钢筋混凝土卫星发射脐带塔防雷过压保护.PDF

钢筋混凝土卫星发射脐带塔防雷过压保护 杨振国 (北京市海淀区63926部队 100085) 摘 要 详细介绍了钢筋混凝土卫星发射脐带塔防雷电干扰的成功经验,采用外部防雷和内 部防雷相结合的综合防雷方案,提高了火箭和卫星防雷击的可靠性,保证了电源供电系统和自动 化信息系统免受雷电的袭击。 关键词 雷电危害 外部防雷 内部防雷 浪涌保护器 等电位连接 在钢筋混凝土卫星发射脐带塔中,大量的科学 试验数据通过高速电脑、自动化设备以及通讯设 备,这些敏感电子设备的集成度高,工作电压却很 低,因而它们受到过压特别是雷电袭击而受到损害 的可能性就大大增加。其后果可能使整个系统的运 行中断,并造成难以估算的经济损失,雷电和浪涌 过电压对钢筋混凝土卫星发射脐带塔构成了严重威 胁。 1 雷电过电压及对钢筋混凝土卫星发射脐带塔的 危害 111 雷击造成危险过电压 雷击中心1153km范围内都可能产生100kV 以上的危险过电压,损害钢筋混凝土卫星发射脐带 塔上的电气和电子设备。近年来随着航天技术的发 展,大量数据设备和精密仪器的应用范围日益广 泛,雷电损害造成的事故有逐年上升的趋势。 图7h = 10m平面上的磁场屏蔽系数分布 4 结论 建筑物的金属构架对近区雷击产生的脉冲磁场 有一定的屏蔽作用。其屏蔽系数具有与磁场分布相 反的特点,离雷击点近屏蔽效果好,离雷击点远处 屏蔽效果较差。这种屏蔽作用的效果是使得建筑物 内磁场分布趋向均匀。随着距离雷击点位置的增 大,磁场屏蔽系数曲线有以构架网格为单位呈阶梯 式分布的特点,在垂直导体附近屏蔽系数有跃变, 而在相邻导体之间,屏蔽系数基本保持不变。 参考文献 1S1Cristina and A1Orlandi1Calculationof the induced effects due to a lightning stroke , IEE Proceedings2Part B , 1992 , vol1139: 4755 2Y1Du , S1Chen , J1Burnett1Experimental and numerical evaluation of surge current distribution in building during a direct lightning stroke1The Hong K ong Institution of Engineers Transactions , 2001 ,Vol18 ,No11:16 3 张小青,陈水明,吴维韩 1 建筑物钢结构中考虑参数频变特 性的雷电暂态响应,清华大学学报(自然科学版) ,1997 ,37(6) :103 107 4 王庆,傅正财,杜亚平 1 导电构架对雷击建筑物时室内磁场 分布的影响,建筑电气,2001 ,20(3) :2934 Shielding Effect of the Building Metal Cage Against Magnetic Fields Excited by Near Lightning Strokes Fu ZhengcaiWu BinXu Lin (Dept.of Electrical Engineering ,Shanghai Jiaotong University 200030 China) AbstractThe shielding effect of the building metal cage agaist magnetic field excited by a near2field lightning strike is investigated based on circuit approach simulations1The effectiveness of the simu2 lation is evaluated by experimental measurements1The results show that the metal cage does have shielding effect against the LEMP1Due to the effect of the induced current ,the shielding factor curve fea2 