建筑防雷系统技术智能化设计研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：程利平（1985），男，汉族，上海人，中级职称，大学本科，研究方向为建筑防雷技术。-162-建筑防雷系统技术智能化设计研究 程利平 上海毅棣智能科技有限公司，上海 201913 摘要：摘要：为健全防雷体系，确保建筑、人员安全。本文将以实际工程项目为例，将满足建筑内部、外部防雷要求为目标，基于雷电形成原因及类型，从总体架构、硬件选型及设计优化、软件设计升级、安装实施及调试完善等入手，对建筑防雷系统技术智能化设计加以研究，旨在通过配备适配度高、规格完全的智能化防雷系统，强化建筑防雷能力；以此为相关技术人员提供参考。关键词：关键词：高层建筑；防雷系统；智能化防雷；系统设计 中图分类号：中图分类号：TU855 0 引言 据不完全统计，全世界范围内每年因雷电灾害造成的经济损失高达 10 亿美元，人员伤亡现象严重，以我国为例，全年因雷击及雷击负效应所造成的人员伤亡可达 3500 人。为防止雷电对建筑和人民安全造成损害，严格基于高层建筑防雷特征，对建筑防雷系统技术，实现智能化设计尤为关键。下面笔者将以上海 SK 大厦为例，详细介绍高层建筑防雷系统智能化设计路径。1 雷电形成原因及类型 大气自然放电会生成雷电，此时，电源负电感应会吸引正电荷产生聚集效应，促使地面以及雷云之间形成强力较大的电场。当某处电荷密度明显大于临界值时，就会引发电场内物质向下阶梯式放电，一旦下降距离接近地面物体，极易在地面强电场的影响下，出现尖端放电等不良现象，并推进二者结合，持续发电，最终形成强度较大的闪电和雷击1。基于常见类型来看，雷电共有直击雷、侧击雷以及感应雷三类。1）直击雷。直击雷是指雷电直接对建筑物主体以及相关设备实现击中，诱发机械效应、热效应出现，致使破坏性较大的事故出现。通常情况下，建筑物易遭受直击雷的部位主要有房梁、女儿墙、屋檐等地；2）侧击雷。侧击雷易击中建筑物侧面或玻璃幕墙。3）感应雷。感应雷的出现会生成程度不一的电磁脉冲，并侵入建筑体内部，侵害内部的电磁电子设备，严重危害设备及使用人员的安全。2 高层建筑线路雷击机理 雷击作为一种不可避免的自然灾害，一旦出现，将会给人们及建筑物造成极大的威胁，以超高层建筑为例，此建筑类型层级高，功能复杂，一旦遭受雷击，极易使得建筑物主体、建筑物内部的电子系统遭受破坏，严重的话甚至会引发重大人员伤亡事故。针对高层建筑线路的雷击机理，国内外诸多学者已经进行了大量的研究。在对诸多文献调查总结后，将雷击导线四周大地在导线上所产生雷击过电压计算公式总结为如下：式中，表示雷电流幅值，单位为 kA；表示导线平均悬挂高度，单位为 m；s 表示线路及雷击点二者相对距离，单位为 m。在此时，如果相关线路出现闪络，那么即可依据相关公式对最小闪络电流值实现明确。公式如下：为分析建筑物高度与感应过压电幅值之间的相互关系，笔者将以某实际高层建筑为具体对象，并有意识将雷电流伏值假设为 100kA，雷击电及线路二者的相对距离假设为 65m，发现当一直处于恒定值 350KV 期间，不同高度的建筑，其感应过电压幅值以及雷击跳闸率会有所不同，详情见表 1。21ln25ShShIUddgIdh2%50min1ln25ShShUIdd%50U中国科技期刊数据库 工业 A-163-由表 1 产出数据不难看出，在建筑高度日益增加的前提背景下，感应，过电压幅值以及雷击跳闸率都会有程度不一的增加，对高层建筑物防雷研究十分关键2。3 建筑防雷系统技术智能化设计以上海 SK大厦为例 3.1 上海 SK 大厦项目概况 上海 SK 大厦位于上海浦东新区世博后滩板块，被称为一座 280 米上海新地标，占地面积约为 27945.5m2，总建筑面积可高达 20 万 m2。项目紧邻世博文化公园，共有四个办公楼区域，并配备智能化十足且高速安全的垂直型交通系统。大厦地上 59 层，地下 3 层，可同时容纳上万人同时办公，属于十分大型的超高层建筑。据统计，上海这一地区全年平均雷暴日有 30.1 天，年平均地闪密度约为 2.8 次/（），基于建筑寿命有机延长视角，立足于大厦安全性要求以及业主的自主意愿，笔者计划对项目大厦落实防雷浪涌保护器处置，并借助先进的计算机网络技术以及自动化控制技术，优化智能化监控格局，为后续大厦从业人员对防雷系统的日常维护提供便利。3.2 项目难题总结 上海 SK 大厦涉及楼层较多，仅针对地上而言，就有 59 层作业量。