民用高層建筑項目的電氣安全與防雷措施

劉慶雄

（江西同濟建筑設計咨詢有限公司，江西南昌 330000）

1 民用高層建筑電氣安全的挑戰

1.1 電氣負荷的增加及其影響

高層建筑中的電梯、中央空調、照明系統等設備需求隨樓層的增加而呈現明顯的增長趨勢。這不僅增加了建筑的總體電氣負荷，還對電源系統提出了更高的穩定供電需求。

電氣負荷增加可能導致電源容量不足、設備過熱和電能損失增加等問題，具體體現如下：①電源容量不足。如果沒有對高電氣負荷進行合理設計，可能會導致電源容量不足，從而引發設備故障或電源供應中斷。電源供應中斷可能會導致電梯停滯、消防系統失效和生活設備失效等問題，不僅影響建筑內各設備的正常運行，更會威脅居住者和使用者的生命安全。②設備過熱。高電負荷可能使電氣設備、線纜等過熱，增加發生電氣火災的風險。③電能損失增加。電氣負荷增加意味著電能傳輸和分配的損失也會增加，這將增加能源成本。

1.2 電氣線路復雜性的挑戰

隨著建筑樓層的增加，電氣線路的布線距離和復雜性也均有增長，對電氣設計、施工和維護都提出了更高的要求。電氣線路復雜性的挑戰主要體現在以下幾個方面：①信號衰減。長距離的電纜布線可能導致電信號衰減，影響設備的正常運行。②線路故障難以定位。大量的分支和線路交叉可能導致線路故障難以快速定位和處理。③維護難度增加。線路的復雜性意味著其維護成本和難度都會顯著增加，需要專業團隊進行定期巡查和維護。為確保電氣安全，高層建筑項目在設計、施工和運營階段都需要對電氣系統進行嚴格的管理和控制。

2 民用高層建筑電氣安全措施的詳細分析

2.1 民用高層建筑電氣設計的安全措施

（1）選擇合適的線纜規格。每種線纜都有其規定的安全電流容量，選擇的線纜須能承載預期的最大電流，否則過載可能導致線纜過熱，甚至引發火災。隨著線纜長度的增加，電阻也會相應增加，這可能導致電壓下降。為確保設備能夠得到足夠的電壓運行，須考慮這一點來選擇合適的線纜規格。

（2）確保電氣設備的穩定運行。電氣設備是建筑中的核心組成部分，從照明到空調，再到安全系統，都依賴于電氣設備的穩定運行。選擇合適的電氣設備可確保其在各種條件下都能穩定運行。此外，電氣設備在運行過程中會產生熱量，確保良好的散熱是延長設備壽命、防止過熱和確保設備穩定運行的關鍵，涉及設備的放置、散熱器的使用或散熱風扇的安裝。

（3）預留備用容量。建筑的用途和需求可能會隨時間的推移而發生變化，預留一定的備用電氣容量可確保建筑能夠適應這些變化。并且，隨著技術的進步，設備需要升級或替換，新的設備可能會有不同的電氣需求，預留的備用電氣容量可確保新需求得到滿足。

2.2 多路供電源的深入解析

（1）冗余供電設計。高層建筑正常運行依賴的關鍵系統，如安全監控、消防、電梯等，對電源的連續性和穩定性有嚴格的要求。為確保這些系統不會因單一電源故障而中斷，可采用冗余供電設計：①為建筑提供兩個或更多的獨立電源輸入；②在兩個或更多的電源間平衡電氣負荷不僅可確保每個電源都在其容量范圍內工作，還可以確保在一個電源失效時，其他電源能夠承擔額外的負荷。

（2）“無縫”切換。在一個電源出現故障時，為確保電氣設備和系統的連續運行，需要在極短時間內切換到備用電源，即“無縫”切換，具體可采取以下措施：①應用自動轉換開關（ATS），可自動檢測電源的狀態并在主電源失效時迅速切換到備用電源，其通常與發電機或其他備用電源一起使用，確保在主電網故障時能夠快速響應；②應用不間斷電源（UPS），其內部有電池或其他能源存儲系統，可在電網中斷時為設備提供短時間的電力，對于需要連續運行的關鍵設備，例如，數據中心的服務器或醫院的生命維持系統，UPS 可確保在電源切換期間不會中斷供電。