tures a cascade distribution. The effect is to homogenize magnetic field distribution insde the building1 Key wordsNear2field lightning strikeBuilding metal cage Shielding effect 42建筑电气 2005年 第1期 (24) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 112 雷电波入侵的途径 11211 直击雷和附近雷击形成的感应雷和过电压 a1 雷击在钢筋混凝土卫星发射脐带塔顶端及 外部防雷系统、 保护框架和电缆等上引起感应雷电 波及过电压; b1雷击浪涌电流在接地电阻上引起的过电压 降; c1 雷击浪涌电流在钢筋混凝土卫星发射脐带 塔各层防雷均压网上,和各个系统接地环路上引起 环路感应过电压。 11212 远处雷击形成的感应雷和过电压 a1 雷击在远处架空输电线缆上引起感应雷电 波及过电压; b1雷云之间的放电通过架空线缆引起感应雷 电波及过电压; c1 野外雷击通讯线缆引起感应雷电波及过电 压。 113 地电位反击 钢筋混凝土卫星发射脐带塔的外部防雷系统 (如避雷针、 避雷网等)遭受直接雷击,在接地极与 远处大地零电位之间会产生危险过电压。一般综合 接地网的接地电阻值达到1,钢筋混凝土卫星发 射脐带塔直接雷击电流达到一百多千安培,在接地 两端就会形成100kV以上的高电压,由设备的接地 线引入设备,造成设备的损害。 2 钢筋混凝土卫星发射脐带塔外部防雷 钢筋混凝土卫星发射脐带塔顶端的避雷针(避 雷带或避雷网)、引下线和接地系统构成外部防雷 系统,主要是为了保护钢筋混凝土卫星发射脐带塔 免受直接雷击。 3 钢筋混凝土卫星发射脐带塔内部防雷 钢筋混凝土卫星发射脐带塔内部防雷系统,则 是为了防止雷电和其它形式的过电压侵入设备中造 成损坏。这是外部防雷系统无法保证的,为了实现 内部防雷,需要对进出各保护区的电缆、金属管道 等连接避雷及过压保护器,并实行等电位连接。 311 钢筋混凝土卫星发射脐带塔防雷区域的划分 钢筋混凝土卫星发射脐带塔防雷区域,从 EMC (电磁兼容)的观点来看, 由外到内可分为四 级防雷区, LPZ0 (LPZ0A和LPZ0B)、LPZ1、LPZ2和 LPZ3。最外层是LPZ0区,是可能遭受直接雷击的 区域,危险性最高。越往里,则危险性程度越低。 过电压主要是沿线路窜入的,防雷区的界面通过外 部防雷系统,钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽 层而形成,电气通道及金属管道等则经过这些界 面。 从LPZ0区到最内层防雷区,必须实行分级保 护。对于电源系统,分为 、 级,从而 将过电压降到设备能承受的电压水平。对于信息系 统,则分为粗保护和精细保护,粗保护量级根据所 属保护区的级别,而精细保护则是根据电子设备的 敏感度来进行选择。从理论上讲,雷击电流约有 50 %直接流入大地,还有50 %将平均流入各电气 通路(如电源线、 信号线和金属管道等)。 312 浪涌保护器在防雷电过电压中的作用 浪涌保护器分为限压型(如压敏电阻)和开关型 (如火花间隙 ) , 用于保护电源和电子设备免受雷击 浪涌的危害,为电源和电子系统提供瞬态等电位连 接。 浪涌保护器根据应用分为:电源系统避雷 器,其作用就是在最短时间(纳秒级)内将被保护线 路连入等电位系统中,使设备各端口等电位,同时 将电路上因雷击而产生的大量脉冲能量短路或经低 阻抗泄放到大地,降低设备各端口的电位差,从而 保护电路上的设备。标称电压在1000V以下可再细 分为避雷器 (B 级)、 过压保护器 (C 级)和浪涌吸收 保护器 (D 级 ) ; 信号系统避雷器和过电压保护器, 此类保护器亦被称为浪涌保护器,标准电压在60V 以下; 绝缘火花间隙,应用在地线系统或等电位连 接中。 313 电源系统中浪涌保护器的应用 31311 选择第一级 (B 级)电源避雷器 采用四个DEHNport ,在三条相线(L)和一条中 性线(N)上分别对地(PE)并联一个DEHNport。该装 置可将电源线联于防雷等电位中,用在LPZ0与 LPZ1区之间。