高层建筑防雷设计毕业论文.docx

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高层建筑防雷设计毕业论文

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摘要

伴随着我国的社会与经济的快速发展，要提高高层建筑电力系统的可靠性和安全性,就要确保建筑物的防雷的可靠性，要正确选择各类防雷装置和接地体,就必须科学、合理的进行计算。

本文对雷电中的相关问题进行了分析和探讨,就雷电防护方面问题作了较为详细的论述,论述了建筑物防雷可靠性的措施,同时结合工程实例进行雷电计算和设计。

研究解决这些问题将有助于提高建筑安全性。

关键词高层住宅，建筑电气，防雷设计，接地

Abstract

Withtherapiddevelopmentofsocietyandeconomyinourcountry,inordertoimprovethereliabilityandsafetyofpowersysteminhigh-risebuilding,itisnecessarytoensurethereliabilityoflightningprotectionofbuildings,tocorrectselectionofallkindsoflightningprotectionandgroundingdevice,mustcarryoutscientificandreasonablecalculation.Thispaperanalyzesanddiscussestherelatedproblemsofthunderandlightning,andmakesadetaileddiscussiononlightningprotectionproblems,discussesthereliabilityofbuildinglightningprotectionmeasures,combinedwiththeengineeringexampleofcalculationanddesignoflightning.Studyingandsolvingtheseproblemswillhelptoimprovebuildingsafety.

KeyWordshigh-risebuilding,buildingelectrical,lightningprotectiondesign,grounding

第一章建筑概况

1.1概述

"建筑电气"就是以电能、电气设备和电气技术为手段来创造、维持与改善限定空间和环境的一门科学，它是介于土建和电气两大类学科之间的一门综合学科。

经过多年的发展，它已经建立了自己完整的理论和技术体系，发展成为一门独立的学科

主要包括：

建筑供配电技术，建筑设备电气控制技术，电气照明技术，防雷、接地与电气安全技术，现代建筑电气自动化技术，现代建筑信息及传输技术等

现代建筑趋于多元化的风格，高度大、面积大、功能复杂，电气设计内容也日趋复杂，项目繁多。

建筑电气设计从狭义上仅指民用建筑中的电气设计，从广义上讲应该包括工业建筑、构筑物和道路、广场等户外工程。

传统建筑电气设计只包括供电和照明，而今天一般将其设计的内容形容为强电和弱电。

将供电、照明、防雷归类在强电，而其余部分，如电话、电视、消防和楼宇自控等内容统统归于弱电。

这种分类以电压的高低为依据，强调了电气设计中所增加的消防、电讯和自控内容与传统电气设计内容完全不同，容易理解，所以很快被人们所接受。

但是，这种按电压高低进行分类的方法并不严谨，如：

动力设备的二次控制回路，其电压可能很低；而消防回路中的联动也不宜与配电箱完全分割开。

又如人防设计、防雷设计、保安设计等功能性设计，其内容不仅仅是弱电信号的报警，也包含有动力、照明的联锁反应。

又如防雷接地，强弱电都要求，而且有向等电位联结发展的趋势，实际上又很难分开。

如果电气设计仅仅以电压高低进行分工，势必造成强弱两个子工种之间交叉过多，界限不清楚

高层建筑包括许多内容，其中建筑电气是非常重要的一个内容，为生活提供重要的电能供应，高层建筑电气涉及一些电气设备以及一些基本用电和紧急用电的一个整体，它包括住房用电，公共用电以及其它一些用电及一些电缆的走线布局，建筑概况是为描述建筑的基本资料必须说明建筑的类别、性质、面积、层数、高度等。

