏杨4孙磊4陈建华4陶磊4钱丹
扬州市蓝天通讯工程有限公司"江苏扬州"##$%%%
摘4要 根据该收费站所在位置的地理 地质 土壤 气象等自然条件以及相关领域的防雷规范 对其进行了雷电防护的方案设计并在文中描述了该收费站办公楼的直击雷防护设计
关键词 收费站 防雷规范 雷电防护
44雷电灾害已被国际电工委员会(#B P )称为-电子化时代的一大公害."随着我国经济的快速发展#交通事业不断发展#汽车越来越多#高速公路也越建越多$$%"高速公路机电系统每年由于雷击造成事故时有发生#直接威胁到周围人群的安全和公路的正常运行"此外#由于高速公路网的收费站和管理机构大多建在郊区相对开阔的地方#电子计算机和电子系统设备容易受到雷电和雷电电磁脉冲干扰的破坏#使其丧失功能$)%"
以往在公路建设和施工中#没有考虑到防雷问题"同时#由于环境因素的影响#对土壤的要求也不统一"弱电系统接地较为简单#机电设备雷击损坏事故时有发生#不同的雷电形式对公路造成了不同程度的破坏#如果是雷电#一些设备会被雷电破坏#系统会失去一些功能'严重的是整个系统瘫痪#经济损失惨重#给公路的运营安全和运营带来很大的隐患"机电设备的广泛使用和电子设备集成度的不断提高#可能会进一步加大高速公路机电设备的损坏程度"冯民学等对高速公路的防雷现状作了分析#提出了防雷设计普遍存在各自为政#防雷措施普遍不完善
(屏蔽措施不完善&电涌保护器装配不合理&接地系统设置不正确等)#也缺少系统性等问题#同时他还对高速公路防
雷设计要点做了介绍和总结$(2
?%
"林勇卫等则是针对高速公路收费现场机电系统防雷做了比较详细的研究#从雷电的危害途径到细部的防雷设计$0%"
!现场勘测情况
$&$气候特点及雷电活动情况
扬州市地处东经$$'C
)1t %(u g $$'C ?3t )(u #北纬()C $1t ?$u g ()C 3Lt %%u "地形地貌为江淮冲积平原&地势平坦&中部较高&南北两侧较低"土壤电阻率较低#为)1&0)+@"扬州市属于亚热带湿润气候区#是冷暖空气经常交汇的地段#易发生极端天气#产生强雷"
雷电活动区根据年平均雷暴日的多少#分为少雷区&中雷区&多雷区和强雷区!雷暴少的地区是指年平均雷暴日数小于)?天的地区#雷暴中等的地区是指年平均雷暴日数在
)?g 3%天的地区#雷暴多的地区是指年平均雷暴日数在3%g '%天的地区#强雷暴区是指年平均雷暴日数大于'%天的地区"根据气象资料表明#扬州地区年雷暴日7N I (L&0天#扬州地区年平均雷暴日比较高#是多雷区"
$&)建筑概况
启扬高速公路瘦西湖的收费站#位于扬州市邗江区#
O)L 启扬高速公路瘦西湖出口附近"本文主要对其办公楼进行外部防雷设计
"
图$办公楼示意图
(
#!
44办公楼一共四层#高$0米#总占地面积是3?%平方米"该楼第一层是职工食堂&大厅&储物间'二楼是办公室和会议室'三楼是监控机房即中心机房和办公室'四楼是资料室和休息室'卫星接收天线安装在办公楼天面"楼内各楼层配有基本的卫生设施'一楼接配电房的是总配电柜#各楼层有分配电柜"办公楼示意图见图$所示#
#防雷类别计算
建筑物的防雷分类"此处主要是对办公楼做了年预计
雷击次数的计算#参考0建筑物防雷设计规范1^Q ?%%?1/)%$%#结合当地的雷暴情况#根据建筑物的用途&重要性以及受雷击后的影响#对建筑物进行防雷分类$1%"
建筑物预计雷击次数计算公式(式$)!