所布置的浪涌保护器在运作期间出现失效、报警等异常状况，巡检人员不能第一时间发现，极易为安全隐患的爆发提供可能。且上下楼的巡检时间所需相对较长，大量人工的投入不仅会增加整体的运作成本，也会使得工作效率远远达不到预期。故而基于最优经济原则，计划将项目践行重点放在如下几个方面。（1）完善智能化布置格局，自觉对浪涌保护器实时状况实现监控，一旦发现浪涌保护器处于故障状态，要立即反应，及时报警，并提醒工作人员将失效的浪涌保护器更换，以此确保防雷系统具有持续防护的工作性能。（2）自觉对浪涌保护器及其内部的器件劣化程度，实现在线监控。如若发现劣化程度已经达到限定限额时，要立即报警，确保其在完全失效前，就能够完成针对性维护，以此优化所有已安装浪涌保护器的有效防护性能。（3）基于统筹视角，对雷击情况实现实时在线监测记录，并自觉将各项操作历史记录以及查询清单生成书面文件，为后续工作的顺利展开提供便利。3.3 防雷系统技术智能化设计 3.3.1 总体架构明确 充分利用自动化控制技术、计算机技术以及网络通讯技术，基于“统一部署、分段式管理”原则，计划以控制分散管理集中的设计思路介入，构建优质的浪涌保护器分布式监控多层网络平台。同时，还要借助智能化手段，对工程内近 400 组的浪涌保护器关键参数指标实现在线实时监测，帮助相关运维人员能够在后台就能顺利掌握各浪涌保护器运行状态以及具体运行参数；最后加装异常自动报警器及 SPD 漏电流检测，保证一旦出现故障异常，运维人员将会快速掌握目标机器所在方位，极大减轻维护人员排查负担，真正实现高效防雷3。系统组成框架如下图 1。图 1 分布式系统架构示意图 3.3.2 基于可持续视角下的硬件选型及设计 硬件属于浪涌保护器稳定运行的重要保障，为保证整体的设计更为优质，笔者计划基于项目大厦实际状况，以电源浪涌保护器最优化选择为目标，选择与本项目适配度最高的浪涌保护器。详情见表 2。akm.2表 1 基于不同建筑高度视角下的感应过电压和雷击跳闸率 高度（单位：m）3 8 13 18 23 28 幅值（单位：kV）341.12 452.10 547.02 639.28 852.96 980.11 雷击跳闸率（单位：A）0.96 2.69 4.52 7.41 10.26 14.39 中国科技期刊数据库 工业 A-164-针对后备保护选择这一环节而言，计划健全熔断器自动化控制系统，确保当浪涌保护器过载量超过限定值时，后备保护会自动反应，断开保护电路，保障系统安全。此时，所选熔断器短路分断能力需明显大过系统预期短路电流，以此保证熔断器处于过载时，依旧能处于正常持续运作状态，实现短路电流科学分段，优化系统稳定性。最后还要保证所选熔断器，其自身熔断电流与熔断时间能够精准满足雷击电涌作业需求，确保熔断剂在持续雷击的运动下不会耽误动作，实现保护有效性能合理优化的目标。3.3.3 软件设计（1）前端 登入前端，采用嵌入式 Linux 平台，借助优质的GNOME、UTITY 等桌面管理器，助力维护人员更流畅操作；后端，考虑到需要接入的客户端类别相对较多，故而则需借助 Microsoft Windows 系统作为具体支撑平台，以此保证 Windows/Server/Windows7 等版本都能顺利接入。（2）权限管理 基于全流程管理视角，为有效避免重复性管理行为出现，笔者设计了较为严苛的权限管理准则，自觉将权限分为三级实现层次化处理。第一级，属最高级，统称为系统管理员，拥有最高权限，具备定义整体系统架构、定义下属操作人员性质等功能，对系统维护管理有着主导作用；第二级，交流传达部门，起承上启下作用，属于第一级与第三级的重要调和剂，一级下达的命令，二级部门会严格依据现实需求，实现重点定位，进而帮助第三级能够更具针对性地展开相关作业；第三级，执行部门，需严格依据上级发布的命令，执行操作，必须具备较强的作业执行力。（3）界面 界面是操作引导的重要依据，在界面设计期间，笔者有意识地注入了个性化要素，完善个性化定制界面设计格局，保证整体界面能够嵌入各种图形，同时还计划给予使用用户最大的自主性，操作人员可严格基于自身的审美需求，对图形实现随意拖放拉伸缩放，进而促使整体的界面生成效果更为鲜活、直观。3.4 仿真模拟及三维显示优化升级 首先对工程项目雷电冲击实现模拟仿真分析。以本工程为例，相关人员基于实际生成数据，就得出结论，在雷击建筑物期间，泄流引下线四周可能会出现强度较高的电场及磁场，故而机房以及建筑电子设备的布设范围，要尽可能远离引下线安全范围。