智能建筑防雷系统的设计.doc

1、智能建筑防雷系统的设计一、建筑物防雷五要素：1 防雷装置 在高层建筑顶部设置接闪器，如避雷针、避雷带，或将金属构件接地。接 闪功能指外部防雷装置和内部防雷装置的总功能，即接闪器的效果好坏，建筑物内部会不会产生反击。2避雷引下线 利用建筑物结构钢筋， 对避雷针及其引下线进行限流和分流；为避免电磁干扰，电子线路应该远离雷电引下线。避雷引下线数量多，可以增加分流效果。引下线互相之间的距离不应小于规范中的规定。当建筑物很高时，引下线很长，在建筑物中间部位应设置均压环，改善分流效果，减少引下线的电感，还可降低反击电压。3均衡电位 均衡电位指建筑物内的各部位均能构成同一电位( 等电位连接 Bonding)

2、。如果楼内各部位的结构钢筋和各种金属设备及金属管线都能连成统一的导电体，当然建筑物内部就不会造成的电位差，不会产生反击和危及人身安全的接触电压或跨步电压，同时，对微电子设备防雷电电磁脉冲也很有好处。钢筋混凝土结构的建筑物最具备等电位的条件，等电位连接的做法如下：总等电位铜排：用长度为 1m 的 100mm10mm 铜排，每 50mm 间距开 13mm 直径孔 20 个。总等电位铜排直接通过 2 根以上主钢筋与接地体和接地网格连接。辅助等电位铜排：在每个楼层弱电井内或配电箱内设置辅助等电位铜排，其截面积按照保护接地干线PE 选择 ，辅 助等电位铜 排上钻一些孔。各个房间的设备及其附近的金属管道和

3、构件保护接地可以接到辅助等电位铜排。4防雷击电磁脉冲 在避雷针、避雷带和防雷接地情况良好时，还应该注意防止雷击电磁脉冲(Lightning Electro Magnetic Impulse, LEMI)对电子设备的危害。雷击电磁脉冲的入侵途径主要通过避雷针及其引下线或电子设备的供电线路，此外还可通过天线及其馈线、计算机或电话网络线路。因此，应该注意采取全面而有效的措施，防雷击电磁脉冲可以采取屏蔽、接地和电涌保护器。(1) 屏蔽 (Shielding) 屏蔽的主要目的是减少电磁干扰，对各种通信设备、电子计算机，精密仪器和各种微电子设备进行防护。建筑物内部的这些设备，不仅当防雷装置接闪时设备受到电

4、磁干扰，而且由于本身性能的灵敏度，打雷时雷电波的电磁辐射，甚至其他建筑物接闪传来的电磁波也会对其发生影响。因此，在建筑物和房间外部设屏蔽，屏蔽可以用建筑物钢筋和金属支架或金属框架。对重要机房，如大型计算机房或重要电子设备的机房，应该采取屏蔽措施。可以利用建筑物钢筋混凝土内的钢筋连接起来，构成六面体形成屏蔽。要求高的可以采取金属网等进行屏蔽，有的要求双层屏蔽。穿入屏蔽的金属物应就近与其作等电位连接。良好的屏蔽不仅使等电位和分流影响迎刃而解，对防雷电电磁脉冲也是最有效的措施。(2) 接地 (Earthing) 高 层建筑接地效果的好坏是防雷安全的重要保 证之一建筑物接地 一般采用共用接地系统(Co

5、mmon Earthing System)，接地体(Earthing Electrode)利用大楼基础地梁内主筋，防雷接地、保护接地及各弱电设备接地利用同一接地体，其接地电阻应小于 1。基础地梁内主筋可以和桩基钢筋连接在一起，这种做法是目前国内外已经达成共识的共用接地方法，它不但可以节约大量投资，而且非常科学合理，切实可行和施工方便，同时可以得到极佳的效果。木结构建筑和砖混结构建筑必须做独立引下线，采用独立接地方式；如果土壤电阻率大，使用接地极较多时，也可做周圈式接地装置。因为周圈式接地装置的冲击阻抗小于独立接地装置的冲击阻抗，有利于改善建筑物内的地电位分布，减小跨步电压。独立接地方式中以钻孔

6、深埋接地极( 约 45m 以下)的效果为最好，深孔接地极容易达到地下水位，且能节省接地极的数量。电子设备接地 为了使智能建筑内大量的电子设备和线路得到更有效的保护，除了采用一般防雷接地做法外，应在自备变电所设置总等电位铜排，将变压器中性点、中性线 N 和总等电位铜排连接在一起。对于 TNS 系统，所有接到总等电位铜排的中性线 N 应采用绝缘铜线，严禁中性线 N 和保护地线（PE）有任何电气连接。工作接地与总等电位铜排连接。在弱电井设置保护地干线 PE，可以采用镀锡铜排作为保护接地干线 PE。保护接地干线 PE 和总等电位铜排连接，保护接地干线 PE 应该用绝缘子架设，与防雷接地系统隔离，防止雷