:I #+:*++,
($)
式$中!`
/建筑物预计雷击次数(次*:)'./校正系数#在一般情况下为$'位于旷野为)'金属屋面的砖木结构取$&
1'位于河边&湖边&山坡下或山地中土壤电阻率较小处&地下水露头处&土山顶部&山谷风口处
的建筑物#以及特别潮湿的地方取$&?"此高速收费站位于旷野处#因此]取)"
`/建筑物所处地区雷击大地的年平均密度$次*
(.@)
+:)%"
6T /与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(.@)
)"
`E I %&$7N #7N 根据当地气象台资料为(L&0(N *:)"当建筑物高度\小于$%%@时#按式)计算!
+,
I $8;H )(8H ;)O ()%%J O 槡)H "O ()%%J O )%+$%J 0
())
计算结果为!`I
%&%'?(次*:)"依据^
Q?%%?12)%$%0建筑物防雷设计规范1第)&%&(条规定#预计雷击次数大于%&%?次*:的部省级办公建筑物以及其他人员密集或重要的公共建筑物划分为第二类防雷建筑物"考虑到该建筑物内部敏感的电子设备比较多#比如监控系统&计算机网络&程控交换机&无线通信&有线通信等#这些一旦受影响首先按该收费站瘫痪#其次影响到周边道路&建筑更严重的情况是整个道路阻塞"因此考虑诸多因素将该建筑物定为第二类防雷建筑物$L %"
(建筑物雷电防护装置设计(&$直击雷防护措施
建筑物的直击雷防护措施分为接闪&引下&接地等部分"利用金属接闪器将雷电电流沿地面安全地引至地面#防止雷电直接击中建筑物和设备是最直接&最有效的防护措施#瞬变电磁波的数目直接影响着导流的效果"如果落水管较多#通过每根引下线的电流较小#其感应范围和强
度也较小#当雷电击中防雷开关时#高频电流流过接闪器#导致接闪器和下行叶片电位较高"如果被保护物体与接闪器之间的距离小于过载反击距离#则成为接闪杆过载合同#因此#防雷规范规定了接闪开关&引下线与空中被保护物体之间的距离(至少(米)#其沿身体接触的最高点与地面之间可能存在一个差值#称为接触电位差#称为接触电压#当闪光电流在地面上扩散时#沿地面上每个点的半径形成不同的电位"当人们在附近跨过两只脚时#两只脚之间会形成一个台阶张力#为了避免接触电压和步进电压对人身安全的损害#引线和接地装置应离开人的工作空间或采取措施平衡地网的张力"
此外#直击雷的防护不仅要求设备能够有效地保护建筑物本身#还要求为各类内部信息设备提供良好的电磁环境#为信息系统的电磁感应防护提供必要的框架条件#提供对闪光波入侵的保护和可能的反击保护"
(&$&$综合办公楼的直击雷防护措施
对于用来监控&通信的建筑物的直击雷防护措依据
0高速公路防雷设计规范1?&)&$&$条应根据建筑物所属防雷类别$'%#参考0建筑物防雷设计规范1中的具体内容进行保护设计"该办公楼属于第二类防雷建筑物#具体防护措施如下!
($)接闪器!将监控楼&配电室屋顶板内的钢筋焊接在上面#将钢筋焊接在上面形成接闪带形成接闪网#焊接装置与地板内的钢筋融为一体"根据0建筑物防雷设计规
范1中(&
(&$条应该在整个屋面组成不大于$%@n $%@或$)@n L@的网格#此处结合现场尺寸#将组成的接闪网格尺寸详见图("
())引下线!位于建筑物每个支柱内的两个主要钢筋必须焊接成一个防雷接地引下线#并与基础中引出的不少于两根钢筋焊接到地网上"根据0建筑物防雷设计规范1
第(&
(&(条#引下线必须至少有两根#并按照设计规范在建筑物的周长上均匀或对称布置引下#其距离不得超过
$L@"引下线布置可见下图("
(()接地装置!利用建筑物的基础钢筋作为一个接地装置#通过合理而有效的途径向地球释放雷电的能量#使用建筑物的钢筋结构"
(3)卫星接收天线的雷电保护措施!用接闪杆来保护#选用接闪杆是要先进行计算#计算可以参考图)#布置可以
参考图(#其中注意到将接闪杆设置离卫星天线为(&)米"计算过程如下!