同时，电子设备也要严格基于标准需求，落实好与金属机柜等电位相连，确保各点位等电位端子都能够做好连接。随后，为进一步优化三维仿真仪表显示功能，相关人员还严格基于三维仿真模拟数据，自觉对浪涌保护器各项指标实现总结，并以 3D 可视化仿真形式加以展现，最后为完善健全生成显示效果，还积极地赋予了仿真仪表接口开放性能，鼓励人们可以随时依据自身需求，增添自己所需要的仿真仪表，如电压或劣化指示表等；该系统还提供在线实时仿真历史数据动态化曲线查询，以此帮助相关用户进一步实现趋势分析。3.5 智能报警监控系统设计 智能化系统要以用户需要为立足点，设定程度不一的报警级别，并借助智能语音播报，尽可能对不同区域设备的实时警情，实现定位式报警；此时界面要同时配备弹出区域报警画面，快速为管理人员提供准确的警情发生部位及状态，以此完善浪涌保护器智慧监控系统建设格局。具体作业期间，要充分明确 SPD 优势，积极借助其优质的瞬态泄流功效，健全完善现场 SPD 各项指标实时监测格局，促使智慧化防雷管理系统顺利构成。各等级配电线路均要采用智能化 SPD，并凭借高性能智能升级模块形式介入，完善接线及后备保护状态格局。在此时，智能化系统会实时监控 SPD 各地连接线缆的状态，如果发生异常会自动报警，并凭借快速将后备保护上下两端分别引入交流电转化模块等行为，实现持续表 2 电源浪涌保护器最优化选择格局 防雷分区 级别 最大持续运行电压 Uc 通流量 保护电压 Up 产品类型 LPZ0-LPZ1 及后续分区 I 级 385V Iimp：20kA（10/350us）2.0kV 限压型 LPZ1-LPZ2 级 320V In：20kA（8/20us）1.5kV 限压型 LPZ2后续防雷分区 III 级 275V In：10kA（8/20us）1.2kV 限压型 中国科技期刊数据库 工业 A-165-化保护功能；SPD 漏电流监测布局也十分关键。在布局期间，要完善监测内容重点，自觉将关注重心放在实时在线监测 SPD 半导体器件漏电流变化上，以此实现有效地对于实际使用寿命实现监测分析。系统设计期间，为保障 SPD 漏电流监控实现在线报警功能，也要严格基于数据平均值，对漏电流越线阈值实现设定，以此保障，一旦数值超过限定，即可立即发出报警，方便管理人员全方位了解故障4。3.6 安装运行及调试 作业开始前，要自觉基于 GB/T 50312-2016综合布线系统工程验收规范中的综合布线系统工程标准，对本工程布线工程实现统筹布局，严格确保综合布线工程之中所用到的全部部件以及缆线都能够符合国家行业使用标准。施工开展期间，为方便管理，要对线缆、配线架、信息插座等部件实现标记，规划具体管理标识符号，以此为后续快速定位管理提供便利。而针对调试这一工作而言，要统筹收集明确所有数据采集的指标以及目标，并对生成的数据信息实现仔细核查，统筹管理数据所有代码及配置，确保数据完整性、正确性顺利达到预期。检查期间，要重点将检查关注重点放在检查代码逻辑是否存在错误、检查配置文件是否存有错误参数两方面上。数据交互测验也是关键，为验证数据是否准确，可自觉与数据源实现数据交互测试；为保障数据能够被完整的存储访问，可积极与数据存储系统实现数据交互测试；为验证数据是否正确被分析使用，可自觉与数据分析系统实现数据完整交互测试。在此需注意，所有生成的调试结果，必须被及时记录在册，进而为有效保证整体防雷系统稳定运行提供可能。4 结论 综上所述，建筑防雷设计施工是复杂的系统性工程，对于建筑外部防雷检测，建筑内部设备布局都有十分严苛的要求。本案例结合一个实际工程，给出的综合防雷系统智能化设计方案，包括对总体功能结构、单个建筑物、界面显示升级等具体防护落实方案，具有较高的普适性，笔者将重点关注防雷系统在后期应用的成效，望能借助工作实践的完善，提升防雷设计技术价值。参考文献 1王利勇,姚飞,李玥亭.建筑防雷接地系统施工的质量通病及其控制核心思路分析J.建设科技,2023(07):43-45.2罗粤智,田孟兵,唐江.超高层智慧办公建筑防雷接地系统设计J.自动化应用,2023,64(06):164-167.3吴凡.综合体建筑防雷等级判定与防雷装置设置J.电世界,2022,63(05):43-45.4胡禹.建筑电气的防雷接地功能与建筑物防雷系统设计研究J.中国设备工程,2022(07):137-138.