高能量避雷器DEHNport是由火花间 隙组成,高速能量释放,防止低电压设备受到过压 干扰和直接雷击,适用于各种供电系统,灭弧能力 强,安装在总电源进线的配电屏前。当供电回路额 定电流大于250A时,需要在DEHNport并联支路上 (相线)加装250A以下的断路器或者熔断器。 31312 选择第二级 (C 级)电源避雷器 采用四个DEHNguard避雷器,在三条相线(L) 和一条中性线(N)上分别对地(PE)并联一个DEHN2 52钢筋混凝土卫星发射脐带塔防雷过压保护 杨振国 (25) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. guard。该装置应用在LPZ0B与LPZ1区之间,防止 低压设备受到过压干扰,与前端的避雷器配合使用 (如DEHNport)。过压保护器DEHNguard由热敏元 件控制的隔离器,快速响应,高速电流泄放。当供 电回路额定电流大于125A时,需要在DEHNguard 并联支路上(相线)加装125A以下的断路器或者熔 断器。 31313 选择第三级 (D 级)电源避雷器 采用DEHNrail 230FML一个,并联在需要保护 的单相电源或三相电源设备的前端,并与地线连 接。该装置应用在LPZ1与LPZ2、LPZ3区之间。浪 涌吸收保护器DEHNrail 230FML是由火花间隙、压 敏电阻和半导体组成,是电子设备的精细过压保 护。当供电回路额定电流大于16A时,需要在 DEHNrail 230FML并联支路上(相线)加装16A以下 的断路器或者熔断器。 31314 在电源防雷的级间配合中,还应注意级间 的相隔距离 如果B级与C级间的线缆长度小于10m , C级 与D级间的线缆长度小于5m ,就必须在级与级之 间串联退耦器DEHNbridge ,集中感应补充导体的长 度,作为避雷器和过压保护器的退耦器件。 314 信息系统中浪涌保护器的应用 31411 选择第一级 (B 级)信息线路浪涌保护器 可防直接雷击和过电压,应用在LPZ0 (LPZ0A 和LPZ0B)与LPZ1区之间。此类浪涌保护器有: 双绞线信息线路保护器Blitzductor CT,两线制,内 置式安全保护电路,适用于保护信号工程系统及其 设备的过压保护;双绞线信息线路保护器Blitzduc2 tor VT,保护四条信号线,在其后安装精细保护器 件(如FDK/ 2或 FS) 实现对高精度敏感电子设备的 保护;电缆系统网络高能量浪涌保护器TR8 ,可插 在欲保护设备的输入端,适用于保护数据处理系统 和设备的过电压保护;天馈线浪涌保护器UGK, 用于50 、 75 和93 的同轴天馈线和无线电系 统;广播卫星天线馈线避雷过压保护器K AZ10 ,用 来保护75系统的设备,如天线放大器、广播卫 星接受系统等。 31412 选择第二级 (C 级)信息线路浪涌保护器 应用在LPZ1与LPZ2区之间。此类浪涌保护器 有:双绞线信息线路过电压保护器Blitzductor VT, 用于保护数据传输线,如TTY、RS422、RS485和 VII的浪涌过压保护;双绞线信息线路过压保护器 DEHNlink ,保护数据传输系统和设备;网络浪涌保 护 器NET2protector ,用 于 保 护 连 接 于NET2 protector19”bays的保护集线器(HUB)和其它19” 系统的网络元件。NET2protector 4TP配合有8个屏 蔽的连接器,一并安装于NET2protector19”bays上。 网络浪涌保护器NET2protector一般安装于配线架和 设备之间,它每线只占一个垂直单元。 31413 选择第三级 (D 级)信息线路浪涌保护器 应用在LPZ2与LPZ3区之间。此类浪涌保护器 有:双绞线信息线路精细过压保护器FDK/ 2 ,保护 信息技术设备;双绞线信息线路过压保护器DPL , 保护信息技术系统和设备,使用LSA架作为接头; 双绞线信息线路保护器Blitzductor VT,适用于以直 流供电的可编程控制器,在恶劣电磁场环境下的浪 涌保护;浪涌过压保护器FS ,用于保护数据处理 系统和设备,适用于高速传输场合,可插在保护设 备的输入端;串口浪涌过压保护器USD ,用于保护 信息技术系统和设备,型号有USD9、USD15和 USD25 ,分别和9针 、15针和25针的插座配合,或 带数据电缆和插头;同轴电缆信息线路过压保护器 UGKF ,用于50/ 75/ 95的同轴, 105的T型连 接和带100/ 150的平衡线端子的计算机系统。 