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高层建筑环境特征对电气设备影响与防护

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阐述了高层建筑几种主要环境特征及其对电气设备所产生的影响,提出了在电气工程设计中,如何根据不同的环境特征来选样电气设备、如何减少和避免环境特征的影响以及所应采取的防护对策和设计要点:

关键词:高层建筑 环境影响 电气设备 工程设计 防护对策

  1.前言

  目前,我国大中城市的建设速度加快,人口密度增加,建设用地紧张,迫使建筑向高层发展。由于高层建筑占地面积小,体形高大,充分利用了空间,它既能满足人们对建筑物的多种功能的使用要求,同时也增加了城市的壮观程度,因而国内的一些大城市已是高楼林立,高层建筑的发展已成为大城市的主要特征之一。虽然高层建筑的建设能有效地解决城市用地紧张等问题,但高层建筑也带来一些不利因素,除对人们的生活环境产生影响外,还对高层建筑中安装着的大量电气设备产生较大的影响。高层建筑环境所带来的一些不利因素主要有:高温、低温、湿气、霉菌及有害小动物、雷电、火灾危险、静电、电磁干扰、腐蚀(化工)、爆炸危险(化工、轻工)等。为了保证电气设备在这些环境中继续保持可靠的功能和对环境的适应能力,就必须根据其不同的安装环境而采取不同的防护对策。尽管电气设备在设计和制造中,就已考虑到产品的安装环境和特征而采取了一些防护措施,但对电气工程设计者来说,还必须根据高层建筑内特殊的环境特征,合理地选择不同的气设备及装置,用以提高供配电系统运行的电性、可靠性以及具有合理的经济技术水平。

  2.高层建筑的环境特征及其影响

  2.1高温环境

  在高层建筑中的某些场所安装有蒸汽、供暖管道或一些散发高温的设备,安装在其附近的电气设备和线路都将不同程度地受到高温辐射环境的影响,使其使用寿命大为减少,另外,一些电气设备的本身如变压器、应急柴油发电机组等设备也散发出高温,由于配电变压器和应急柴油发电机房大都设置在高层建筑的地下层内,自然通风和散热条件很差,如不采取强制通风措施,将会使变压器和柴油发电机组的运行温度持续升高而不能工作。高温环境对电气设备的影响较大,会使开关的容量减小,热继电器误动作,电子器件的技术性能被破坏。当电气设备和线路长时间在高温环境下工作,会使得绝缘材料软化,进而干裂;当路发生短路时,如不能及时地使保护开关跳闸,将会导致绝缘导线的外护层熔化、着火,进而引发大范围的火灾事故。 

  2,2低温环境

  在我国北方一些严寒地区,冬季所造成的低温环境,使得电气设备的绝缘材料收缩、变硬或脆裂,油开关及充油电气设备的电气性能和机械性能降低。高层建筑中的消防水系统及应急柴油发肌的水冷却系统会因冬季的低温而结冰。如不采取有效的防冻措施,就会造成水管及柴油发电机机体冻裂而损坏,酿成重大设备事故。

  2.3湿气环境

  在高层建筑内的水泵房、地下室或水蒸气较大的地方,潮湿的水汽会渗透和扩散到附近安装的电气设备内部,严重的会使电气设备的内部或外部凝露形成水膜,金属表面严重腐蚀,会引起这些元器件电气性能下降,使材料表面的绝缘电阻降和绝缘被击穿,材料强度降低,介质损失角增大,元器件失灵和电接点接触不良等。

  2.4霉菌、昆虫及有害小动物环境

  在高层建筑的地下室等场合,特别是在南方地区,如果通风条件不好,湿度较大,霉菌将会旺盛地生长,其分泌物会污染电气设备,甚至使金属导线腐蚀。如使光电型火灾探测器的玻璃及电视摄像机的镜头长霉,损坏光学玻璃的透光性能,使火灾报警系统和电视监视系统不能正常工作或酿成更大事故。在一些地区的高层建筑中,地下室有老鼠、猫、蛇类小动物或蟑螂等。会咬坏电缆或进入电机和高、低压开关柜等造成电气短路、断路等2.5雷电环境高层建筑由于建筑高度高,体量较大,落雷的率要高于其他多层建筑,在一些多雷区和强雷舶高层建筑尤甚。由于受直接雷击或雷电感应所造成的过电压影响,会使电气设备的内部绝缘或外部绝缘发生闪络,雷电流所引起的热效应使电气设备烧坏或产生强大的电动力使导电部件变形或损坏。特别是对高层建筑内信息系统危害更大,雷电所产生的静电感应和电磁感应会在信息系统网络中产生很高的电位和强电,使信息系统的网络、线路和设备损坏。同时闪电雷击的电磁脉冲还会干扰无线电通讯系统的正常运行。

