（大气物理学与大气环境专业论文）智能建筑综合雷电防护技术探索与研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真 实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它 机构已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了声明并 表示了谢意。 作者签名： 整出鱼 日期：之! i ：。l 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：蕈山强 日期： 3 业i 。l 南京信息工程大学硕士学位论文 智能建筑综音雷电防护技术探索与研究 摘要 雷电灾害多发于夏季，是强对流天气灾害的一种。雷电灾害，也是目前中国十大自然 灾害之一，据统计，我国有2 1 个省、区、市雷暴e 在5 0 天以上，最多的可达1 3 4 天。雷 暴给人们生活带来了极大的安全隐患。尤其是近年来，中国社会经济、信息技术特别是计 算机网络技术发展迅速，城市智能建筑物巨盏增多，雷电危害造成的损失也越来越大。智 能建筑对防雷技术提出了更新更高的拂战，在防雷技术相对滞后于智能建筑技术发展的今 天，在智能建筑的防雷设计施工中应结合智能化子系统设各的特点遵循雷电自然规律， 全面系统地考虑智能建筑物的防雷设计，真正做到“安垒高效经济实用”。本文综合考虑 当地的雷暴特点、建筑物特点、内部设备特点、设备重要性等因素研讨了智能建筑物雷 电防护等级划分、雷面风险评估、外部防雷措施和内部防雷措施等方面的技术和方法，为 智能建筑物的雷电防护工作提供参考。 关键词：智能建筑、雷电防护等级划分、雷击风险评估、外部防雷措施、内部防雷措旋 南京信息工程大学硕士学位论文智能建筑综合雷电防护技术探索与研究 a b s t r a c t l i g h t n i n gh a z a r d su s u a l l yh a p p e ni ns u e l m e r ，t h e ya r eo n ek i n do fm e t e o r 0 1 0 9 l c b l h a z a r d sc a u s e db ys t o o gc o n v e c t i o n ，l i g h t n i n gh a z a r d sa r eo ft h et o pt e nn a t u r a l h a z a r d si ac h i n ar e c e n t l y a c c o r d i n gt ot h es t a t t h el i g h t n i n gd a yi n2 l p r o v i n c e s ，m l n l i c p a l i t l e so re i t i e si s 且b o v e5 0 ，a n dt h em o s te r i el s1 3 4a tb e s t l i g h t n i n gc a l lb r i n gh i g hs a f e t yt r o a b l et oh u a a n1 i r e se s p e c i a l l yt h e s ey e a r s 。 a l o n gw i t ht h er i s eo fc h i n s s ee c o n o m ya n d t h e f a s td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，m o r ea n dm o r ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g se r ec o n s t r u c t e de v e r y w h e r e t h e l o s tc a u s e db yl i g h t n i n gh a z a r d sa r el a r g ea n dl a r g e t h ei n t e l l i g e n tb u i i d i n g s b r i n gh i g h e rc h a l l e n g et o1 i g h t h i n gp r o t e c t o ns k i l l sa si sk n o w nt ou sa i lt h e p r o g r e s so f1 i g h t n i n gp r o t e c t i r et e c h n e l e g yl a g st h eo a eo fi n t e l l i g e n tb u i d i n g s s oh o wt oc o m b i n et h ec h a r a c t e r s t i co fi n t e l l i g e n ts y s t e m s ，f o l l o wt h el i g h t n i n g e r d e ro fn a t u r e ，c o m p r e h e n s i v e l yt a k et h ep r o t e c t i o nc fi n t e l l g e n tb u i d i n g si n t o a c c o u n ti