建筑防雷設計中的地電位反擊防護

溫昶1馬艷寧2

(1．西安高新區質檢站710048；2．西安建筑科技大學設計院710055)

    隨著電子技術的快速發展，集成電路對電壓和電流脈沖的敏感程度越來越高，除直接雷擊影響外，雷電引起的沖擊過電壓和電流是成為造成電子設備損壞和工作中斷的主要因素之一。據統計，全世界每年因雷害造成的損失超過l00億美元。而這其中90％以上的損失是雷擊造成電氣設備損毀引起的。由此可見防雷設計的重點已由過去的只突出保證人員和建筑本身的安全變為同時保證人員、建筑、電氣設備的安全。為此《建筑物防雷設計規范》GB50057—94特地在2000年版的修訂中也相應增加了第六章：防雷擊電磁脈沖。但筆者認為其內容依然不全面。據有關資料顯示：雷擊電磁脈沖入侵電子設備主要通過以下三條途徑：(1)由交流供電電源線入侵。(2)由通信信號線入侵。(3)由地電位反擊入侵。而《建筑物防雷設計規范》2000年修訂版對地電位反擊的防護并未明確提及。下面通過具體的雷擊案例對弱電系統防雷設計中上述易被忽視的方面加以論述。

    筆者曾在屬于多雷地區的廣東省惠州市工作過兩年，期間曾參與幾起雷擊造成火災自動報警系統主機損壞事故的分析鑒定工作。在這一過程中發現兩起事故是地電位反擊造成的。當時現場的基本情況如下：

    1)惠州當地的10KV供電線路均為利用電纜在電纜溝內敷設或埋地敷設，沒有架空線。

    2)大樓內供配電系統的高壓及低壓配電柜均設有避雷器。消防控制室的消防專用配電箱內設有電涌保護器，且設置及參數符合《建筑物防雷設計規范》 GB50057-94(2000年版)中有關章節的要求。

    3)火災自動報警系統主機信號接口的隔離模塊內集成有過電壓保護功能。

    4)兩棟高層均按二類防雷建筑物設防，均利用建筑物本身的基礎鋼筋網作為聯合接地極。根據當年的防雷檢查記錄，其工頻接地電阻分別為0.3歐姆、0.4歐姆。其避雷網、引下線、接地體等防雷設施符合《建筑物防雷設計規范}GB50057-94(2000年版)中的要求。

    5)兩棟高層均按照《火災自動報警系統設計規范))GB50116—98中5.7.2及5.7.3的要求設置了專用接地干線作為火災自動報警系統的直流工作接地。

    從以上情況來看，兩棟建筑防雷設計及火災自動報警系統設計均滿足其相應規范的要求。那為什么火災自動報警系統依然遭受雷擊損壞呢?