2.3 定期檢查

高層建筑電氣系統管理中，定期檢查是確保系統安全和高效運行的關鍵，只有通過持續的、系統性的檢查，才能及時發現和解決潛在問題，從而避免更大的損壞或事故。開關、插座、變壓器等都是電氣系統的關鍵部分。通過定期檢查，可確保這些設備始終處于良好的工作狀態。另外，隨著時間的推移，電氣設備會出現磨損或老化，例如，開關的觸點可能因長時間使用而磨損，插座內部的接觸變得不良，定期的檢查可及時發現這些問題。

2.4 安裝短路和過載保護裝置

（1）斷路器安裝。斷路器的主要功能是在檢測到短路或過載時迅速切斷電源，以防止火災和其他相關的安全事故。斷路器內部通常有一個電磁線圈或雙金屬片。當流過其的電流超過一定的限值時，會引發機械動作，迅速切斷電源。選擇斷路器時，須考慮其額定電流、斷開能力和電壓等級，以確保其能在特定的應用場景中有效地工作。

（2）限流器安裝。限流器的作用是在毫秒級的時間內限制電流的峰值，以防止對設備造成損害。當電流超過特定閾值時，限流器會增加其電阻，從而限制流過其的電流。在可能發生短路的場景，如大型電動機、變壓器或高功率的電子設備中，使用限流器尤為重要。

（3）地漏保護安裝。地漏保護設備（也稱為殘余電流設備或GFCI）是為防止電氣觸電而設計的。地漏保護設備會持續監測進入和離開設備的電流。如果有電流流向地面，設備會在毫秒內切斷電源。這種保護尤其在潮濕的環境中很重要，例如，浴室、廚房或任何與水接觸的區域。在這些區域，電氣觸電的風險顯著增加，地漏保護可有效地減少這種風險。

2.5 建立完善的應急預案

（1）應急電源。持續穩定的電源供應至關重要，例如，當主電網中斷時，醫院、數據中心或其他關鍵設施需要不間斷的電源來維持其基本運行。應急發電機通常使用柴油或天然氣作為燃料，能在幾秒鐘內啟動并提供電力。為關鍵設備配置應急發電機，即使在主電源長時間中斷的情況下，關鍵設備也能繼續運行。對于那些需要即時電源并不能等待發電機啟動的設備，如某些醫療設備或服務器，非常適用。

（2）故障應對流程。清晰明確的故障應對流程是快速解決電氣故障的關鍵。為每種可能的電氣故障制訂詳細的操作步驟和指南，包括如何判斷故障的性質、選擇正確的修復方法和預防進一步的損壞，并確保維護人員接受足夠專業的培訓，熟悉各種可能出現的故障及其應對方法，以能夠更快速、更有效地處理問題。

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（3）定期模擬演練。模擬演練是確保預案在實際中得到有效執行的關鍵?？稍O定一系列可能的故障情境，如電源中斷、設備故障或線路損壞，通過模擬這些情境，可檢查應急預案的完整性和有效性。并在模擬演練中，確保不同的部門能夠有效地合作。例如，保安部門、電氣維護團隊和管理團隊應協同工作，確保在真實的緊急情況下能夠迅速、準確地響應。

通過上述詳細的電氣安全措施，高層建筑可確保其電氣系統的穩定、可靠和安全運行，從而保障建筑內人員的生命財產安全。

3 高層建筑防雷挑戰

高層建筑易受外部雷及內部雷擊影響，為確保整個建筑工程的穩定性不受影響，人員的生命健康安全能夠得到有效保障，需要施工單位依照實際情況進行高層建筑防雷措施的設計，以確保后續工作能夠順利開展。

3.1 物理現象

雷云底部積累的電荷會產生一個下向的電場，使地面產生相反的感應電荷。高層建筑，特別是金屬結構，因其高度和導電性，為雷電提供了一個優勢的放電路徑。在雷電放電過程中，高層建筑起到突變體的作用，即像一個尖銳的物體“吸引”雷電，使得其附近的空氣更容易被擊穿。