st h em o s tw a n t e di np r o t e c t i o np r o j e c t i o n t h i sd u p e ri n t e r g r a t i v e l y t a k e sl o c a ll i g h t n i n gc h a r a c t e r s t i c ，t h es p e c i a l t yo fb u i l d i n g s ，t h ee q u i p m e n t s i nt h e ma n d t h ei m p o r t a n c eo fe f l u i p m e n t si n t oa c c o u n t ，d i s c u s s e st h es k i l l sa n d m e t h o d so ft h e1 i g h t n i n gp r o t e c t i o nc l a s s i f i c a t i o no fi n t e l l g e n tb u i i d i n g s t h e a s s e s s m e n to f1 i g h t n i n gh a z a r d s ，t h em e a s u r eo fe x t e r i o rp r o t e c t i o na n dt h ei n n e r p r o t e c t i o n ，c a np r o v id er e f e r e n c ef o r t h ep r o t e c t i o no f i n t e l l ig e n tb n i d i n g s k e yw o r d s ：i n t e l i i g e n tb u i l d i n g s ，t h el i g h t n i n gp r o t e c t i o nc l a s s f c a t i o n ，t h e a s s e s s m e n to fl i g h t n i n gh a z a r d s ，t h em e a s u r eo fe x t e r i o rp r o t e c t i o n ，t h ei n n e r p r o t e c t i o n 2 南京信息工程大学硕士学位论文智能建筑综台雷电防护技术探索与研究 引言 雷电是一种强烈的大气放电现象。雷电闪击能够对地面上的建筑物和设施产生严重的 破坏作用，它是间接和直接造成许多灾害的根源之一。据美国的保守估计，主要由于雷电 冲击导致计算机网络系统失效或损坏，平均每年约占全部故障的7 0 。在德国各种灾害 造成的损害中，感应雷击造成的损害高居榜首，占全部灾害损失的3 3 8 。我国这些年也 雷害事故频繁、聚增，据一些省市统计，因雷害作用，电子设备的直接损失约占雷电灾害 总损失的8 0 ，造成了巨大的直接经济损失和无法估量的间接经济损失与杜会影响。 近年来，随着社会经济和技术的飞速发展，智能建筑方兴未艾。智能建筑物普遍称为 3 a 建筑或5 a 建筑，它集成了建筑设备自动化系统、办公自动化系统、通讯自动化系统， 以及辅之于实旆的结构化综合布线系统。它是高功能、高效率、高舒适性的现代化建筑。 随着信息技术的迅速发展，智能建筑物的建设向自动化、信息化和节能化方向发展，微电 子应用技术为代表的新技术已渗透到智能建筑的各个应用领域，并且不断增大。建筑物内 微电子设备繁多而且复杂，这些微电子设备通常属于耐过电压等级低，防干扰要求高的弱 电设备，最怕受到雷击。遭受雷击时，一部分能量( 约5 0 ) 通过建筑物外部防雷装置泄 入大地，另一部分能量则通过雷电流感应或耦合在金属管线上进入建筑物内破坏设备，因 此，智能建筑的防雷保护成为一个越来越重要的课题摆在我们面前。 对于智能化系统而言，除雷电直击外，最具破坏作用的是二次效应，由于雷电具有高 电位、大冲流、瞬时性的特点，强大的闪电产生静电场、交变电磁场和电磁辐射、雷电波 侵入、地电位反击等。雷电产生的电磁脉冲( l e m p ) 影响，雷电流变化梯度大，产生强大 的变电磁场，使周围的金属物产生感应电势和感应电流。一方面严重地干扰无线、有线通 讯；另一方面，一旦侵入微电子设备的信号入口，将使器件被击穿、烧毁，从而使网络瘫 痪，设备报废。国际电工委员会i e c 指出：雷电是高科技的天敌。由于电子设备的防护能 力较弱，敏感的电子设备其所能承受的能量最多只达毫焦耳级，而雷击释放的能量达到数 百兆焦耳，能量差别相当悬殊，因此必须采取措施加以保护。 在我国已投入使用的国家强制性防雷标准规范有g b 5 0 0 5 7 建筑物防雷设计规范和 g b 5 0 3 4 3 建筑物电子信息系统防雷技术规范二套，由于颁布时间和采用国际标准的不同， 二套规范在许多技术问题上存在矛盾甚至是大相径庭，例如地区雷暴曰等级划分、雷电防 护分级、防雷设计部分、“术语”部分等，使防雷工程设计施工者在实际操作过程中选择 困难、无所适从。另外，由于电子信息技术的飞速发展，使得其雷电防护技术往往处在落 后的境地，设备得不到可靠的雷电防护而造成损坏的灾害的发生概率越来越高。目前国内 外颁布了多份有关或包括智能建筑物雷电防护的标准。为了更好的消化和运用各种标准，并 按照标准设计较佳或最佳的雷电防护系统，许多问题亟待解决。 