校园雷电防护项目设计方案浅析

王关甫
 

[摘要]本文主要讲述了校园内建筑物雷电防护设计的一些措施和依据
[关键词]直击雷 感应雷 雷电防护

一、项目概况
近年来随着教育事业的迅速发展，学校建筑规模在不断的扩大，信息技术的应用也日益普及。但由于部分学校尤其是老学校和农村学校防雷意识淡薄、防雷设计措施过时，许多建筑物和电子电器设备未能及时按国家有关法律法规和技术标准规定采取适当的防雷措施，一些新建、扩建建筑未按要求进行防雷装置的设计审核、竣工验收，已有防雷装置未定期检测，对存在的防雷隐患不能及时整改，致使雷击造成师生伤亡和经济损失的事故时有发生。为贯彻落实《国务院办公厅关于进一步做好防雷减灾工作的通知》和国家气象局、教育部《关于加强学校防雷安全工作的通知》精神，现要进一步加强学校防雷安全工作。我省是雷暴天气多发地区，据气象部门统计，近四十年来，浙江省平均年雷暴天数在51天以上，属多雷区，地雷环境易遭致雷击活受其影响。为确保学校师生的安全，对建筑物防雷击及电源防感应雷等保护是至关重要的。现根据“安全第一，预防为主”的原则，结合学校勘察情况和地理环境，做出科学、合理、安全、先进的技术设计。
二、设计依据
浙江地区地貌主要以山地、丘陵、平原三部分为主，地势西高东低，南部以低山、丘陵为主，中北部是杭绍平原和杭嘉湖平原，属亚热带季风气候，降水以春雨、梅雨、台风雨为主，而雷暴日天气又比较高，所以地理位置决定了其弱电设备受雷击的概率比较大。
雷击分直击雷和感应雷。直击雷指雷云对大地某点发生强烈放电，它可以直接击中设备，属于可感应雷击，有声光并发；感应雷在不易感觉中发生，后果严重。直击雷主要对放电通路上的建筑物造成损坏或者击死伤人畜等。而感应雷主要破坏电子、通信、计算机网络和电子设备等。近年来，随着高层建筑的增加，现代化通信网络的建立及易燃易爆场所的增加，感应雷带来的危害越来越大。据统计，直击雷仅占各种雷击损失的15%，感应雷造车的损失缺高达85%。
根据勘察情况反馈，学校存在着建筑物无直击雷防护，机房弱电系统无防雷保护措施，机房设备等无等电位连接。如建筑物受雷击时，无引下线泄放，造成外围引下线雷电流分流偏大，而较大的雷电流易对建筑物内各类线路造成更大的危害，甚至引起火灾。因此，对雷电防护要从多方面入手，针对重点每年检查，对直击雷的防护是重要的一环。
三、防护设计
首先确定建筑物防雷等级，按下列公式预测该建筑物年雷击次数：N=K.Ng.Ae，Ng=0.024Td1.3。
其中：N预测雷击次数（次/年），K校正参数，一般情况下取1
Ng建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/（Km2.年）]
Ae截收雷击次数的面积（Km2），取0.05
Td年平均雷暴日，为51天
N=1×0.024×511.3×0.05=0.20（次）。
根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000版）第二章2.0.1条“建筑物应根据其重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，按防雷要求分为三类”，学校建筑不存在易燃易爆场所，其类别判定为规范第二章第2.0.1条、第2.0.4条和规范附录一计算程序。对学校建筑物防雷类别判定为三类，应遵从规范第2.0.4条“第二、预计雷击次数大于或等于0.012次/a，且小于或等于0.06次/a的部、省级办公建筑物及其他重要或人员密集的公共建筑物。”
依上所述，防雷等级为B级，宜在配电系统安装2~3级浪涌保护。
计算结果满足规范，学校内建筑物满足同一时间内聚集人数超过50人，属于人员密集的公共建筑。其重要性、使用性质等决定了发生雷电事故的后果比较严重，其防雷安全不可轻率对待，根据以上计算分析及规范对应的条款要求，学校防雷类别划定为三类。
因此制定以下措施，使其形成一个完善的防雷系统：
1、宜在电气设备供电系统安装分级的电源SPD,防范雷电从电源线入侵二损坏设备；
2、对不符合要求的有源电气设备做好接地，并做等电位连接；
3、进行必要的屏蔽措施。
机房内各种电气柜利用接地母线连接其他金属材料，在机房静电地板下利用铜排设置接地网格，使机房形成一个屏蔽笼（即法拉第笼）。用来防止外来电磁波（含雷电的电磁波和静电感应）干扰机房内设备。
等电位连接：将机房内所有金属物件，包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳等金属构件进行直接或间接（即通过防雷器）电气连接。
接地：在计算机网络系统中，为保证其稳定可靠的工作、保证雷击电流能安全迅速通过防雷器对大地泄放，保护计算机网络设备和人身安全，解决环境电磁干扰及静电危害，需要一个良好的接地系统。
过电压保护：在电子设备的信号线、电源线上安装相应的过电压保护器，利用其非线性效应，将线路上过高的脉冲电压滤除，保护设备不被过电压破坏。主要的保护器件为间隙、氧化锌压敏电阻、二级或三级放电管、快速掐位二极管等，根据需要进行组合成相应的防雷保护器。
电源系统如采用TN刺痛供电时。从建筑物内总配电箱开始引出的配电线路和分支线路采用TN-S系统供电。在配电间低压配电处进行第一级避雷保护，采用大通量的防雷器，要求最大放电电流≥100KA（8/20μs）。配电箱输入端进行第二级避雷保护，防雷器前端串接保护开关，建议采用空气开关，要求最大放电电流≥60KA（8/20μs）。在UPS、分配电箱进线的配电输入端分别加装第三级避雷保护，防雷器前端串接保护开关，采用空气开关，要求最大放电电流≥40KA（8/20μs）。
学校宜采用联合接地系统，接地电阻要求小于各系统要求的最小值。如无法采用联合接地，则防直击雷接地电阻小于10Ω，用电设备的接地电阻应小于4Ω。屋面宜装设在建筑物上的避雷网（带）或避雷针或由其混合组成的接闪器。避雷网应沿屋角、屋脊和檐角等易受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成不大于10m×10m的网格。所有避雷针应与避雷带相互连接。引下线应不小于两根，并应沿建筑四周均匀或对称布置，其间距不应大于18m。当仅利用建筑物四周的钢柱或柱钢筋作为引下线时，可按跨度设引下线，单引下线的平均间距不应大于18m。防直击雷的人工接地体距建筑物入口或人行道不应小于3m，当小于3m时应采取下列措施：水平接地体局部埋深不应小于1m；水平接地体局部应包绝缘物，可采用50~80mm厚的沥青层；采用沥青碎石地面或在接地体上面敷设50~80mm厚的沥青层，其宽度应超过接地体2m。
当今电子系统的雷电防护是系统性的，包括直击雷的防护、防雷电波入侵、防雷击电磁脉冲（LEMP）、等电位连接措施、屏蔽措施、规范的布线、安装浪涌保护器（SPD）、完善合理的接地系统等。如果某个环节考虑不周，即使安装了部分防雷装置，其防雷效果也会大打折扣，甚至形同虚设。作为对现代化计算机信息系统进行雷电防护设计的人员，应根据国家相关标准，结合实践经验和用户的环境因素，做出完善的防雷方案，从而保证弱电系统安全运行。

参考文献
[1]《工业与民用配电设计手册》第三版 水利电力出版社
[2]《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000版）