1.1.1建筑电气系统的作用与分类

现代建筑电气特点：

现代建筑面积大、高度高，用电设备数量增多，建筑对电气不断提出新的要求，建筑电气范围不断扩大；

建筑内用电设备种类多（照明用电、动力用电、弱电设备）、建筑用电量大、供电可靠性要求高。

1.1.2建筑电气的基本作用

（1）为在相应的建筑空间人为的创造适当的生活和工作环境；

（2）建筑物内的人们提供生活和工作上的方便条件；

（3）增强安全性，及时消除或控制火灾危害，提高电气设备和系统自身的可靠性；

（4）提高控制性能，在保证建筑物内保持所需环境的同时，减少能量消耗，节省维修管理费用，延长设备使用寿命，实现综合控制性能和管理性能；

（5）信息通讯设备系统为建筑物的管理人员、租用者提供快捷的信息服务。

1.1.3建筑电气的分类

从电能的输入、分配、输送和使用上划分：

变配电系统、动力系统、照明系统、智能工程系统等；

根据传输电压高低或电流大小：

强电系统、弱电系统。

1.1.4建筑电气对建筑的影响

（1）影响建筑项目的审批和建筑规模、等级；

（2）影响建筑功能的发挥；

（3）影响建筑的布置；

（4）影响建筑艺术的体现；

（5）影响建筑使用的安全；

（6）影响建筑的管理；

（7）影响建筑的维护。

1.1.5建筑电气系统的组成

现代电力系统是一个由电能的生产、输送与分配、消费、控制4个子系统构成的不可分割的大系统。

1.1.6建筑电气设计的基本原则

（1）符合国家现行有关规范的规定；

（2）安全可靠、技术先进、经济合理、维护管理方便、注意美观；

（3）处理好近期与远期发展的关系；

（4）充分考虑设备、材料供应的可能性，以及施工安装和维护管理水平的现状；

（5）采取节能措施，合理选用电气设备及其控制方式

1.2建筑概况

本次主要为酒店式公寓做初步的电气设计，以下为其建筑概况:

（1）D区建筑面积：

56845㎡，（地上建筑面积：

52961㎡，地下建筑面积：

3884㎡）。

（2）D区超高层建筑主体36层，地下2层，建筑总高度136.6米。

建筑控高（航空限高）150米。

（3）D区部分按使用功能划分：

地下二层：

设备用房。

地下室预留与地下车库的连通口；

地下一层：

设备用房；

首层:

酒店式公寓大堂；

七层、二十三层：

设备层兼避难层；

八~三十六层：

酒店式公寓：

每层29户，共812户。

每户套型建筑面积36~88㎡

（4）D区结构形式为：

超高层主体建筑（-2~36层）：

型钢混凝土框架-钢筋混凝土简体结构体系；

第二章设计内容及范围

2.1设计内容

（1）负荷的计算

电气负荷计算（以下简称负荷计算）是高层建筑电气设计的一个重要组成部分。

负荷计算是为了确定建筑物的用电容量,以便合理地选用电气设备和器材。

负荷计算的合理与否会影响工程的初期投资（固定静态投资）,并对投人使用后的运行费用（经济效益）有较大的影响.

高层建筑电气负荷计算的研究具有重大的经济意义，它能使所选变配电设备得以充分利用，降低大厦和电力系统的投资、降低运行费用、节约电能.本文从高层建筑中各种用电设备的运行特点出发提出了一种负荷分类方法，探讨负荷计算方法，从而提出确定主接线方案的原则.

（2）供电电源及电压的选择

楼房的供电电源由当地变电所引进，先由高压经变压器转换成低压的用户电源，再进行分配，给各用户供电，一般电压为220V或380V。

根据不同的公寓用电和公共用电（如电梯，水泵，监控等）采用不同的电压等级。

（3）高低压配电系统的设计

电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能的环节。

配电系统由配电变电所（通常是将电网的输电电压降为配电电压）、高压配电线路（即1千伏以上电压）、配电变压器、低压配电线路（1千伏以下电压）以及相应的控制保护设备组成。

本次主要设计配电方式。

（4）主要设备的选型

高层建筑电气设计的主要设备选型内容有高压开关柜，电力变压器，低压配电屏，应急备用发电机组，母线槽和电缆等。

设计根据实际的电压电流要求以及一些房屋建筑要求来确定。

在这次设计中重点设计变压器的容量和型号。

（5）变电所位置的确定

高层建筑的变电所主要来自地下一层的配电室，由配电室向外引出许多出线供给不同的电力用户，如，电梯需要有配电箱就是由地下一层的配电室引出的出线来进行供电的，公共用电的许多设备都需要有配电箱，如水泵，监控等。