  2.6机械应力环境

  通常高层建筑的底层建有裙房,在裙房与高层建筑主体之间结构上设有沉降缝,还有因高层建筑主体长度较长,结构上需设抗震缝,当电气管线、线槽、电缆桥架、母线槽经过沉降缝、抗震缝时或当电缆引入、引出建筑物的基础和电缆及管线引出地面等可能受到机械应力损伤的地方时,如不进行特殊的联结处理,就会使得通过这些地方的电气管线、线槽、电缆桥架、母线槽等产生变形、折断,造成停电,进而影响整个供电系统的正常运行。

  2.7火灾危险环境

  火灾危险环境是高层建筑中最主要和最不可忽视的一种环境。由于高层建筑内部的使用功能较为复杂,设备繁多,存在着多种着火源和大量的可燃物。另外,电气设备或线路超负荷运行或短路,照明灯具和电热设备靠近可燃物等,如设计不合理,再加上管理不善,很容易发生火灾而酿成严重后果。由于高层建筑内一旦发生火灾,其火灾蔓延速度快,楼内人员疏散困难,扑救难度大,不但对楼内人员的生命和财产的安全造成严重危害,而且对电气设备的破坏性也极大。

  2.8静电环境

  静电对高层建筑内,特别是智能型高层建筑内安装有大量的电子装置、微机等电子信息系统设备造成的主要影响有:①造成干扰。静电放电会使通信、收/扩录音机等产生杂音和杂波干扰,使之不能正常工作;②静电是造成CMOS器件损坏的主要原因。其静电损坏机理是电压和功率击穿,使得电子元器件完全损坏或电老化"软击穿";③ 

  静电所产生的强大场强,会引起空气和电气设备的绝缘击穿,使电气设备报废;④静电电击会使得 击穿,使得电子元器件完全损坏或电老化"软击穿";③ 

  静电所产生的强大场强,会引起空气和电气设备的绝缘击穿,使电气设备报废;④静电电击会使得电气操作人员受到伤害;⑤在一些易燃、易爆的场合,静电所产:生的火花会造成火灾与爆炸事故。

  2.9电磁干扰

  在智能型高层建筑中,采用了大量的微机及微机监控和电控装置,它们的工作电源都是由电力系统提供的。由于供电网上接有一些整流和逆变装置,从而使得供电电源中产生并混杂有大量高次谐波(主要是二次谐波)的干扰电压,若不采取有效的抗干扰措施,将会导致微机和电控系统地线"浮置",逻辑和程序混乱、死机和误动作等故障,严重的会使微机系统不能正常工作。另外,高层建筑周围的外部电磁干扰(如雷击所引起的电磁脉冲)或临近的一些工、科、医等的高频设备、广播电视发射装置、微波辐射装置、高压架空线等都会产:生电磁辐射,使得高层建筑内的电子装置、计算机、通讯和视听等信息系统设备受到不同程度的干扰,而不能正常工作,如综合布线系统区域内存在的电磁干扰场强大于3V/m时,就应采取防电磁干扰措施。

  除上述几种环境外,在高层工业厂房中,还有腐蚀和爆炸危险的环境,它对电气设备的影响也是较大的。

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  3.工程设计中的防护对策

  在电气工程设计中,应充分考虑到与环境条件相适应的防护措施,以保证电气设备在不同的环境下能够安全可靠地工作。其主要措施是对环境控制,即将局部环境改善到使电气设备能够可靠工作的程度,还需注意电气设备的选型设计,即选用不同的结构形式,以减弱或防止恶劣环境对电气设备运行的影响。

  3.1高温环境的防护对策

  (1)尽量免在高温环境区域内安装电气设备和敷设线路。

  (2)采用建筑墙体来分隔高温空间。 :www.667e.com

  (3)用空调或通风装置,把电气设备的安装环境调节到合适的温度。由于一些电气设备安装在不易于自然通风的场所,如地下层的变压器室、柴油发电机室、高压和低压配电室等处,这些房间都需要采取强制通风的散热措施,使室温保持在合适的范围内。如柴油发电机机房的温度最高不超过35℃,需提出条件和要求,交给暖通专业进行设计。