本文结合作者在江苏省智能建筑防雷设计规范编写过程中的实践，本着“高标准、高 要求”的原则，根据目前我国智能建筑防雷工程的实际情况和我国国情，参考应用国际和 国内外先进技术标准和实践证明成功的防护技术，对有关智能建筑物的雷电防护分级、外 部防雷措施和内部防雷措施等方面的技术和问题进行了探讨和研究。 南京信息工程大学硕士学位论文 智能建筑综合雷电防护技术探索与研究 第一章雷电、雷电对智能建筑物的危害 1 _ 1 雷电 夏季时分，在大气中常常发生伴有巨大隆隆爆炸声的强烈闪光现象，这就是人们常说 的雷电现象。通常所谓雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是 带电的云层对大地之间迅猛的放电。这种迅猛的放电过程产生强烈的闪电并伴随巨大的声 音。当然，云层之间的放电主要对飞行器有危害，对地面上的建筑物和人、畜没有很大影 响。然而，云层对大地的放电，则对建筑物、电子电气设备和人、畜危害甚大，这是我们 研究的主要对象。 雷击主要有三种形式：其一是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象， 叫做“直击雷”；其二是带电云层由于静电感应作用，使地面某一范囝带上异种电荷。当直 击雷发生以后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电 压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发 生高电压以致发生闪击的现象，叫做“二次雷”或称“雷电感应”i 其三是暂态高电位引起的 反击。 1 2 雷云的形成 当地面含水蒸气的空气受到炽热的地面烘烤受热而上升，或者较温暖的潮湿空气与冷 空气相遇而被垫高都会产生向上的气流。这些含水蒸气的上升时温度逐渐下降形成雨滴、 冰雹( 称为水成物) ，这些水成物在地球静电场的作用下被极化( 图1 1 ) ，负电荷在上， + 图1 1 水成物在大气电场中的极化 正电荷在下，它们在电场力作用下落下的速度比云滴和冰晶( 这二者称为云粒子) 要大， 因此极化水成物在下落过程中要与云粒子发生碰撞。碰撞的结果是其中一部分云粒子被水 成物所捕获，增大了水成物的体积，另一部分未被捕获的被反弹回去。而反弹回去的云粒 子带走水成物前端的部分正电荷，使水成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快，而云 粒子下降的速度慢，因此带正、负两种电荷的微粒逐渐分离( 这叫重力分离作用) ，如果遇 到上升气流，云粒子不断上升，分离的作用更加明显。最后形成带正电的云粒子在云的上 部，而带负电的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式下降到地面。当 4 南京信息工程大学硕士学位论文智能建筑综合雷电防护技术探索与研究 下面所讲的带电云层一经形成，就形成雷云空间电场，空间电场的方向和地面与电离层之 间的电场方向是一致的，都是上正下负，因而加强了大气的电场强度，使大气中水成物的 极化更厉害，在上升气流存在在情况下更加剧重力分离作用，使雷云发展得更快。 从上面的分析，好像雷云总是上层带正电荷，下层带负电荷。实际上气流并不单是只 有上下移动，而比这种运动更为复杂。因此雷云电荷的分布也比上面讲的要复杂得多。 根据科学工作者大量直接观测的结果，典型的雷云中的电荷分布大体如图1 2 所示。 图1 2 典型的雷电云中的电荷分布，按理论归纳 测试结果表明，大地被雷击时，多数是负电荷从雷云向大地放电，少数是雷云上的正 电荷向大地放电；在一块雷云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向 大地放电。从观测证明，发生正电荷向大地放电的雷击显得特别猛烈。这样的假说首先是 由威尔逊( w i i s o n ) 提出的，通常把它叫做威尔逊假说i 】“。 综上所述，雷电的成因仍为摩擦生电及云块切割磁力线，把不同电荷进一步分离。由 此可见雷电的成因或者说主要能源来自于大气的运动，没有这些运动，是不会有雷电的。 这也说明了为什么雷电总伴随着狂风骤雨而出现。 1 3 电离层与地面间的电荷平衡 图l _ 3 地球电场示意图 5 南京信息工程大学硕士学位论文智能建筑综合雷电防护技术探索与研究 上面说过，地球是一个表面带负电荷的球体，并且它所带的负电荷量长期稳定在5 1 0 5 c 水平，而在地球上空的电离层上则带有相等的正电荷，使电离层与地面之间的电压约3 0 0 i v 。 因而在电离层与地面之间存在一个电场，晴天时在地面附件的电场强度为1 2 0 v m 。即使在 晴天时，大气中总有一些空气分子被电离。地球电场如图1 3 所示。 在电场的作用下造成放电电流。根据观测和计算的结果表明，全地球平均放电电流强 度为1 8 0 0 a ，如果长期如此，电离层与地面之间的电荷将很快放电完毕：然而事实上，它 们之间大致长期保持恒定的电量和电压，这主要由于雷暴的形成和雷击，把正电荷从大地 送回到电离层，起到对电离的正电荷充电的作用。根据卫星观测资料及电学观测资料估计， 在任何一时刻全地球表面上连续发生着大约1 0 0 0 个雷暴，从而使电离层与大地之间的电场 保持稳定9 ”。 1 4尖端放电与雷击 由物理学可知，通常物体内部的正电荷和负电荷是相等的，所以从整体来看不显示带 电现象，当某一物体所具有的正、负电荷不相等时，这个物体就显示带电的特性，当物体 内部的正电荷多于负电荷，物体带正电，反之带负电。