（6）电气照明设计

高层建筑电气照明设计，包括光源选择、照度计算、灯具造型,灯具布置，眩光控制和调光控制和照明配电线路敷设等。

照明设计与建筑装饰有着非常密切的关系，应该相互配合，在使用功能及艺术意境方面求得统一。

选用高光效电光源，可以取得节能的明显效果。

（7）防雷与接地　　

防雷与接地在建筑电气中是很重要的一部分，它能够保证用户的安全用电，在高层建筑中防雷设施一般都在建筑中有所体现，可以用避雷针避雷器或其它的设备进行防雷保护，在楼的顶层会有防雷的范围如围栏等设施。

接地则在建筑结构中就应该设计进去的，通常是楼的钢筋就是接地，这样更安全可靠。

（8）电梯

高层建筑内的楼梯是非常必要的设施，设计要根据实际的楼层及用途把电梯分类或分层使用，如前18层用1到4号电梯，18到36层用5到8号电梯，这样可以避免电能的浪费还可以避免人太拥挤造成的不便。

（9）消防自动报警和自动灭火系统　

为确保用户的人身财产安全在建筑中必须设置消防自动报警和自动灭火系统，尤其在人口较多的地方设置这是非常必要的。

2.2设计范围

本设计主要针对高层建筑设计中的电气部分，并且只对室内部分作初步设计，本建筑主体防雷保护说明和高层防雷的一些基本知识等

第三章雷电概述

3.1雷电机理

雷电是气体放电，常常伴有闪电和雷鸣。

云层带电产生雷电。

云层带电是一个众说纷纭的问题，在此仅举出一种解释。

太阳的照射使地面水分蒸发，含水蒸气的空气受到太阳炙烤而上升形成热气流。

这种水汽上升，进人冰冷的大气层最后冷凝成水滴。

这种细小的水滴重量很轻，跟随着热气流穿过云层，这时发生碰撞分裂成为带电的残滴和水沫。

这些带负电的水沫继续被热气流带到更高的地方，在周围感应出大量正电荷；而这些带正电的水滴处于低位置，在周围感应出负电荷。

因此，雷云的上、下之间产生了一定电位差。

当电位差增大到能够使大气击穿时，就会产生放电现象，这是我们平常所看到的闪电。

由于放电过程当中，会产生强烈的光和热，这种强大的热量甚至会使得放电通道温度上升到15000摄氏度或者更高，如此高温迫使周边空气急剧膨胀，最终导致强烈的雷声。

当带有电荷的云靠近存在于地面上的物体时，二者之间即会产生放电，同时在放电处发出耀眼的闪光和巨大的雷声，这即是人们所熟知的雷电。

雷电作为一种常见的危害性的自然灾害对人们生活和社会生产有很大影响。

人们为了减少这种影响带来的不便，降低其对于社会生产的直接和间接影响，前辈们通过长时间的观察与实验，已经初步掌握其特性和规律，因此形成了一套完整的防护措施。

大量的实测表明：

产生雷电的云主要带负电，这些负电在雷云一点点积累，对地感应出一个巨大的正电荷，当二者相互靠近使得二者电位差超过气体击穿强度时，就有局部放电通道从雷云到大地，我们叫先导放电阶段。

先导放电阶段所产生的通道具有导电性，将顺着雷电通道向四周蔓延，并继续向大地延伸，当地面上感应的正电荷继续增多，先导通道触地面时，由于部分空间电场强度增加，常在地面凸起处产生向天空发展的先导放电，叫做迎面先导放电。

当泄人大地的先导放电与升上天空的迎面先导放电相遇时，就会在通道端部产生密度很高的等离子区域，此区域自下而上极速传播，形成一条导电率很高的等离子通道，使雷云中的负电荷和大地中的正电荷很快中和，这即为主放电阶段。

以上的放电过程，我们称作下行负闪电。

同理还有下行正闪电，上行负闪电，上行正闪电等，这里则不再阐述。

根据大量的雷电观测表明，先导放电不是瞬间完成的，不会一次就贯通整个空间，是间歇性的脉冲式发展，我们称之为分级先导。

事实上每次人眼观察到的放电，都包含很多次先导—主放电的重复过程。

之所以会产生这种现象，一般是因为，雷云内部的电荷不容易移动，因此，在雷云积聚电荷的过程中，就可能形成大量密度高的电荷。

在第一次先导—主放电过程，将主要释放某一个电荷中心及其传播区域的负电荷，虽然第一次放电过程已经结束，但是雷云内的流注放电已然开始，在第一次放电过程中所产生的高导电率的放电通道影响下，第二个甚至很多个电荷中心也迅速发展出自己的先导放电过程，由此出现几次放电过程。