  (4)在热力设备或热力管网的外壁上采用膨胀珍珠岩、石棉等保温隔热材料作防护层,以减少对周围环境的热辐射。

  (5)当必须在一些热力设备和管网附近安装电气设备和线路时,应采用耐高温的元器件和绝缘材料,采用耐热型或阻燃型的电缆和导线,同时,当电气线路在热力管网附近平行或交叉敷设时,应满足一定的安装间距要求。详见《民用建筑电气设计规范》(JCJ/T16-97)中7.3电缆线路和第9章室内布线相关章节中的敷设间距要求。

  (6)电气终端配电箱的开关大都是并列组合安装在一起的,其散热条件有限,故设计时需考虑温度升高对开关容量的影响,即开关要降容使用。

  (7)当多根导线或电缆并列敷设在一起时,也应考虑其温度和散热问题,导线和电缆的载流量需适当减小,即需考虑并列敷设时载流量的校正系数。具体详见规范中有关数据。

  3.2低温环境的防护对策

  (1)尽量不要采用充油开关或设备。

  (2)采用取暖装置或空调装置来改善低温环境。如北方地区的柴油发电机房的室温不应低于5℃。另外在冬季应满足应急柴油发电机组自启动的温度要求。当室温达不到要求时,应采用局部和整机预热(即暖机)的方法。应急柴油发电机的冷却水最好加用防冻液。

  (3)北方寒冷地区高层建筑的供电电源电缆或其他电缆应敷设在冻土层以下引入或引出建筑物,其中间接头盒应灌注沥青用以防冻。

  (4)消防水系统的电气设备和管线(管道)应注意保温防冻,特别是在室外不便取暖的地方,考虑使用保温箱体和电加热装置防冻。

  3.3潮湿和霉茵环境的防护对策

  (1)在南方地区的地下室,当室内空间和地方较小时,安装去湿机去湿,使湿度保持在合适的范围内。

  (2)在南方地区的地下室,当室内空间和地方较大时,采用机械通风或空调设备来改善和调节湿度的大小。

  (3)电气设备的箱和柜体应增加密封或选择防水防尘的结构,以防止湿潮气进入。照明灯具也应选用防水防尘型灯具。

  (4)在南方湿度较大的高层建筑内,为了防止霉菌所造成的危害,可使用无机矿物等不易长霉的材料,如使用合成树脂等防腐材料来处理电气设备的外壳。另外,通过改善通风来抑制霉菌的生长。电气箱、盘、柜内放入干燥剂,使霉菌不能生长。如设于地下层的柴油发电机组,其控制屏、配电屏及其他电器设备均应选择防潮或防霉型产品。

  (5)在地下水较丰富的地区,地下层的配电装置室的地坪需抬高并设排水设施。

  3,4昆虫、小动物环境的防护对策

  (1)在有昆虫、鼠、蛇类小动物的地下室内,喷洒杀虫剂和投放药物食饵,杀死有害的昆虫和老鼠等小动物。

  (2)在地面上的配电室的门窗上应设有防止鸟类、老鼠、猫等小动物进入的格栅金属网。

  (3)对引入楼内的电缆穿线管或电缆沟道等,应进行封堵或加防止老鼠、猫、蛇类小动物进入的金属格栅网。

  3.5机械应力环境的防护对策

  (1)当电气管线需要通过高层建筑内的沉降缝或抗震缝时,应采取防止机械应力的措施:暗配管线在接缝处的两端分别加接线盒作过渡软连接导线在盒内盘留,以防在变形伸缩时拉断管线;母线槽、电缆桥架、金属线槽应加膨胀节作过渡柔性连接。

  (2)在电缆及管线引入高层建筑主体建筑物的基础、楼板和过墙等处;室外段的电缆和管线通过道路段;电缆引出地面2m至地下0.2m处行人容易接触和可能受到机械损伤的地方,均应加穿水煤气钢管进行保护。