单支接闪杆的保护范围的计算公式$$%%如下(式()!
3'I 5()53J 5槡)J 5'()53J 5'槡
)(()
式
(中!3'
/接闪杆在YF 高度的保护半径''
#!
53/滚球半径'5'/被保护物的高度"
现已知滚球半径53I 3?>#5'$I %D 3>#5')I $D %>"则对地的高度5$I
$0D 3>#5)I $1D %>"8$I 3D 0>#8)I 3D )>"要保证天线设备的安全#则应该确保在5'$高度下的接闪杆的保护范围3'$-8$'5')高度下的接闪杆的保护范围
3')-8)#即得以下算式(式3g
式?)!3'$I 5()53J 5槡)J 5$()53J 5$槡)-8$(3)3')I 5()53J 5槡)J 5)()53J 5))-8槡
)(?)
计算得
Y I
$L&'@
#则接闪杆长度约为(@"选用直径为$0@
@的圆钢#并且与接闪网连接在一起"图)屋面卫星天线接闪杆保护范围计算示意图
图(办公楼屋面防雷装置图
44(&$&)外场设备直击雷防护措施
根据0高速公路防雷设计规范1?&
)&$&3#外场摄像机&立柱或门架式情报板等外场设备宜采用接闪杆保护#其保护范围按滚球半径0%@计算"
该外场的机电设备主要是高杆照明灯和广场摄像机#接闪杆计算可以参考上面的计算公式#经过计算可得在这
些照明&摄像设备顶端装设?%,
@的接闪短针#采用直径$)@@的圆钢"利用外场摄像机和照明支撑杆金属构件作为引下线"只用杆的基础钢筋作为基地装置无法达到小于$%)的要求#则增设了人工接地体#采用辐射状#具体可以参考图("
(&)建筑物雷击电磁脉冲防护措施
防御雷击电磁脉冲的基本方法是屏蔽和等电位连接"理想的射线防护方案是采用法拉第笼原理的笼内辐射网络"建筑物的金属结构随处可见#不用大量的钢材就可以轻松地连接在法拉第笼中#从而保护建筑物内的电子设备"因此#根据前面算得的防护等级#我们将尽量利用位
于钢筋混凝土结构中的钢筋#也就是说#在建筑物的地板&屋顶&墙壁&梁和纵队中的钢筋"这是一个六角网格#即一个闪烁的网格#因此实现屏蔽构成第一级防护#对重要机房实行第二级和内部设备更高级地防护#这将在机房部分详述"接地的法拉第笼式接闪网#不仅是一个良好的-静电屏蔽.网#对防御雷电电磁脉冲干扰是最有效的措施"同时#通过对笼内导线和电子设备的静电感应#消除了对电脉冲的干扰和破坏#良好的屏蔽不仅解决了分路和设备两个问题#同时也使分流器和建筑物内的设备达到最佳的屏蔽效果#这种屏蔽效果好的钢条被用作直击雷的分流器引下线#在建筑物周围均匀对称布置#也可对局部直击雷对内部电磁场的干扰和破坏进行相互补偿"此外#建筑物的整体屏蔽还能防球雷&侧击和绕击雷的袭击$$$%"
(&)&$屏蔽
屏蔽是利用各种类型的金属屏蔽来屏蔽和减少各种电子设备的电磁干扰或过载能量#它包括建筑物(构筑物)
的屏蔽&机房的屏蔽&线路的屏蔽以及设备的屏蔽等"
$
#!