实测还表明，后续放电先导阶段发展时间较短且没有分叉，同时还表明第一次冲击电流幅值最高。

3.2雷电种类及其危害

雷电的种类主要分三类，直击雷，感应雷，雷电波侵人。

建筑物防雷设计也需要考虑这三种。

直击雷会产生强大的雷电流，当这个强大的雷电流通过导体时，将会在极短的时间产生大量的热，由此产生的高温会使物体燃烧，或金属熔化飞溅，而引起火灾，爆炸；另一方面强大的直击雷可击穿电气设备的绝缘。

当直击雷击中配电网的线路和设备时，将通过很大的雷电流，由此产生的过电压我们称之为直击雷过电压。

感应雷又称为雷电感应，一般分为静电感应雷和电磁感应雷。

由于感应雷电流很大的电磁场交替变化产生的电磁感应和静电感应，会造成户外电线，金属装置等放电，引起建筑物内爆炸和燃烧。

静电感应雷是由于带电云层接近地面，在架空线路导电或其他导电凸出物顶部感应出大量的电荷引起的，将产生很高的电位。

当带有负电荷的雷云靠近线路时，束缚着导线上的正电荷，一旦雷云对地面放电，雷云中的负电荷将被中和，由此导线上正电荷失去束缚，导线上的正电荷向导线两侧流动，由此产生的过电压称为感应过电压。