由于电荷都有异性相吸、同性相斥 的特性，所以带电物体中的同性电荷总是受到互相排斥的电场力作用。以一个如图2 4 那 样的带尖锋的金属球为例，假如金属球带上负电( 同理也可以解释带上正电) 由于电荷同 性相斥的作用，电子总是分布到金属球的最外层表面，并且有“逃离”金属球表面的趋势。 球带尖锋部分的电子受到同性电荷往外排斥力最强，故最容易被排斥离开金属球，这就是 通常说的“尖端放电”。 图1 4 带尖锋的金属球上的电子分布 当天空中有雷云的时候，因雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，雷云下方的地面 和地面上的物体都带上与雷云相反的电荷。雷云与其下方的地面就成为一个己充电的电容 器，当雷云与地面之间的电压高到一定的时候，地面上突出的物体会比其他物体更容易放 电， 开始产生的先驱放电是不连续的，是一个一个脉冲地相继向前发展。它发展的平均速 度为1 0 。1 0 。m s ，各脉冲间隔约3 0 9 0us ，每阶段推进约5 0 m 。先驱放电常常表现为分 枝状，这是由于放电是沿着空气电离最强、最容易导电的路径发展的。这些分枝状的先驱 放电通常只有一条放电分支达到大地。 气弓， 铀牝； i p采；寸中 南京信息工程大学硕士学位论文 智能建筑综合雷电防护技术探索与研究 当先驱放电到达大地，或与大地放电迎面会合以后，就开始主放电阶段，这就是雷击。 在主放电中雷云与大地之间所聚集的大量电荷，通过先驱放电所开辟的狭小电离通道发生 猛烈的电荷中和，放出能量，以至发出强烈的闪光和震耳的轰鸣a 在雷击中，雷击点有巨 大的电流流过。大多数雷电流峰值为几十i ( a ，也有少数上百l 【a 以至几百k a 的。雷电流峰 值的大小与土壤电阻率的大小成减函数关系，即土壤电阻率高，则雷电流峰值小；土壤电 阻率低，、则雷电流峰值大。 雷电流大多数是重复的，通常一次雷电包括3 4 次放电。重复放电都是沿着第一次放 电通道发展的。雷电之所以重复发生，是由于雷云非常之大，它各部分密度不完相同，导 电性能也不一样，所以它所包含的电荷不能一次放完，第一次放电是由雷云最低层发出的， 随后放电是从较高云层、或相邻区域发出的。一次放电全部时间可达十分之几秒。 1 5 雷电特性 l 、雷电流的特性 雷电破坏作用与峰值电流及其波形有最密切的关系。雷击的发生、雷电流大小与许多 因数有关，其中主要的有地理位置、地质条件、季节和气象。其中气象情况有很大的随机 性，因此研究雷电流大多数采取大量观测记录，用统计的方法寻找出它的概率分布的方法。 根据资料表明，各次雷击闪电电流大小和波形差别很大。尤其是不同种类放电差别更大。 为此有必要作如下说明。 由典型的雷雨云电荷分布可知，雷雨云下部带负电，而上部带正电。根据云层带电极 性来定义雷电流的极性时，云层带正电荷对地放电称为正闪电，而云层带负电荷对地放电 称为负闪电。正闪电时正电荷由云到地，为正值，负闪电时负电荷由云到地，故为负值。 云层对地是否发生闪电，取决于云体的电荷量及对地高度或者说云地间的电场强度。雷云 对大地放电多为负闪击，其电流峰值以2 0 5 0 k a 居多。正闪击比负闪击猛烈，其电流幅值 往往在i o o k a 以上，我国黑龙江省近年曾发生过3 0 0 k a 正电荷闪击记录( 通常2 0 0 k a 以上 属少见) 。 2 、闪电的电荷量 闪电电荷是指一次闪电中正电荷与负电荷中和的数量。这个数量直接反映一次闪电放 出的能量，也就是一次闪电的破坏力。闪电电荷的多少是由雷云带电情况决定的，所以它 又与地理条件和气象情况有关，也存在很大的随机性。从大量观测数据表明，一次闪电放 电电荷q 可从零点几库仑到1 0 0 0 多库仑。然而在一次雷击中，在同一地区它们的数量分布 符合概率的正态分布。第一次负闪击的放电量在1 0 多库仑者居多。 一朵雷云是否会向大地发生闪击，由几个基本因素决定，其一是云层带电荷多少，其 二是把云层与大地之间形成的电容模拟为平板电容时，它对大地的电容是多少。当然这个 模拟电容两极之间的电压就是由电容和带电量决定的。当这个模拟电容内的电位梯度d u d l 达到闪击值时就会发生闪击。当闪击一旦发生，云地之间即发生急剧的电荷中和。 雷电之所以破坏性很强，主要是因为它把雷云蕴藏的能量在短短的几十us 放出来， 从瞬间功率来讲，它是巨大的。但据有关资料计算，每次闪击发出的能量只相当燃烧几千 克石油所放出的能量而已。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 智能建筑综合雷电防护技术探索与研究 3 、雷电波的频谱 雷电波频谱是研究避雷的重要依据。从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的 能量在各频段的分布，根据这些数据可以估算通信系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量 大小，进而确定避雷措施；在电力系统中，了解雷电波频谱分析在避雷工程中，也可以根 据其分析结果，用最小的投资，达到足够安全的效果。 虽然各种雷电波总体的轮廓相似，但是每一次雷电闪击的电流( 电压) 波形仍存在很大 的随机性。 1 6 雷电的破坏作用 雷电灾害，也是目前中国十大自然灾害之一。