315 浪涌雷电保护等电位器的应用 有关标准不允许在同一栋建筑物内,或人体可 以接触到的两组隔离接地体之间安装火花间隙。如 有需要达到等电位,则须把这两组隔离的接地体通 过金属导线牢固地连接在一起,形成一个不隔离的 接地装置。此类浪涌等电位连接器有:高能量等电 位连接器TFS和HSFS ,用于各地之间等电位连接, 雷击时,系统中各独立相绝缘的部分实现等电位连 接;防爆型等电位连接器ExFS和ExFS - K U ,用于 易爆易燃燃料加注危险区的防雷等电位连接,安装 于管道绝缘法兰盘、绝缘接点或阴极受保护的管道 耦合部分,实现雷击时和静电荷堆积时的等电位连 接。 4 钢筋混凝土卫星发射脐带塔防雷等电位连接 为了彻底消除雷电对钢筋混凝土卫星发射脐带 塔引起的毁坏性的电位差,就特别需要实行等电位 连接。电源线、信号线等都要通过过压保护器进行 等电位连接,各个内层保护区的界面处同样要依此 进行局部等电位连接,各个局部等电位连接端子板 62建筑电气 2005年 第1期 (26) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 轻 钢 结 构 建 筑 物 防 雷 设 计 浅 论 李兴龙 (乌鲁木齐建筑设计研究院有限责任公司 830063) 潘世平 (新疆轻工业设计研究院有限责任公司 830002) 摘 要 在轻型钢结构建筑电气设计经验的基础上,对此类建筑防雷接地设计和施工的相关 问题作出简要的归纳总结。 关键词 轻钢结构 接地 防雷 等电位联结 轻型钢结构(以下简称 “轻钢结构”)建筑物造型 美观大方,色彩多样,耐大气腐蚀,隔热隔声阻 燃,空间利用率高,建设周期短,工程造价低,因 而得到广泛的应用,如各类工业厂房、超市、仓 库、展览馆、体育馆、飞机库、机场、别墅等。由 于轻钢结构独特的建筑体系,使得此类建筑和普通 砖混结构、框架结构建筑物的防雷工程设计和施工 有较大的差异。笔者通过工程设计、现场验收的实 际经验总结,对轻钢结构建筑物防雷设计的相关问 题作一些粗浅的探讨。 1 轻钢结构建筑物的建筑体系 轻钢结构建筑物基础分为钢筋混凝土独立基础 和钢筋混凝土条形基础,前者在地质情况较好的场 地使用,后者则应用于地质情况较差的场地。施工 时需预埋地脚螺栓,加垫片后和钢柱相连。 轻钢结构建筑物采用预制构件,不允许现场钻 孔、焊接。主钢架(梁、 柱)为焊接型钢或热轧型钢, 以充分发挥高强度钢材的力学性能。次构件(檩条) 为高强度的、经防腐处理的冷弯薄壁C型或Z型 钢,和主钢架采用螺栓连接。 轻钢结构建筑物的围护系统(墙体、 屋顶)分为 彩钢压型板和彩钢夹芯板,大多采用自攻螺栓和檩 条(屋面檩条或沿墙檩条)连接。压型钢板是以彩色 涂层钢板或镀锌钢板为基材,经辊压冷弯成型的建 筑用围护板材,其保温及隔热围层为离心超细玻璃 丝棉卷毡。此种板材现场制作,有利于解决大范围 内面板搭接易于出现的接缝不严的情况。现场复合 使整个大面积的屋面成为一个整体,更加坚固、易 互相连接,并最后与总等电位连接端子板相连接。 钢筋混凝土卫星发射塔架防雷等电位连接见图1。 对于钢筋混凝土卫星发射塔架上的设备(或系 图1 钢筋混凝土卫星发射塔架防雷 等电位连接示意 统)必须在各进出线缆安装相应的避雷/过压保护 器,一旦线路上感应过电压(或遭直接雷击 ) , 由于避 雷/过压保护器的作用,设备(或系统)的各端口电压 大致达到相等水平(即等电位 ) , 从而保护设备(或系 统)免遭损坏。设备和系统等电位连接见图2。 图2 设备(或系统)等电位连接示意 注:雷击发生50ns就达到等电位,同时再通过Rst,信号线及电源 线泄流,即UpUsUe,设备和系统处于等电位,完全保证了设 备和系统的安全。 72轻钢结构建筑物防雷设计浅论 李兴龙 潘世平 (27) 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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