超高層建筑在雷暴期間，特別是在雷暴活躍的地區，幾乎每場雷暴都可能受到雷擊。頻繁的雷擊不僅危及建筑結構，還可能影響其中的設備和居住者。

3.2 電場強度

地面與雷云間的電場強度具有一個垂直梯度，即電場強度隨高度的增加而增加。高層建筑的高度使其更易受到較高電場強度的影響。當電場強度超過一定閾值時，空氣開始導電，進而引發雷電放電。高層建筑頂部的電場強度，由于其與雷云的距離更近，更易超過這一閾值。高層建筑的形狀和材料可進一步增強頂部的電場強度。例如，建筑上的尖銳物體或金屬裝飾會在其尖端集中電荷，從而顯著增強局部電場強度。

3.3 電子設備增多

（2）雷電帶來的干擾和損害。①電磁脈沖（EMP）。雷電產生的EMP 可輕易穿透建筑物，對內部的電子設備造成干擾或損害。這種脈沖可使電子設備的電路短路或永久損壞。②電壓浪涌。雷擊可直接或間接導致電力線路中的電壓浪涌，進而破壞連接到這些線路上的設備。③感應電流。雷電活動可在建筑的電纜和金屬結構上感應出電流，這些電流可能會流入連接的電子設備，導致其損壞。

（3）設備敏感性的增加?，F代電子設備趨向于微型化和高度集成，其更為敏感，對外部干擾的容忍度更低。尤其是通信和計算設備，工作在高頻率下，對電磁干擾特別敏感。除物理損壞，雷電干擾還可能導致數據丟失、軟件故障或系統崩潰，這對于數據中心或存儲重要數據的設備來說具有較大影響。

4 民用高層建筑防雷措施的深入探討

4.1 合理設計防雷系統

高層建筑，由于其高度和結構，更易受雷擊，因此，設計專門的防雷系統對于保護建筑和其中的設備和人員至關重要。

（1）接閃器通常位于建筑的最高點，其的設計和放置應確保其是建筑中最容易被雷擊的部分，從而引導雷電沿預定的路徑流動。

（2）下導線是從接閃器引出的導線，用于將雷電從建筑的頂部導向地面，應均勻分布在建筑物的周圍，確保雷電可快速、有效地被引導到地面。

（3）接地裝置是防雷系統的終點，可確保雷電安全流入地面而不會對建筑或其內部的設備造成損害。接地裝置的設計應考慮土壤的導電性和濕度，以確保雷電能夠迅速流入地面。

4.2 安裝浪涌保護器

雷擊可能導致電氣系統中的瞬時電壓增加，形成的電壓浪涌，對電子設備造成嚴重損害。浪涌保護器可檢測到電壓的突然增加，并在幾毫秒內切斷電源或將過高的電壓引導到地面，從而保護連接的設備。對于關鍵的電子設備，如計算機、通信設備或醫療設備，使用浪涌保護器至關重要，不僅可防止設備受損，還可避免數據丟失或其他與設備故障相關的問題。

4.3 定期檢測

與電氣系統類似，防雷系統也需要定期檢查，以確保其始終處于良好的工作狀態，具體如下。

（1）性能測試。使用專門的設備測試防雷系統的整體性能，包括接閃器、下導線和接地裝置，可確保系統的各部分都能有效地起到其應有的作用。

（2）物理檢查。對系統的各部分進行物理檢查，確保沒有損壞、腐蝕或其他可能影響其性能的問題。

總之，高層建筑的防雷措施是確保建筑、其中的設備和居住者安全的關鍵部分。通過結合技術先進的系統和定期的檢查，可最大限度地減少雷擊帶來的風險。

5 結束語

為民用高層建筑提供電氣安全和防雷保護是一個綜合性的任務，需要工程師、維護人員和管理者的緊密合作。只有通過合作，才能確保建筑和其中的人員得到最大程度的保護。而隨著技術的進步，未來的高層建筑將會更加安全、智能和高效。