据统计，我国有2 1 个省、区、市雷暴 日在5 0 天以上，最多的可达1 3 4 天。雷暴给人们生活带来了极大的安全隐患“。尤其是近 年来，中国社会经济、信息技术特别是计算机网络技术发展迅速，城市高层建筑日益增多， 雷电危害造成的损失也越来越大。仅1 9 9 8 年和1 9 9 9 年两年的统计，中国因雷击造成的直 接经济损失达百万元以上的有3 8 起。每年因雷电灾害伤亡的人员约为3 0 0 0 5 0 0 0 人，造成 的财产损失在7 0 1 0 0 亿元左右。我国的雷电灾害损失8 0 以上涉及电子、通讯和配电系统。 如2 0 0 0 年8 月1 8 日1 2 时5 6 分，一次闪电造成上海证卷交易所卫星地面站机房遭雷击， 致使股票交易行情传输中断5 4 分钟。总之雷电可以通过各种途径危害地面的物体和人畜， 雷电事故，既造成巨大的经济损失，也给社会带来难以估量的间接损失，对社会影响很大。 当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现特点与以往有极大的不同，可以概括为： 1 受灾面大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特点是与高新 技术关系最密切的领域，如航天、航空、国防邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、 金融证券等； 2 从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的 脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无空不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击 雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲( l e m p ) 。前面是指雷电的受灾行业面扩大了，这儿指雷电 灾害的空间范围扩大了。 3 雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不 太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。特别对于承载着不可终止的公众服 务系统的大型公共性智能建筑物，因雷击损害会造成巨大破坏和社会影响，如大型车站、 机场、码头、医院、国家级金融中心、大型通信枢纽、电力调度中心等。 4 产生上述特点的根本原因是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身 并没有变，而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用 渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏，这一特点很容易受到无孔不入的l e m p 的作用，造成微电子设各的失控或者损坏。 i 7 智能大厦弱电系统防雷设计的必要性 如前所述，随着近年来，中国社会经济、信息技术特别是计算机网络技术发展迅速， 城市高层建筑日益增多，雷电危害造成的损失也越来越大。随着智能建筑的应运面生，采 用的机电设各、通讯设备、办公自动化设各种类繁多。其技术性能既先进又复杂，而管理 南京信息工程大学硕士学位论文 智能建筑综合雷电防护技术探索与研究 工作己非人工所能应付。智能建筑的最主要特征就是建筑“智能化”。除了自身具备的常规 功能外还需多种信号的传输、控制、处理与利用等一系列高技术功能。而这些强大功能是 依靠建筑管理系统来实现的。智能建筑管理系统实际上是一套由计算机网络来进行管理和 控制的系统。它体现了先进的计算机与通讯技术及一体化集成系统的特点。近年来大量的 通讯设备、计算机控制和传输设备等微电子设备应用到智能建筑中。需电损失造成的事故 有逐年上升的趋势。处于雷电活动区域中的建筑物内的供电电源、通讯、计算机等设备往 往由于不明的原因而死机，甚至造成设备永久性的损坏；或由计算机控制的设备发生误动 等问题。这极可能是由于雷电活动的影响而造成的。以往的建筑物都有传统的防雷系统( 即 富兰克林针、钢筋、铜带、法拉第笼和接地网) 对建筑物及其中的人员起到保护作用。但 这些传统的防雷系统不能有效地防止雷电感应、电磁脉冲、电路浪涌、静电等许多外界干 扰对微电子、通信等设备的危害。 l 、当雷电赢接击中智能建筑防雷系统时，巨大的雷电流能量通过建筑物结构某一不可 预知钢筋或铜带向大地泄放，它产生巨大的电磁效应会感应到供电线路，更有甚者，雷击 直接由下导铜带或钢筋向供电线路或数据线路跳火； 2 、雷电直接击中延伸建筑物外的供电和通信数据线路，甚至击中数公里以外的供电线 路时，雷电电流都会迅速沿线路侵入建筑物内部； 3 、城市公用输电网切换和大的电力用户的启停而产生的浪涌； 4 、建筑物内部电气设备( 如空调、电梯、通风机等) 的频繁启停而产生的浪涌； 5 、供电、通信、数据线路与其相连的其它建筑物或地面被雷击中而传输或感应的电磁 脉冲和浪涌电流： 6 、静电感应通过数据线路对设各电路板上电子元件直接的损害。 随着我省经济的快速发展和大规模的开发建设，座座高层建筑拔地而起。银行、证券、 保险、大型商场、综合写字楼、政府机构等纷纷耸立在江苏大地。