电磁感应雷是由雷电放电时，很大的冲击雷电流在周围空间产生快速变化的磁场而引起的。

这种变化很快的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。

由此引起的电磁能量若不及时泄人大地，很可能引起火灾爆炸等事故。

雷电侵人波是指雷电在架空线路上产生冲击电压，让雷电波在线路传播。

若侵人建筑物内，可使绝缘层击穿，产生短路。

雷电间接放电于建筑和设备自身，而对布置在建筑物外面的线缆放电。

线缆上的雷电波或过电压以光速沿着电缆线路传播，侵入并危及室内的电子通信系统。

所以，往往在听到雷声之前，电子设备可能已经损坏。

3.3雷电流参量

雷电流的基本参数

雷电流幅值I/KA：

雷云放电过程中的主放电阶段，雷电流急剧升高，达到雷电流值最大值时，称为雷电流幅值。

雷电流由零增加到最大值的时间称为波头。

雷电流从开始增加到幅值下降50%的时间称为波长，又称为半值时间，一般用波头和波长（μS/μS）的比值表示短时雷击雷电流波形。

10μS/350μS一般称为直击雷波形，8μS/20μS一般称为感应雷波形。

平原地区最大雷电流幅值200~230KA，幅值超过20KA的雷电流的概率在65%左右，超过120KA的概率在7%以内。

雷电流陡度α/（KA/μS）：

雷电流的陡度为雷电流变化的快慢。

在主放电阶段，雷电流陡度大；在达到幅值雷电流陡度为零；在波尾雷电流陡度为负值。

雷电流最大陡度为50KA/μS

雷云的电位/V：

雷云的电位可达10~100MV，使雷云内部平均电场10KV/m。

当雷云接近地面局部场强达10V/m~3KV/m时，就会使空气游离而放电。

雷电输人大地的电荷Q/C 瞬时雷电流对时间的积分为雷电输人大地的电量。

平均每次雷电流流入大地的电荷为30~50C。

适用于建筑物防雷的雷击电荷计算公式为：

首次雷击电荷量      Q=（1/0.7）*I*T2 

长时间雷击电荷量     Q=T*I1

Q为雷电输人大地的电荷，C。

I为雷电流幅值，KA。

T2为半值时间，μS。

T为雷电流放电时间，μS。

I1为长时间放电值（一次雷击）平均电流值，KA。

雷电流波阻抗Z/Ω：

雷电流路径中单位长度上的电抗与容抗值约300~500Ω，常取300Ω

单位能量（W/R）/（MJ/Ω）：

雷电流的二次方在整个雷闪持续时期内对时间的积分即为雷电流在单位电阻上的能量消耗。

首次雷击的雷电流参数

首次以后雷击的雷电流参数

长时间雷击的雷电流参数

3.4建筑物落雷的部位

建筑物易受雷击的部位如图所示。

abcd

  ——易受雷击部位——不易受雷击部位

最易受雷击部位

a平屋面

b坡度不大于十分之一的屋面

c坡度大于十分之一小于二分之一的屋面

d坡度等于或大于二分之一的屋面

第四章防雷方法

4.1建筑物年预计雷击次数

根据国标GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》规定如下

我国建筑物年预计雷击次数计算式为

1.3N=k𝑁𝑔𝐴𝑒=0.024𝑘𝑇𝑑𝐴𝑒

H<100m𝐴𝑒=[𝐿×𝑊+2𝐿+𝑊+𝜋𝐻200−𝐻]×10−6H≥100m𝐴𝑒=[𝐿×𝑊+2𝐻𝐿+𝑊+𝜋𝐻2]×10−6

其中

𝑁g—建筑物所处地区雷击大地的年平均密度，次𝑘𝑚2∗𝑎

1.3我国取𝑁𝑔=0.024𝑇𝑑

𝑇𝑑—年平均雷暴日数

𝐴𝑒—与建筑物截收相同雷击次数的等效面积，𝑘𝑚2

L、W、H—建筑物的长、宽、高

k—校正系数，一般情况下取1

4.2建筑物防雷分类

根据建筑物的重要性、使用及发生雷击次数和产生的后果严重程度等因素来考虑，我国防雷标准将建筑物划分为三类，不同种类的防雷建筑物防雷要求也不尽相同。

各建筑物防雷类别划分为：

第一类防雷建筑物：

因电火花而引起爆炸会造成巨大破坏和人员伤亡的下列建筑

1.建造、使用或储存大量爆炸物质

2.具有0区、1区或10区爆炸危险环境的建筑物 

第二类防雷建筑物：

1.国家重点文物保护的建筑物 

2.特别重要的建筑物。

如国家级会堂、大型展览建筑物、大型火车站 

3.对国民经济有重要意义且装设有大量电子设备的建筑物 

4.电火花不易引起爆炸或不致造成巨大破坏和伤亡的建筑物 

5.工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐 

6.年预计雷击次数N>0.06的重要建筑物或人员密集的公共建筑物 

7.年预计雷击次数N>0.3的一般性民用建筑物

第三类防雷建筑物：

1.省级重点文物保护的建筑物及省级档案馆 

2.年预计雷击次数0.06>=N>=0.012的重要或人员密集的建筑物 

3.根据雷击后对工业产生的影响及产生的后果，并结合当地气相、地形、地质及周围环境等因素，确定需要防雷的21区、22区、23区火灾危险环境

4.年预计雷击次数0.3>=N>=0.06的一般民用性建筑 

5.年预计雷击次数N>=0.06的一般民用性建筑

4.3建筑物防雷依据标准

我国建筑防雷主要依据新修订的国家标准GB50057—2010《建筑物防雷设计规范》2010年版。

国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010，由国家机械工业局设计研究院会同有关单位进行了局部修订，已经有关部门会审，现批准局部修订的条文，自2011年10月1日起施行，原规范中相应的条文同时废止。

第五章高层建筑设备选择及防雷措施

5.1第一类防雷建筑物的防雷措施

防直击雷：

1）装设独立避雷针、架空避雷线或架空避雷网（网格尺寸不大于5m×5m或6m×4m保护凸出屋面的物体应处于保护范围内

2）对排放有爆炸危险的气体、蒸气或粉尘的管道（如放散管、呼吸阀、排风管等）的管口外空间 （指垂直为管帽以上2.5m，水平为管口外各个方向5m的圆柱体构成的空间；但当装置内的压力比周围空气压力大25kPa以上，则垂直和水平均为5m；当装置内的压力比周围空气压力大5kPa以下，且排放物的比重比空气重，则分别减为垂直1m，水平2m；当无管帽时则是指管口上方以半径5m的半球体构成的空间）应处于接闪器的保护范围内。

接闪器与雷闪的接触点应设在该空间之外；但对排放物达不到爆炸浓度、长期点火燃烧、一排放就点火燃烧及当发生事故时排放物才达到爆炸浓度的通风管道、安全阀，接闪器的保护范围可不计及上述管帽或管口外空间。