  (3)室外直埋段的电缆和管线应敷设在地坪0.7m以下,并采用铺沙和软土,再加混凝上板或类似的保护层来防止上部压力对其所产生的机械损 伤。

  3.6雷电环境的防护对策

  (1)防直击雷。在屋顶女儿墙上设置φ8mm以上的热镀锌圆钢或25×4(mm)及以上的热镀锌扁钢作为接闪器。当一些建筑物女儿墙上设有φ25mm钢管焊成的保护栏杆时,可利用其作接闪器。根据建筑物的防雷类别或分级在屋顶楼面上设置避雷网格(第一类:5m×5m或6m×4m;第二类:l0m×l0m或12m×8m;第三类:20m×20m或24m×l6m)。当采用独立避雷针作接闪器时,应采用滚球法计算避雷针的保护范围和避雷针的高度。引下线通常利用建筑物外围四周的柱、墙中的两根大于或等于中16的钢筋从上至下通长焊接,其搭接长度不小于6d,引下线的根数不少于两根,其引下线的间距也应根据防雷类别或分级确定(第一类:≤12m;第二类:≤18m,第三类:≤25m),其布置为沿建筑物四周均匀或对称布置。接地装置目前大多利用高层建筑的桩基,箱式或筏板式深基础中两根大于或等于16钢筋作接地装置(水平、垂直接地极)。水平接地装置为利用建筑物外围基础梁四周的钢筋。由于高层建筑的钢筋混凝土基础深、钢筋多,并与导电性混凝土紧密接触,使高层建筑的基础形成了一个具有巨大表面积的等电位散流面,它有着很高的热稳定性和疏散电流的能力,一般接地电阻的实测值都很低,大都可以满足共用接地电阻值小于或等于1Ω的要求。

  (2)防侧击雷。在高层建筑距室外地坪高度在30m(第一类)或45m(第二类)及其以上部位应设置防侧击雷的避雷带(均压环)。在每隔大于或等于6m(第一类)以上层设置环建筑物四周的水平避雷带,并与避雷引下线焊接相联、即利用高层建筑结构圈梁内的主筋作水平避雷带(均压环)。同时将30m或45m以上层的外墙上的栏杆、金属门、窗等较大的金属物,竖直敷设的金属管道或金属物的顶端和底端与水平避雷带和避雷引下线装置进行焊接相联,使得高层建筑本体形成一个完整的法拉第笼形的避雷装置,可有效地防止侧击雷并形成等电位的保护体系。亦可有效地防止球雷侵入高层建筑的楼内。

  (3)防雷电波侵入。外线电源电缆或其他弱电电缆架空或埋地引入高层建筑时,在入户端应将铠装电缆的金属外皮或金属线槽及电缆桥架与防雷装置相连,对架空和直接埋地的金属管道也应就近与避雷装置相联。在电源引入的总进线箱处装设过电压保护装置;在高层建筑的屋顶和外墙上安装的节日彩灯、航空障碍灯及其线路也应采取避雷措施。

  (4)防雷电感应。将高层建筑内的设备、管道、构架、电缆的金属外皮、钢构架、钢门窗等较大金属物和突出屋面的放散管、风管等金属物,都应与避雷和接地装置相联,并注意管道接头阀门处的跨接。楼内的接地干线与防雷电感应接地装置的联结不应少于两处。

  3.7火灾环境的防护对策

  (1)高层建筑的消防电源按本建筑类别同等级的负荷供电,以提高供配电系统的可靠性。

  (2)高层建筑内的消防用电设施和其他重要负荷的工作电源和备用电源应在末端自动切换。

  (3)配电方式优先采用放射式或放射树干式配电方式。

  (4)火灾危险环境的布线采用铜芯导线穿水煤气钢管或厚电线管、阻燃PVC管暗敷在非燃烧结构内30mm处,以策安全。

  (5)每个防火分区的配电支线不应跨越另一防火分区。电气竖井在电气管线、桥架等设备安装完毕后,孔洞应采用防火堵料进行封堵。

  (6)高层建筑内的电气设备和导线,可选用耐火或阻燃的设备和材料,不得选用充油型的电气设备。如选用干式变压器、六氟化硫或真空高压开关,并采用耐火或阻燃电缆和导线在电缆桥架内敷设。同时在电缆桥架、线槽、母线槽的外表面涂敷防火涂料或采用阻燃电缆桥架。火灾危险环境的电力设备选型可参见《工厂配电设计手册》表11-11。在H-1级的火灾场所,照明灯具需选用防电燃型灯具;设置在柴油机房贮油间的电气设备应按H一1级火灾场所选型。

  (7)为了及时发现和通报火灾,必须设置有专人值班的消防控制中心(室),采用控制中心集中报警系统形式,室内安装火灾自动报警控制器和消防电话主机、火灾应急广播主机及消防联动系统装置等。现在火灾自动报警控制器大都采用微机二总线的报警装置,以减少布线工作量和降低故障率,火灾探测器的选择应根据使用场合和火灾的性质来分别选用智能型感烟、感温以及火焰探测器或其组合。其安装位置和保护面积应根据《火灾自动报警系统设计规范》(GB50116-98)的要求确定,以防止和避免火灾的发生,保障楼内人员的生命和财产的安全。