由于大量微电子集成设 备在智能建筑中的广泛应用，雷灾的对象不再仅仅是建筑物本身，而且还包括建筑物内的 计算机、通信设各、自动控制系统等弱电设备。这些设备由于要求灵敏度高，设备工作电 压很低，绝缘耐压值也很低，容易受到雷电感应所产生的雷电电磁脉冲影响甚至破坏。每 年智能建筑中系统设备因雷击造成的经济损失相当惊人，因此关于智能建筑的雷电防护标 准的制定工作十分紧迫。目前国内外颁布了多份有关或包括智能建筑物雷电防护的标准， 但未对智能化建筑中存在的各子系统的防护方法做详细的阐述，使得目前智能建筑的综合 防雷工程设计、施工缺少了更专业性的规范性依据。目前，在国内、外防雷规范中，开始对 电子信息系统的雷电防护越来越重视。加装电涌保护器、等电位联接和屏蔽接地这三个要 素，将成为今后智能大厦防雷设计中新的亮点8 ”。 智能建筑对防雷技术提出了更新更商的挑战，在防雷技术相对滞后于智能建筑技术发 展的今天，在智能建筑的防雷设计施工中应结台智能化子系统设备的特点，遵循雷电自然 规律，全面系统地考虑智能建筑物的防雷设计，真正做到“安全高效，经济实用”。本文结 合作者在江苏省智能建筑防雷设计规范编写过程中的实践，本着“高标准、高要求”的原 则，根据目前我国智能建筑防雷工程的实际情况和我国国情，参考应用国际和国内外先进 技术标准和实践证明成功的防护技术，探讨有关智能建筑物的雷电防护分级、外部防雷措 旖和内部防雷措施等方面的技术和问题。 9 南京信息工程大学硬士学位论文智能建筑综合雷电防护技术探索与研襄 第二章智能建筑简介 智能建筑的概念，在2 0 世纪7 0 年代末诞生于美国。第一幢智能大厦于1 9 8 4 年在美国 哈特福德( h a r t f o r d ) 市建成，从此，智能建筑在美、日、欧及世界各地蓬勃发展。我国 于9 0 年代才起步，但迅猛发展势头令世人瞩目。智能建筑是信息时代的必然产物，建筑物 智能化程度随科学技术的发展而逐步提高。当今世界科学技术发展的主要标志是4 c 技术 ( 即c o m p u t e r 计算机技术、c o n t r o l 控制技术、c o m m u n i c a t i o n 通信技术、c o n s t r u c t u i o n 建筑技术) 。将4 c 技术综合应用于建筑物之中，在建筑物内建立一个计算机综合网络，使 建筑物智能化。建筑智能化的目的是；应用现代4 c 技术构成智能建筑结构与系统，结合 现代化的服务与管理方式给人们提供一个安全、舒适的生活、学习与工作环境空间。 智能建筑的概念是： ”通过对建筑物的4 个基本要素，即结构、系统、服务和管理，以致它们之间的内在 联系，以曩优化的设计。提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、便利快捷、高度安 全的环境空闯智能建筑物能够帮助大厦的主人，财产的管理者和拥有者等意识到。他们 在诸如费用开支、生活舒适、商务活动和人身安全等方面得到最大利益的回报。” 建筑智能化的目的是：应用现代4 c 技术构成智能建筑结构与系统，结合现代化的服 务与管理方式给人们提供一个安全、舒适的生活、学习与工作环境空间”“。 2 1 智能建筑的构成： 随着现代科技的飞跃发展，只要具有现代化管理功能的建筑物就需要具备通信网络系 统、办公自动化系统、建筑设备自动化系统。因此，传统单一功能的建筑物或建筑群才能 变成以建筑为平台，兼备三个子系统的智能大厦。 1 、智能建筑( 简称i b ) 是以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通信网络系 统，集结构系统、服务、管理以及其间的最优化组合而提供一个安全、高效、舒适、便利 的建筑环境。其包括通信网络系统，办公自动化系统和建筑设备自动化系统。 2 、通信网络系统( 简称c n s ) 是建筑物内语言、数据，图像显示的基础，同时与外部 通信网络( 如：公共电话网、综合业务数字网、计算机互联网、数据通信网及卫星通信网 等) 相联，确保信息畅通。 3 、办公自动化系统( 简称o a s ) 是应用计算机技术、通信技术、多媒体技术和行为科 学等先进技术，借助于各种办公设备，且与办公人员构成服务于某种办公目标的人机信息 系统。 4 、建筑设备自动化系统( 简称b a s ) 是将建筑物或建筑群内的电力、照明、空调、给 排水、防灾、保安、车库管理等设备或系统，以集中监视、控制和管理为目的，构成综合 管理系统。 简而言之，一个建筑平台、三个子系统构成了整个智能建筑。 2 2 智能建筑的发展方向 现在，国际智能建筑正朝着两个方面发展。其一，智能建筑已不再限于智能化办公楼 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 智能建筑综台雷电防护技术探索与研究 正向酒店、公寓、商场、地下工程甚至住宅扩展。其二，智能建筑由单体向区域性规划发 展，从而导致上世纪9 0 年代中后期“智能广场”、“智能小区”概念的完善及工程的实现。 随着时代的进步。”智能建筑”范围也在不断地发展与充实。由于建筑智能化技术在住宅建 筑中大量应用，供人们居住的具有智能化、信息化、数字化功能的住宅小区不断涌现，智 能化住宅( 小区) 动态地改变了“智能建筑”原有的涵义，成为智能建筑”的另一重要组成 部分。智能化住宅( 小区) 的建设与发展，不仅成为一个国家经济实力的体现，而且也是一 个国家科学技术水平的综合标志之一，它也成为人类社会住宅建设发展的必然趋势。