此前的直击雷防护设计便也是加入了屏蔽的想法#尽量选用了钢筋混凝土内的钢筋"与收费亭类似#监控室和配电室利用建筑物内金属结构的钢筋#形成一个良好的六面体雷电-法拉第笼.接收网络"与收费亭不同#收费仓库的设计形式不能形成良好的屏蔽条件-法拉第笼."因此收费大棚的钢架结构&金属顶棚以及作为引下线的柱内钢筋均更加注意了可靠的电气连接"
放置在屋顶和室外的各种金属线(电源线和信号线)均为金属或金属管内的屏蔽线#建筑物两端和入口均可靠"屋面上的所有金属物均与楼顶接闪装置多点可靠电气连接"
(&)&)等电位
均压等电位是将所有的金属物体进行电气连接#使电位均衡"其目的是减少雷击电流引起的电位差#主要设备
存储终端面板(5
B Q )必须位于办公室建筑线路的出入口处#用于存储本地设备(A
B Q )的终端面板应位于每层电缆的入口处和出口处#并靠近配电箱(移动式)#机房内必须
有足够的本地设备地面(A
B Q )#浴室和综合办公室内必须至少有一个本地设备地面终端(A
B Q )"各等电位接地端子板及总等电位接地端子板就近与接地干线或辅助接地干线进行可靠电气焊接$$)%"
建筑物内部所有不带电金属物体都电气连通#实现建筑物内部的等电位"进入大楼的电缆金属外皮&自来水管&消防管道&金属构件在进入大楼时进行电气连接"在机房铺设了闭电等电位连接带#机柜&机架&机壳&防静电地板&天花板等金属部件将室内所有非充电金属部件切实接地#进一步降低雷电电磁脉冲的危害"
(&(共用接地系统
可靠的接地系统是保护人的安全&设备安全和系统稳定的重要保障#也是排雷系统的重要基础"在本文件所述的区域内#一个合理的接地系统可迅速释放电流#减轻剩余压力#防止地球发生事故和有效减少威胁的能力"
'结语
雷电灾害对高速公路收费区域的影响是多种多样的"本文主要对启扬高速公路扬州段瘦西湖收费站办公楼进行了外部防雷装置的设计"对高速公路收费站机电系统的防雷设计#不仅仅取决于防雷装置的性能#更重要的是在系统设计和施工之前#必须对其进行防雷设计#考虑系统的地理环境和所在区域是否有高雷击#然后设计布置适当的技术系统#如接闪分流&电压平衡&屏蔽&接地&布线&浪涌保护器等相关方案"
通过基本的分析与设计能够使该收费站的防雷设施保证比较正常的工作环境#但是还是有存在不足的地方#
比如本文中办公楼受其使用功能的限制#不能形成很好的
-法拉第笼.屏蔽条件#收费处一些精密仪器可能受到侧击和绕击雷的袭击#应该要从另外的方面进行防护#所以还有待于更深的学习与研究"总而言之#防雷保护设计应该要将内部&外部以及所处环境特点综合考虑#才能获得良好的效果#体现防雷工程设计的综合性和统一性"
参考文献
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')(王中洋#李祥超&信号系统O;!的选用技术'S (&北京)科技创新导报#)%%'#)'))$2))&
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?)&'3(冯民学&高速公路综合防雷设计要点'S (&北京)中国交通信息产业#)%%0#')?'2
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'$$(梅卫群&建筑防雷工程与设计'5(&气象出版社#)%%L&
'$)(U :@T =Y ]&;8.Y:W T D #d 8=Y/Y/W 8Q :M:#5:=:W a #=Y//&`a@T W /,:D T D T ,<W 8@:E -T </,:-:D >=/=8_<W :-=/T -</-Na,T N X 8D <:E T =:==8,/:<T N Z /<Y D /E Y<-/-E <8<:D D =<W a,<aW T &S 8aW -:D 8_B D T ,<W 8=<:<2/,=#)%%3%0%&)$3$2$31&
作者简介 柏杨%$''$,4&#男#汉族#江苏扬州人#本科#助理工程师#研究方向)雷电防护科学与技术$陈建华
%$'L),4&#男#汉族#江苏扬州人#本科#工程师#研究方向)雷电防护科学与技术$陶磊%$'L3,4&#男#汉族#江苏扬州人#本科#工程师#研究方向)雷电防护科学与技术$孙磊%$'L),4&#男#汉族#江苏扬州人#本科#助理工程师#研究方向)雷电防护科学与技术$钱丹%$'L?,4&#女#汉族#江苏扬州人#本科#助理工程师#研究方向)雷电防护科学与技术"
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