7、电时对保护地线 PE 的反击和感应。设备的直流接地(包括逻辑及其他模拟量信号系统的接地) 采用截面积不小于 35mm2 的多芯绝缘铜线穿钢管或线槽引到辅助等电位铜排。钢管或线槽必须可靠接地。在直流接地设备较多的房间内，可以设置等电位铜排网格或等电位闭合铜环，供直流接地用。将设备外壳用多芯绝缘铜线联结到辅助等电位铜排。其截面积，按照额定工作电流而定，一般用 6mm2的多芯绝缘铜线(高层建筑弱电系统的接地在下文单独叙述) 。高层建筑接地系统如图 1 所示。 电涌保护器(Surge protective Device, SPD ) 电涌保护器必须能承受预期通过的雷电电流。电涌保护器的工作原理主要是泄

8、流和限压，可以采取单级和多级保护。目前，电涌保护器的常用保护元件有气体放电管、氧化锌压敏电阻、齐纳二极管和雪崩二极管。可在下列设备加入适当的电涌保护器：在电源进户处、总电源、分电源等处加入电源电涌保护器。为了避免雷电由交流供电电源线路入侵，可在高层建筑的变配电所的高压柜内的各相安装避雷器一级保护，在低压柜内安装阀式防雷装置作为第二级保护，以防止雷电侵入大厦的配电系统。为谨慎起见，可在高层建筑各层的供电配电箱中安装电源避雷器三级保护，并将配电箱的金属外壳与高层建筑的接地系统可靠连接。在计算机网络引入线路处加入计算机信号电涌保护器。在各种通信天线如微波、电视、卫星通信、 电视摄像机等加入电涌保护器

9、。在通信设备、调制解调器、程控交换机、用 户电话等加入电话信号电涌保护器。5综合布线 在现代建筑物内部都离不开照明、动力、电话、电视和各种微机设备的线路，必须考虑防雷系统与这些管线的关系。当防雷装置接闪时，为了保证这些线路不受影响，首先应将这些线路穿于金属管内，保证可靠的屏蔽；这些线路的主干线的垂直部分要走在高层建筑物的中心部件，避免靠近作为引下线柱筋的位置，以尽量缩小感应的范围面；其次，注意由室外引来的电源线、电话线、电视共用天线和屋顶高处的彩灯及航空障碍灯等线路的引入做法，防止雷电波侵入。其三，采用屏蔽布线系统时，每一楼层的配线柜都应采用竖井内集中用铜排或粗铜线引到接地体，当电缆从建筑物外

10、面进入建筑物时，电缆的金属护套或光缆的金属构件应有良好的接地。综合布线系统有源设备的正极或外壳，与配线设备的机架应绝缘，并用单独导线引到接地汇流排，与配线设备、电缆屏蔽层等接地，采用联合接地方式。此外，综合布线时还要注意：电源线不要与网络线同槽架设，数据插座与电源插座保持一定距离。广域网线缆不要与局域网线缆同槽架设。网线在墙壁布置时，有条件时应远距离安装。屏蔽槽有厚度要求，要求两点接地。二、高层建筑防雷系统设计1.设计原则 可靠性原则 设计雷电防护工程应最先考虑的问题就是可靠性。在工程的设计中不一定要求最先进，但一定要用最成熟、可靠的产品和技术。有些新技术确实在某些方面具有优势，但还需用更多的

11、时间去考验。在网络系统的雷电防护中应当选择被广泛应用和证实的可靠产品和技术。提高系统可靠性首先要选用备份回路，出现故障时能够迅速恢复且有适当的应急措施；其次采用热插拔及声光报警功能，故障处理无须停机且便于用户及时发现处理。 实用性原则 配置防雷保护系统不是给用户花钱，而是保护用户的投资，保证网络系统的正确运行；实用性最大限度地满足实际工作要求，从实际应用的角度来看，这个性能更加重要。开放性、可扩充性与可维护性原则 雷电防护技术是不断发展变化的。为了保证用户的投资，所选产品必须符合国际标准及流行的工业标准，结构应当是先进的、开放的、可扩充的，能够满足日益扩充的需要。这样，才能对网络的未来发展提供