丹麦 未来研究所的研究报告设计出了4 种明日家庭主人的梦想愿望，都体现出智能化思想。家 庭市场是智能化建筑市场的基础，它具有无穷的发展潜力。如：家庭多样化的娱乐信息决 定了对多媒体技术的依赖；家庭远程通信更需要卫星办公室、联接许多卫星办公室的办公 中心区等。中国政府也正在发展智能化建筑。在国家科委组织的2 1 世纪的住宅科技产 业工程的课题中，已提出发展智能建筑的政策。 南京信息工程大学硕士学位论文 智能建筑综合雷电防护技术探索与研究 第三章智能建筑物的雷电防护分级和风险评估 3 1 防护等级划分原则 作为建设管理部门的国家建设部关于智能建筑与智能化小区方面主要出台了以下几套 国家标准：智能建筑设计标准，编号为g b t 5 0 3 1 4 _ _ 2 0 0 0 ；智能建筑质量验收规范， 编号为g b 5 0 3 3 9 2 0 0 3 。= 套标准都适用于智能办公楼、综合楼、住宅楼的新建扩建、改建 工程，其他工程项目也可参照使用。根据智能建筑设计标准中第一章1 0 3 节：“智能 建筑中各智能化系统应根据使用功能、管理要求和建设投资等划分为甲、乙、丙三级( 住 宅除外) ，且各级均有扩性、开放性和灵活性。智能建筑的等级按有关评定标准确定。”“ 另外，建设部住宅产业化促进中心按智能小区的功能要求、技术含量、经济合理性等因素 综合考虑，制定了智能小区的星级评定标准，将智能小区划分为：一星级( 普通型，符号 - t ，) 、二星级( 提高型，符号，) 、三星级( 超前型，符号，) 三种类型。 各地区的雷暴活动情况不一样，有的地方年平均雷暴日比较多，有的地区则较少。因 此，处于不同雷暴活动频率地区的级别相同的智能建筑物的雷电防护水平也不一样。所以， 在制定防护等级时，参考建筑物点电子信息系统防雷技术规范s 1 g b 5 0 3 4 3 2 0 0 4 第三 章中的地区雷暴日等级划分标准，将地区雷暴日等级划分为少雷区( t d 2 0 天) 、多雷区( 2 0 t d 4 0 ) 、高雷区( 4 0 t 。6 0 ) 、强雷区( t 。6 0 ) 1 2 1 。 从大量的观测结果来看，雷云之间放电远多于雷云对地放电。在一定区域内，如果雷 电日越多，则雷云之间放电的比重也就越大。对于建筑物防雷设计来说，更具有实际意义 的是雷云对地放电的年平均次数，用地面落雷密度y 来表示。其定义是每个雷暴日每平方 公里上的平均落雷次数。我国过电压保护规程中对地面落雷密度y 取为0 0 1 5 次k m 2 。近 年来我国一些单位雷电定位仪的测量表明：多数情况下，y 的取值为o 0 9 次k 2 o 1 次 k m 2 。实际上，y 值与年平均雷暴日t 一的取值有关。通常，当r 增大时，y 也随之增大， 由于我国幅员辽阔，t d 的变化也很大，很难取统一的一个值。因此，些学者认为采用国 际大电网会议3 3 委员会i 9 8 0 年推荐的计算公式较为合理，该公式为： 一0 0 2 3 t d o 3 1 6 式中：y 一地面落雷密度( 簖d ) ，t r 地区年平均雷暴日( 次) 。 将各雷暴日等级标准中年平均雷暴日次数带入上式，即可计算出各地区的年平均落雷 密度值。将处于高雷区或者强雷区的的乙级智能建筑防护水平提升一级，按照甲级智能建 筑的雷电防护水平进行设计施工，以确保建筑物及设备人员的安全。依此类推，将处于高 雷区或者强雷区的的丙级智能建筑防护水平提升一级，按照乙级智能建筑的雷电防护水平 进行设计施工。 另外，还有一些特殊情况必须考虑：根据i e c6 1 0 2 4 1 】：建筑物防雷第一部分：通 则，第一分部分；指南a 一防雷装置保护级别的选择：第2 节建筑物分类中：建筑物是 根据雷击的间接后果( 这些后果可能对建筑物、其存放物或周围事物构成危险) 来分类的。 可能构成危险的雷电的直接后果有；着火、机械损坏、人畜的伤害以及电气和电子设备的 损坏等。雷电可能引起恐慌甚至引起爆炸以及诸如放射性物质、化学试剂、毒性物质、生 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 智能建筑综合雷电防护技术探索与研究 化污染物的泄露。 雷电对计算机系统、控制系统、调节系统及供电系统，可能具有特别的危险，由此引 起对公众服务的中止、数据生成及商务活动的中止。灵敏电子设各安装于各种类型的建筑 物内，因此可能需要特殊的防护。 标准还列举了一系列的特殊建筑物：1 具有有限危险陛的建筑物( 由于其建筑材料、存放 物或者使用者而使其整个空间易因雷电造成的间接后果而受损的建筑物) ；2 对周围事物构 成危险性的建筑物( 一旦遭雷击，其存放物会对周围事物构成危险的建筑物) ；3 对社会及自 然环境构成危险的建筑物( 由于遭受雷击而可能引起生物、化学及放射性物质泄漏的建筑 物) ；4 其他的建筑物( 对其防雷装置可能需要作特殊设计的建筑物) “1 。 因此，对于一些有特殊用途的智能建筑物还应单独列出、分开考虑。对于集成了大量 灵敏电子设备的大型公共性智能建筑物，因雷击带来的过电压会引起设备的误动作甚至损 坏，影响到服务系统的正常运行。如大型车站、机场、码头、医院、国家级金融中心、大 型通信枢纽、电力调度中心等，会引起人员积压滞留、恐慌、生命安全、数据丢失等问题， 带来无法估计的巨大的直接和间接经济损失。因此应该把这类特殊智能建筑物的雷电防护 水平确定在比较高的级别，以保证设备的正常运行和公众性服务的连续性。