广电大楼雷电综合防护设计探讨

 [摘要]    本文从杭州广电大楼对防雷的特殊要求出发，综合采用了直击雷防护，雷击电磁脉冲防护，屏蔽，等电位接地等多种方法进行雷电综合防护设计。结合对规范的理解，阐述了具体设计中的思路和实施方法，并简单介绍了所应用的新型防雷产品。

[关键词]  雷电综合防护设计   雷击电磁脉冲  防浪涌保护  等电位接地

一、工程概况

杭州广播电视中心是一座全新的功能齐全、技术先进、现代化的广播电视中心工程。大楼自办并播出6套电视节目，4套广播节目，并完成各套电视节目的录制、节目后期制作及节目播出传送。广电大楼的设备机房要求有一个良好的电磁环境，                          雷电综合防护系统的设计尤为重要，它能保护各类设备的运行安全，防止受雷击而损坏，能防止各类信号互相串扰，影响广播电视节目制作，播出质量，是保证大楼正常运行的基础。

二、直击雷防护系统

 大楼经计算按第二类防雷建筑物设防，采用法拉第笼式防雷体系。

按闪器采用环状避雷带和避雷短针相结合方式，在屋面组成小于10米x10米的避雷网格防止直击雷。屋顶上所有突起的金属构筑物、管道等均与避雷带连接。屋顶上的航空障碍灯、信号灯等均置于避雷针或避雷网的保护之下。卫星接收天线等大型设备设独立避雷针保护，要求有两个接地引下点与两个不同方向的避雷带相接。利用建筑物外侧柱内主钢筋作为防雷装置的引下线，引下线与基础底板、桩基内的钢筋上下贯通接地。侧面利用建筑物每层楼板、墙、梁、柱内的水平或竖向钢筋及钢结构，以及外墙上的所有较大金属构件均应连成一体，并与建筑物外侧柱内作为避雷引下线的钢筋连接，这样就构成一个法拉第笼式的防雷框架。根据《建筑物防雷设计规范》（2000年版）附录二的易雷击部位和附录五中雷电流分布系数的计算公式和分布模型可知，大楼钢筋的雷电流分布差别很大。外墙角部位的雷电流分布最高，且电流与引下线根数成反比,故在设计时把外墙角的几个柱子的主筋均利用作为避雷引下线，并将这些引下线的根数，截面适当增大，利用柱子外侧的四根大于φ16的钢筋焊通作为引下线。位于大楼外侧的引下线由室外地坪下0.8米引出，甩出1.5米φ12镀锌圆钢，以加快雷电流的散流速度。为防止雷电流流经引下线时产生高电位引起反击，参考IEC建筑防雷篇中的规定：电子设备在LPZ1区需与引下线保持一个柱网的距离，其余避雷引下线（除外墙角）设置时，在满足规范要求的平均间距下，尽量与广电机房的相关设备和接地端子等保持上述安全距离。

   广电大楼主楼的屋顶设有高62米的塔桅，塔桅上有四组天线，有20根左右分馈线电缆引入机房，靠近顶端处还装有航空标志灯。设计考虑设置独立的避雷针，将接闪器放在塔桅的顶端。它可以保护塔桅，天线，航空标志灯，主楼屋面也基本在它的保护半径内。这是大楼最易受雷击处，且雷电流经塔桅段长距离引下时无处分流，故引下线承受的瞬间雷电流很大。如果采用普通的导线或利用塔桅作为引下线，雷击时由于电感的耦合效应，沿塔桅敷设的电源线、信号线上会产生感应电压U:

U=M*dt/dt   M为 电源线、信号线与引下线之间的互感

且电源线、信号线在几十米距离内，都与引下线近距离平行敷设，使这些线之间的互感与引下线的自感基本相等，使电源线、信号线上的感应电压接近最大值。高电位容易通过电源线、信号线引入机房，也容易引起较大的反击，损坏附近设备。故设计采用了专用的高压屏蔽同轴电缆作引下线，通过建筑外侧专用管井接至专用铜包钢接地棒，并与基础接地网连通。这种屏蔽电缆由引张线，塑料填充剂，铜导体，内绝缘、外铜导体，外绝缘和传导护套构成，全部以同心圆排列。主铜导体截面为50mm²,下导体电感≤22nH/m, 下导体电容≥1100pF/m,下导体电阻率≤0.0005Ω/m。