12、保证。 2.高层建筑弱电系统的接地弱电系统的接地对于信息传输质量、系统工作稳定性、设备和人员的安全都具有重要的保证作用。不正确的接地方式，可能会造成系统不能正常工作。弱电系统的接地可以分为单独接地和共同接地两种方式，目前国内外都采用共同接地方式。当采用共同接地时，接地体以采用自然接地体为主。当自然接地体接地电阻满足规定值要求且基础的外表面无绝缘防水层，基础内钢筋连接成电气通路，形成闭合环(闭合 环距地面不小于 0.7m)时，可不再另设人工接地体。其 设计原则如下： 建筑物弱电系统防雷是一个系统工程，必须综合考虑，将智能大厦外部防雷措施和内部防雷措施等各种因素作为整体，统一考虑。3.安装防雷接地

13、线的注意事项如下：(1)接地 线、引下线固定点间的距离，水平直线部分一般为 1m1.5m，垂直部分为 1.5m2m，转弯部分为 0.5m。接地装置采用焊接，所有外露焊接点应进行防腐处理。(2)扁钢 接地 线、引下线搭接长度为扁钢宽度的两倍，且最少三面焊接。(3)圆钢 接地 线、引下线搭接长度为圆钢直径的六倍，且两面焊接。(4)明装接地线、引下线在地面以上 1.7m 长的一段，用角 钢或钢管保护。(5) 接地体不宜埋设在污水排放和土壤腐蚀性强的区段；当难以避开时，其接地体截面应适当增大，镀层不宜小于 100m。4.电子设备的接地(1)串联 式一点接地 接地形式简单易行，它将接地母线引至总等电位或

14、接地极，电平最低者应距接地点最近。串联式一点接地形式的缺点在于信号可能互相干扰，当电平相差较大时，容易产生较大干扰。(2)并联 式一点接地 优点是干扰小，缺点在于接地数量多，布线复杂。(3)多点接地方式 将接地母线引至总等电位板或接地极，引至总等电位板或接地板的接地线应当屏蔽。(4)混合式接地 实质上是串联式一点接地形式与多点接地形式的组合；也可以是并联式一点接地与多点接地形式的组合。一点接地形式适用于电平相近的各低频电子设备或电路；混合式接地适用于低频与高频之间的电子设备或电路；多点接地形式适用于高频电子设备或电路。弱电系统工作接地形式弱电系统工作接地线薄铜排宽度选择如表 1 所示5计算机机

15、房的接地 弱电系统的接地要求，以计算机机房与综合布线的接地要求最高。计算机机房应当采用交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地和防雷接地四种方式。 (1)交流工作接地 交流工作接地就是把 计算机中使用交流电的设备做二次接地，或特殊设备与大地做金属连接。(2)安全保 护 接地 为保障人身安全的接地，将具有机柜的机壳，用一根根绝缘导线串联起来，再用接地线将其接地或者接到配电框的中线上。(3)直流工作接地 计 算机系统的直流地对不同的计算机系统有不同的处理方法，一般分为直流地悬浮和直流地直接接大地两种，从安全角度而言，直流地应直接接大地。直流地的接法一般有串联接地，并联接地和信号基准电位网三种类型。

16、其中信号基准电位网，即网格地方法较好。直流网格地是用一定截面积的铜带，在活动地板下面交叉排成 600mm600mm 的方格，其交叉点与活动地板支撑的位置交错排列。为使直流网格地和大地绝缘，在铜带下应垫 2mm3mm 厚的聚氯乙烯板或绝缘强度高、吸水性差的材料，作为直流网格地的绝缘体。(4)防雷接地 防雷接地 应按国家标准建筑防雷设计规范执行。电子计算机的三种接地装置可分开设置，如采用共同接地方式，其接地系统的接地电阻应以各种接地装置中最小一种接地电阻为依据。若与防雷接地系统共用，则接地电阻应1，并且采取防止反击措施，如防雷装置与其他接地物体之间保持足够的安全距离。直流工作接地的引下线一般宜采用

17、截面不小于 35mm2 的多芯铜线，直流工作接地与交流工作接地装置之间的电位差应小于 0.5V。应采用总等电位连接，各楼层的智能化系统设备机房、楼层弱电间、楼层配电间等的接地应采用局部等电位连接。接地极当采用联合接地体时，接地电阻不应大于 1，当采用 单独接地体 时，接地电阻不应大于 4。三、雷电对电子设备的影响1电力线是雷电入侵电子设备的重要渠道雷电远点袭击电力线 电力线输电方式是由发电厂通过升压变压器升压后，输电至低压变压器，经低压变压器的输出供应用户。由于我国的电压基本波形是 50HZ的正弦波形，在电力线上形成每秒 50 次的交变磁场，如果遭遇雷害，在雷电未击穿大气时，将呈现出高压电场形