同样道理，对 周围事物或环境构成危险的工业建筑、存有不可复原的文化遗产的博物馆、大型展览馆等、 往来人员较多的大型商场、购物中心、影剧院、体育馆等智能建筑，因雷击会造成巨大破 坏和人身伤亡、火灾等，其防护水平也应相应提高，保障人员和财产安全。 雷电防护等级为i i 级和级智能建筑物的雷灾损失则相对于i 级智能建筑物要低一到 二个等级，因此其防护水平也相应降低一到二个级别。 在技术规范编写过程中，依据国家有关智能建筑等级的评定标准及各类工程的使用功 能、管理要求以及工程建设的投资标准，对智能建筑划分为甲、乙、丙三级，其中甲级， 适用于配置智能化系统标准高而齐全的建筑中；乙级，适用于配置基本智能化系统而综合 型较强的建筑中；丙级，适用于配置部分主耍智能化系统，并有发展和扩充需要的建筑中； 对于智能化小区，依据国家建设部颁布的智能化小区星级划分标准，划分为一星级、二星 级、三星级三个等级。 现代智能建筑的雷电防护等级应根据其重要性、使用性质、智能化子系统的集成情况、 发生雷击的可能性及后果划为i 、i i 、三级。考虑到实际操作的可行性和简易性，智能 建筑综合雷电防护等级应按以下二种方法之一划分：1 、按建筑物的使用性质、重要性、建 筑内智能化系统的配置情况确定雷电防护等级：2 、按表3 1 智能建筑物雷电防护等级的 选择表确定建筑物的雷电防护等级。 3 2 智能建筑雷电防护等级翅1 分 根据以上的划分原则，智能建筑物应根据其重要性、使用性质、智能化子系统的集成 情况、发生雷击的可能性及后果，按雷电防护要求将其雷电防护等级分为三级： 遇下列情况之一时，智能建筑物雷电防护等级应划为i 级： 1 配置智能化系统标准高而齐全的甲级智能建筑； 2 所处地区年平均落雷密度大于4 9 2 的乙级智能建筑； 南京信息工程大学硕士学位论文 智能建筑综合雷电防护技术探索与研究 3 建筑内集成了计算机网络系统、办公自动化系统、程控交换机系统，保安监控系统、 火灾消防报警系统、卫星电视系统等甲级智能化系统承载着不可终止的公众服务系统的 大型公共性智能建筑物，因雷击损害会造成巨大破坏和社会影响，如大型车站、机场、码 头、医院、国家级金融中心、大型通信枢纽、电力调度中心等： 4 对周围事物或环境构成危险的工业建筑( 生产过程中使用或产品为易燃易爆材料、有 毒物质等) ，因雷击会造成爆炸、着火、人员伤亡和环境污染： 5 保存有不可复原的文化遗产的博物馆、大型展览馆等，因雷击会造成火灾，人员伤亡 和难以估量的损失： 6 往来人员较多的大型商场、购物中心、影剧院、体育馆等智能建筑，因雷击会造成巨 大破坏和人身伤亡； 7 三星级智能化住宅小区。 遇下列情况之一时，智能建筑物雷电防护等级应划为i i 级： l 配置基本智能化系统而综合型较强的乙级智能建筑； 2 所处地区年平均落雷密度大于4 9 2 的丙级智能建筑； 3 集成了不能终止的公众服务系统的中型公共性建筑物，建筑内智能化系统的集成水 平，功能较i 级公共性智能建筑有一定差距，但具有可扩充性和可维护性，因雷击造成的 破坏和影响也不及i 级严重； 4 对周围事物或环境有一定危险的工业建筑等，因雷击不易造成爆炸、着火、人员伤亡 和环境污染； 5 中型商场、中小型影剧院等智能建筑，因雷击不易造成巨大破坏和人身伤亡者。 6 二星级智能化住宅小区。 遇下列情况之一时，智能建筑物雷电防护等级应划为级： 1 配置部分主要智自e 化系统，并有发展和扩充需要的丙级智能建筑； 2 集成了部分主要智能化系统，并有发展和扩充需要的小型建筑，因雷击会造成一定破 坏和影响的： 3 除上述建筑以外的存在一定的智能化系统的其他一般建筑； 4 一星级及其他小型智能化住宅小区。 智能建筑物的雷电防护等级也可按表3 1 确定： 表3 1智能建筑物雷电防护等级的选择表 雷电防护等级 智能建筑类型 1 大型办公楼、国宾馆或五星级以上宾馆、国家级博物馆、图书 馆、影剧院、体育馆、大型车站、机场、码头、医院等公共性 建筑。 2 大型商场、货仓、仓储业建筑等商业建筑。 i 级3 国家金融中心、大型银行网点等金融建筑。 4 大型工业建筑，存在爆炸、着火危险环境。 5 三星级智能化住宅小区。 6 其他配置智能化系统标准高而齐全的大型建筑、重点工程，如 南京信息工程大学硕士学位论文 智能建筑综合雷电防护技术探索与研究 专业性很强的通信枢纽，电力调度中心，天然气调配中心、广电 大楼等。 1 中型办公楼、四星级宾馆、省、市级博物馆、图书馆等公共性建 筑。 2 中小型商场、货仓、仓储业建筑等商业建筑。 缀3 省、市级银行网点等金融建筑。 4 中型工业建筑，园雷击不易造成爆炸或火灾。 5 二星级智能化住宅小区。 6 其他配置基本智能化系统而综合型较强的一般建筑。 1 小型办公楼、三星级及以下宾馆等公共性建筑。 2 市级以下银行网点等金融建筑。 级3 一星级或小型智能化住宅小区。 4 其他集成了部分主要智能化系统，并有发展和扩充需要的其他建 筑。 注： 建筑智能化系统主要包括综合布线系统、网络与通信系统、建筑设备控制系统、火 灾报警与消防联动控制、安全技术防范系统、管理信息系统、中央集成系统、供电系统 等。 3 3 雷击风险评估对象的界定 对于随机发生的由雷电放电导致的过电压现象，所采取的保护措施很大程度上是建立 在经验的基础之上。在微电子设备越来越得到广泛应用的今天，设备已被证明比以前更容 易遭受破坏。智能建筑物雷电防护办法的选择应当建立在对其内部系统的价值及其重要性、 建筑所处的电磁环境和系统遭受破坏的概论等进行危险性分