三、雷击电磁脉冲防护系统

 广电大楼的工艺设备大量采用了微电子技术和计算机技术，抗雷击电磁脉冲的能力很差，在闪电强磁场环境下易损性较高，应着重考虑防雷击电磁脉冲的设计。

1.屏蔽

通过屋面避雷网，引下线，每层的均压环和顶板、外立面等钢筋混凝土构建，组成一个法拉第笼式防雷网。这是减少电磁干扰的基本屏蔽措施，它构成了LPZ1和LPZ0区的边界。当建筑物附近发生雷击时，通过这个屏蔽层，伴随雷击产生的磁场强度会衰减。从屏蔽层外LPZ0区的H₀减为LPZ1区内的H₁ ，根据《建筑物防雷设计规范》（2000年版）公式（6.3.2-2）：

H₁=H₀/10^SF/20          式中SF为屏蔽系数。

以后续雷击的磁场为例，根据表6.3.2,：

SF=20log(8.5/W)     式中W为格栅形屏蔽的网格宽度。

从上述两式可推导出：

H₁=H₀/(8.5/W)= H₀W/8.5

由此可知，衰减后的磁场强度与网格大小成正比，屏蔽网格越小，衰减后的磁场强度也越小，衰减量越大。一些精密的设备机房，通过设备要求的磁场强度，可计算出人工局部屏蔽网的网格宽度：W=8.5H₁/H₀

上述计算是在距屏蔽层有一定安全距离的有效空间D_s/1才有效：

D_s/1=W*SF/10（米）

根据广电大楼的柱网、层高、窗框、外墙等自然构建物的尺寸，综合估算最外层自然屏蔽网格宽3米：

SF=20log(8.5/3)=9

D_s/1=3*9/10（米）=2.7米

H₁=H₀/(8.5/W)= H₀W/8.5=0.35H₀

这样，在离最外层屏蔽网格2.7米的有效空间内，LPZ1区的电磁场强度为LPZ0区的0.35倍。

上述公式也适用于LPZ2区及以内的后续防护区。每个屏蔽层都将进一步减小雷击电磁场的强度。广电大楼的设备机房尽可能放在建筑物中心部位，在雷电防护区的高级别区域内。

2．电源线防雷

电源线从LPZ0区引入大楼内部时，易将雷电流沿着导线引入设备，破坏设备的电子元件。这些导线防雷电的措施是，首先将穿过各防雷区的电缆外屏蔽层、金属套管和配电箱等在不同的防雷区界面处作等电位连接，分流部分的雷电流。广电大楼的等电位做法详接地章节。其次采用三级SPD保护，在低压柜进线处设一级保护，在楼层配电箱设第二级保护，在重要设备的终端配电箱处设第三级保护。

传统浪涌保护器的寿命较短，因为浪涌保护器长期接在电路上，不断有漏电流通过，加速其自然老化时间，降低模块的使用寿命。因此在广电大楼的设计中，我们选用了一种具有浪涌识别技术和顺序保护技术的SPD产品。它由多组MOV，浪涌开关和一串齐纳二极管组成。浪涌开关由浪涌识别器控制，使其只在高频浪涌到达时闭合，把MOV接入电路，起保护作用。由于MOV平时不接入电路，衰老极慢，可延长寿命。齐纳二极管在雷电浪涌到达时，首先动作，弥补了浪涌开关动作带来的响应滞后。

四、接地系统

广电大楼利用建筑物基础底板和桩基内的钢筋作共用接地装置，要求综合接地电阻应＜0.5欧姆。所有电气设备、安全保护及建筑物防雷的接地，采用总等电位接地，在不同的雷电防护区界面上设等电位接地端子板。考虑到广电大楼所有进出建筑物的设备管线均在室外埋地敷设，故在地下室外墙内侧明敷一圈均压环（4mm×40mm的镀锌扁钢），与建筑物外侧避雷引下线的钢筋相连，作为LPZ0和LPZ1界面上的等电位，所有进出建筑物的电气和设备管线金属外皮，均可方便地就近与均压环可靠连接。在每层的强弱电管井和工艺设备管井内设等电位接地箱，作为LPZ1和LPZ2界面上或更深入区域的等电位。在各工艺机房设等电位箱作为更深入雷电防护区域的等电位。

平时，为了避免杂散电流干扰和防止视频音频信号互相串扰，工艺系统的接地点引自建筑物中间部位（雷电防护区的高级别区域内）的基础接地装置，接地的总干线要求分别自成系统，各自独立。在工艺竖井内采用BV-450/750V-1x240mm的聚乙烯绝缘导线作为工艺接地主干线，每层设一块十位接地端子板。接地支线采用BV-450/750V-1x25mm的聚乙烯绝缘导线引至本层工艺机房专用接地盒。在大楼遇到雷击放电或感应过电压时，为避免地电位抬高引起设备损坏，工艺接地系统需与大楼等电位系统连通，故每层工艺竖井内的接地端子板通过电位均衡器与大楼的防雷均压网连通。电位均衡器平时呈现开路状态，一旦有电位差出现，均衡器马上导通，形成等电位网络。

五．结束语：

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