    筆者與消防設備廠家的技術人員一起通過現場對損毀設備實物分析發現：兩起事故均為高層建筑內的火災自動報警系統主機板對機柜內金屬構件發生過電壓，造成絕緣擊穿而燒毀了主機板。當時火災自動報警系統主機交流供電部分的電涌保護器及信號接口隔離模塊內的過電壓保護器件均未失效或損壞，基本上可以排除雷擊時通過電源回路及信號回路引入高壓電涌造成系統損壞的可能。筆者在與另一個品牌火災自動報警系統廠家的技術人員進行交流的過程中得知：他們的系統以前也出現過相同的情況，后來發現同樣的設備只要不做直流工作接地，則設備反倒在雷擊中安然無恙。盡管這樣做與《火災自動報警系統設計規范》中的要求不符。用他們的話講就是：做直流工作接地反而引雷。那么為什么會出現這種情況?原來《火災自動報警系統設計規范》中設置專用接地干線的作用是使火災自動報警系統中電路的直流工作地電位鉗制在一個固定的電位上，目的是為了使系統在正常狀態下更穩定地工作，減少因各種干擾引起系統內部直流工作地電位的浮動，從而避免因系統錯誤造成的誤報。但是，在建筑物遭受直擊雷而接閃的情況下，根據《建筑物防雷設計規范》 GB50057—94(2000年版)中的公式，建筑物高度hx處對大地的電位差U=UR+UL=I.R1+L0.hk.di/dt[式中uR為接地體對大地電位差(KV)；uL引下線上的電感電壓降(Kv)；I為雷電流幅值(KA)；R1為沖擊接地電阻(Q)；L0為引下線單位長度電感，此處取值為l.5μH／ m；di／dt為雷電流陡度(KA／μs)，則建筑物距接地體高度為h處的對接地體電位差Ub=Lo.h.di／dt。本案例中近似取消防控制室地面距接地體(基礎底板鋼筋網)高差h為8米(兩棟高層均有兩層地下室)，引下線為8根。根據《建筑物防雷設計規范>>GB50057—94(2000年版)附錄五，分流系數為Kc=1／8；又根據《建筑物防雷設計規范>>GB50057—94(2000年版)附錄六所提供的數據，經計算，首次雷擊時消防控制室地面對接地體電位差U8=22.5KV；后續雷擊時U8= 225KV。在火災自動報警系統主機電路未被擊穿時，由于專用接地干線內電流近似為零，所以火災自動報警系統主機電路板地電位與建筑物接地體上電位相同。主機金屬機柜通過地角螺栓與地板內結構鋼筋相連而處于同一電位。本案例中建筑物接閃時，金屬機柜對火災自動報警系統主機電路板地電位的電位差為Ua。由以上推導可知，建筑物接閃時，火災自動報警系統主機電路相對與火災自動報警系統主機金屬機柜有約兩萬至二十萬伏的電位差。而這個電位差正是造成本案例中火災自動報警系統主機被雷電擊毀的原因。并且此電位差會隨著機房高度h的增加而線性地增加，其豎向的電位梯度極大，可達每米數千伏。相反未做直流工作接地的系統，由于電路板處于浮地狀態，其直流工作地電位會隨著機殼電位浮動，故未出現致命的過電壓，設備反而在雷擊中安然無恙。但這是以犧牲系統工作穩定性為代價的。

    這樣的情況也同樣出現在其它的弱電系統中，例如：樓宇自控系統、網絡系統、某些大型醫療設備等。并且由于其它弱電設備安裝處的高度h往往大于火災自動報警系統主機安裝處的高度(消防控制室大多設于易疏散的一層)，由此引入的危險電位差Uh也大于火災自動報警系統。又因為有的系統還要求專用的獨立接地極，其引入的電位差更大，為UR+UL。

    由以上分析可知：弱電設備的專用直流工作接地雖然可以穩定系統的直流工作地電位，使系統更準確可靠地工作，但同時在建筑物遭受雷擊而接閃時，也會因地電位反擊而燒毀設備。如何趨利避害，既要發揮專用直流工作接地抗干擾的優越性，又要防止大樓遭直擊雷時破壞性的地電位反擊是電氣專業設計人員在防雷設計過程中應解決的問題。這要從兩個方面來解決：l.弱電設備的設計人員要在設備內部的電路設計時就在電路與金屬機殼之間加入過電壓保護器件。2.建筑電氣的設計人員應在弱電設備直流工作接地干線的設備端與設備安裝處的預留鋼板(與此處結構鋼筋焊接)之間設置電涌保護器。通過以上兩個方面的防護，在未遭直擊雷的絕大多數情況下，由于電涌保護器及過電壓保護器件的隔離作用，專用接地干線與建筑物的結構鋼筋處于高阻抗的絕緣狀態，專用直流工作接地可以照常發揮其抗干擾的優越性；在遭雷擊的特殊情況下，電涌保護器或過電壓保護器件導通(忽略殘壓)，相當于專用直流接地干線與在弱電設備處的建筑物結構鋼筋(設備金屬外殼)構成瞬時等電位體，機房內的弱電設備可以避免因其內部電路板的直流工作地電位與金屬外殼或結構鋼筋之間形成過電壓而引起的損壞。

    近年來，雖然《建筑物防雷設計規范》GB50057—94(2000年版)對原規范作了修訂，增加了防雷擊電磁脈沖的章節，但對于如何防止地電位反擊對弱電設備的損害卻未做出明確的規定。而相應的專業設計規范如：《火災自動報警系統設計規范》、《建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范》、《電子計算機房設計規范》等也均未提及。因此建筑電氣設計人員在做防雷設計時對地電位反擊的防護往往漏項，造成防雷設計的防護不全面。

依據標準及參考文獻：

1.《智能建筑設計技術》華東建筑設計研究院編著

2.《建筑電氣專業設計技術措施》北京建筑設計院編著

3.國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057—94(2000年版)

4.國家標準《火災自動報警系統設計規范》GB50116—98

5.國家標準《建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范}GB／T50311-2000

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)