3）独立避雷针、架空避雷线和架空避雷网有独立的接地装置，毎根引下线的冲击接地电阻不宜大于10Ω；在高土壤电阻率地方可适当增大冲击接地电阻。

4）独立避雷针、架空避雷线及架空避雷网的支柱及其接地装置至被保护建筑物及与其有关的金属物（如管道、电缆等）之间的距离；空气中距离𝑆a1：

当ℎ𝑥<5𝑅𝑝时. Sa1≥0.4 0.1hx+Rp m。

当ℎ𝑥<5𝑅𝑝时，Sa1≥0.1 hx+Rp m，地中距离sa1≥0.4Rpm，但均不得小于3m。

5）架空避雷线（计人弧垂> 至屋面和各种凸出屋面的物体（如风帽、放散管等）之间的空气中距离𝑆a2。

，当h+𝑙2<5𝑅𝑝，𝑠𝑎2≥0.2𝑅𝑝+0.03 ℎ+𝐿2 𝑚。

当h+𝑙2≥5𝑅𝑝. 𝑠𝑎2≥0.05𝑅𝑝+0.06 ℎ+𝐿2 𝑚，且不应小于 3m。

6）架空避雷网到屋面及各种屋面的凸出物体（如风箝、放散管等）之间的距离𝑆b：

，当h+𝑙1<5𝑅𝑝时. Sb≥1𝑛（0.4𝑅𝑝+0.06 ℎ+𝑙1 ）𝑚。

当h+𝑙1≥5𝑅𝑝时，Sb≥1𝑛（0.1𝑅𝑝+0.12 ℎ+𝑙1 ）𝑚，且不应小于3m

7）独立避雷针的杆塔、架空避雷线的每一端及架空避雷网的每一支柱处应至少有一根引下线。

对用金属制成的或有焊接、绑扎连接钢筋网的杆塔、支柱，宜利用其作为引下线

防雷电感应：

1）为防止静电感应产生火花.建筑物内的金属物（如设备、管道、构架、电缆金属外皮、钢屋架、 钢窗等较大金属构件）和凸出屋面的金属物（如放散管、风管等）均应接到防雷电感应的接地装置上。

金属屋面和钢筋混凝土屋面沿周边每隔18〜24m采用引下线接地一次

2）为防止电磁感应产生火花，平行敷设的金属管道、构架和电缆金属外皮等，相互间间距小于100mm时，应每隔不大于30m用金属线跨接；交叉净距小于100mm时，交叉处也应用金属线跨接；长金属弯头、阀门、法兰盘的过渡电阻大于0.03Ω时，连接处应用金属线跨接， 对有大于4根螺栓连接的法兰盘。

在非腐蚀环境下，不用金属线跨接。

3）防雷电感应的接地装置，其工频接地电阻R小于等于10Ω并应和电气设备接地装置共用；除保护第一类防雷建筑物的独力接闪器的接地装置外，防雷接地装置应该和电力、电子设备的接地装置公用， 但对电力、电子设备应考虑过电压保护，以下同此

4）防雷电感应的接地装置与独立避雷针、架空避雷线或架空避雷网的接地装置之间的距离应符合防直击雷的要求。

防雷电波侵入：

1）低压线路宜全线采用电缆直接埋地敷设，在入户端应将电缆的金属外皮和钢管接到防雷电感应的接地装置上。

当全线采用电缆有难度时，可采用钢筋混凝土电杆铁横担架空线。

但应使用一段埋地长度大于等于2𝜌的金属铠装电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引人，且埋地电缆长度大于等于15m。

在电缆与架空线连接处还应装设避雷器。

避雷器、电缆金属外皮、钢管和绝缘子铁脚、金具等应连在一起接地，其冲击接地电阻应小于等于10Ω。

2）架空、埋地和地沟内的金属管道，在进出建筑物处应与防雷电感应的接地装置相连。

距离建筑物l00m内的架空管道，还应每隔25m左右接地一次，其冲击接地电阻应小于等于20Ω。

宜利用金属支架或钢筋混凝土支架的焊接、绑扎钢筋体作为引下线，钢筋混凝土作为