  (8)在楼内人员经常出入的通道和出人口附近设置手动火灾报警按钮、火灾应急照明疏散指示灯具和消防专用电话,并在适当的位置按规范要求设置电铃、火灾应急广播等,以便在火灾发生时能够及时地报警和引导楼内人员进行紧急安全疏散。

  (9)为了防止火灾的发展和蔓延,其消防联动装置的控制应采用集中和分散相结合的控制方式来控制消防泵、喷淋泵、防烟排烟风机、电动防火门、电动防火卷帘、电梯以及自动灭火系统等消防设备的工作,使其能够有效地起到安全隔离、防范和自动灭火的作用。

  3.8静电环境的防护对策

  (1)限制接触及减少摩擦。对有机械运转部分的电气设备,如电机,应保持运行环境的清洁干净,摩擦部件尽量使用导电材料。

  (2)通过接地,加速静电释放泄漏。以防止物体积累电荷造成放电而损坏高层建筑内的电子装置和计算机等信息系统设备。建筑物内的各类设备、金属构架、管道,销装电缆金属外皮等金属物均应可靠接地,平行敷设的管道、构架和电缆金属外皮等长金属物应每隔30m采用金属线跨接,长金属物的弯头、阀门、法兰盘等连接处也应采用金属线跨接,并每隔20m与接地装置连接,这样将会使这些物体上所积聚的静电电荷泄放掉。

  (3)采用抗静电剂材料和产品,如用抗静电纤维织物、橡胶、胶粘剂、涂料等制品来消除和防止静电电荷的积聚,在计算机房的地面采用耐久型抗静电塑料活动地板,可有效地防止静电和积尘所造成的危害。

  3.9电磁干扰环境的防护对策

  防电磁干扰的主要措施是去除和削弱干扰源。良好的接地是防电磁干扰的一项重要措施;其次是隔断干扰信号的传播路径,并采用屏蔽措施防止干扰,另外是软件上 的检测、数字滤波和,以排除电磁干扰的影响。

  (1)高层建筑遭受直接雷击或其附近物体遭受到雷击都会对楼内的电气设备,特别是对信息系统的设备产生电磁脉冲的冲击和干扰。为了防止线路和设备过电压和过电流所产生的电涌,需在微机、电子装置、通讯装置等信息系统设备的电源进线处装设电涌保护器(SPD),并通过等电位联结措施,可有效地钳制大气过电压及电气系统的操作过电压的幅值,从而保护电气及信息系统设备的安全运行,免受电磁脉冲的干扰、冲击和破坏。

  (2)采用超隔离变压器阻隔电源端的干扰窜入,隔离变压器的一、二次绕组部分的电容要尽量小,即将一、二次绕组分开绕制在C形铁芯的两边。

  (3)采用电源滤波器。将三次谐波滤波器装在降压变压器星形点或分支馈电回路上,使得三次谐波经过滤波器后被衰减掉,减少了干扰。

  (4)采用正确的接地方式。如计算机房的接地,应将交流工作接地,安全保护接地,直流工作接地,防雷接地共用,单点接地并采取等电位措施,可有效地消除多点接地所产生的反击或地线"浮置"的干扰。

  (5)采用光电隔离使微机系统和强电控制部分隔离。光电隔离后,即使强电回路的干扰窜人控制回路,也不至于再窜入到微机系统中去。

  (6)采用软件检测,数字滤波和等方法,以排除电磁干扰的影响,提高抗电磁干扰的能力。

  (7)信息系统线路(如电话、电视、计算机网络等)需采用穿金属管或金属线槽等措施作为屏蔽保护,以防止弱电线路受电磁干扰而影响到整个弱电系统的正常工作。

  (8)对重要的计算机机房或对电磁兼容要求较高的区域房间可采用屏蔽室结构或采用屏蔽缆线和屏蔽配线设备进行布线,屏蔽缆线所有的屏蔽层应保持连续性;缆线也可采用光缆系统。

  4.结束语

  由于高层建筑的特点和其本身具有的环境特征,特别是在智能化高层建筑中安装有大量的电力设备和信息系统的设备及线路,其使用场合和用途各有不同,而且也较为复杂。因此,在设计中,应根据不同的环境和场合,选择最佳的防护措施,使之做到实用、合理,以保证高层建筑内的电气设备包括信息系统设备能够安全、可靠地运行。 

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