18、式。根据电学基本原理，磁场与电场之间是相互共存可逆变化的，那么雷击高压电场通过静电吸收原理，向大地方向运动。假设电力线杆高 5m，那么在相对湿度 25时，击穿 5m 空气，需要15106 雷击 高压(3000Vmm)。如果在相 对湿度 95时(下雨时) ，击穿 5m 空气需要 5106 雷电击高压(1000Vmm) 。电力 线上的交变磁场对雷云的吸引，小于大地的静电吸引。如果雷云击穿 5m 空气入地，需要很高的电压，所以雷电首先击在电力线上，且从电力线的负载保护地线入地释放，这样就击穿了设备。在高压线上的表现为击穿变压器的绝缘，在变压器低压端与负载的连线上遭雷击，损失的是用电设备。由于变压器低

19、压输出端是三条相线，雷电击在火线与大地放电，就等于火线与零线放电通过电力线直接击穿用电设备的电子元件。一般电子设备线与外壳的耐压为每分钟 VAC l500V，火线与零线耐压为工业级 Vdc550V650V。这么低的耐 压一旦遭受远点雷击，必将击坏用电设备 。为此，在选择防雷器时，首先考虑远点雷击。雷电近点袭击电力线 所谓雷电近点袭击电力线，实际上是雷电袭击用电设备所在的建筑物避雷针，从而引起雷电电磁脉冲的保护问题。雷电打在建筑物避雷装置上，按照 GB50057-94建筑物防雷 设计规范规定，定义大楼接闪电能力为波形 10350s 三角波，雷击电流为 150kA。避雷 针引下线由于线路电感的作用

20、，IECl312 定义最多只能将 50的电流引入大地。100 余米高的大楼，它的引下 线电感为155H 左右(1.55Hm)，IECl312 定义电感大于 37.5H，则发生侧闪雷击。也就是 说， 10350S 直击雷引下线只能引下 50的雷击电流，余下的电流将通过电力线屏蔽槽、水管、暖气管、金属门窗等与地面有连接的金属物质联合引雷，但只引下少部分雷电流，余下总电流的 25在大楼流窜至 UPS 输入输出负载的电源线、局域网线等，击穿小型机局域网端，最终由逻辑地线处下泄入地。对设备而言，部分雷电流将由 UPS 输入电源线对交流地线进 行 L-PE，N-PE 泄放，UPS 输出 L-PE(逻辑地)

21、，N-PE 泄放，小型机 L-PE，局域网线对逻辑地线等进行泄放。最终结果，将击穿 UPS 输出对地线和输入对地线端，小型网电源对逻辑地线，网口对逻辑地线。为此，必须对 UPS 输入输出火线零线对交流地和直流逻辑地进行保护，必须对小型机、服务器及其他重要终端进行等电位保护，对网口进行保护，只有堵死一切雷电导入的端口，才能有效地保护设备免受雷电的侵害。错相位雷害 如果描述雷电发生时用肉眼可识别闪电为一组雷击，每次不少于 26 个雷，它有大小和发生先后的区别。如果一个高能量雷打在一条火线上，而另一个低能量雷打在另一条火线上，线线之间就会产生一个电压差，侵入设备。这种侵害齐备的现象，称错相位雷击，又

22、称雷电的二次破坏。对三相UPS 而言，它的 输入和 输出端，应当安装线 与线之间的保护，才能更全面、更立体地保护电子设备。堵死雷电由电力线入侵电子设备，应该从远点雷击、近点雷击和错相位雷击三种雷击现象入手，实施全方位的保护，才能在发生雷击时，有效地保护设备。2.雷电作用下建筑物内感应雷害 雷电击在建筑物避雷针上，由避雷针通过引下线，将雷电流泄放大地。引下线自上而下产生一个变化旋转快速运动磁场，建筑物内的电源线、网络等相对切割磁力线，产生感应高压且沿线路传输击毁设备。由此可知，雷电产生的感应电压无孔不入，它可危及机房内所有的电器。上海一座邮电智能大厦一次雷击，4 台服务器遭受雷击，80 多条广域

23、网络线端口及 4 台网络交换机的 RJ45 端口全部损坏；广东省1996 年计算机系统遭受雷击损失五亿元人民币。感应雷的能量虽小，但电压较高。所以，对感应雷害的防护应该是全面的防护。3.雷电作用下的网络雷害(1)广域网 络 一般讲，广域网络通常不遭受直击雷的破坏，lmm2 的铜线遭受 10kA 的雷电袭击，它自身就断了。所以，广域网的雷害主要是感应雷害，击穿方式为线对线和线对机壳( 地)。在 GAl731988计算机信息系统防雷保安器标准中，广域网保护的最大雷电流为 5kA。连接广域网一般有以下三类：一类是 DDN 租用专线；一类是 ISDN 专线；一类是帧中继以及微波通信方式。对于专线的接收端口，它的