雷电防护工程设计方案

雷电防护工程设计方案
二○○七年二月
雷电是发生于大气中的一种瞬时高电压、大电流、强电磁辐射灾害性天气现象。

全球平均每秒发生雷电100次左右。

据不完全统计，我国每年因雷电灾害造成的人员伤亡3000—5000人，财产损失为50—100亿元。

雷电灾害已经被联合国列为“最严重的十种自然灾害之一”，被中国国防电工委员会称为“电子时代的一大公害”。

近年来，随着我国社会经济的发展和现代化水平的提高，特别是由于信息技术的快速发展，雷电灾害的危害程度和造成的经济损失及社会影响越来越大。

电子化时代的雷电灾害是我们必须要解决的燃眉之急，也要求我们必须做好雷电预防和防护工作。

近年来，雷电呈现日趋增多趋势，究其原因有三：
一是由于“温室效应”引起全球变暖，导致大气活动加剧，局部气候异常、灾害频发；大气的剧烈活动是空中不均匀电荷产生的基础，雷暴发生的直接原因；
二是近年来城市高层建筑物和智能大厦增多，使用了大量的抗电磁干扰能力相对较弱的电子设备，使得雷害突现出来；
三是随着人口的增加，城市规模扩大产生的城市热岛效应，使环境恶化，空气污染严重，空中漂浮物增多增加了雷电“接闪”，“放电”的机会。

在雷击率增加的同时，科学技术不断发展，电子、微电子设备广泛普及；城市智能大厦，通讯设备，工业及生活用电大幅增加，城市电磁场已在自然状态下发生很大变化；而人们的防雷意识跟不上高科技的发展速度，甚至还只停留在防直击雷阶段，对感应雷造成的远较直击雷严重的危害认识不足。

现代防雷的理论和实践就是在这样的情况下发展起来的。

由于防雷措施不够完善造成近年来雷灾损失呈增长趋势，我区、我市也不例外；1998年8月内蒙中行计算机网络遭雷击损坏,直接损失20多万元,网络瘫痪达数小时,影响面很大,反响也很强烈; 1999年交通大厦2部电梯的控制设备遭雷击同时损坏,致使正常的营业无法进行; 2000年8月呼市某军需仓库遭雷击失火，损失惨重。

其它如电信、广播、电力、金融等单位遭雷击的案例不胜枚举，2002年5月-8月，内蒙古党委、安全厅、内蒙古大学、医学院、呼市消防总队、呼市电信局等都遭到雷击，财产损失不计，对工作的影响十分严重。

2002年8月呼伦贝尔市森林遭雷击火，森林损失及灭火费用无法估量。

2003年包头市网通、市医院、军区某部办公楼、小灵通机站、有线电视等均遭雷击损坏。

2004年6月下旬，内蒙古华电办公楼遭雷击数台计算机损坏,7月下旬公安厅看守所遭雷击,706台双路供电电源、转播、微波系统遭雷击，部分设备损坏，电源损坏严重,8月西郊某部队连续3次遭雷击，UPS、服务器等设备损坏。

雷电是联合国减灾十年委员会公布的对人类威胁最大的十大自然灾害之一。

为加强防雷减灾的统一管理，防雷减灾的有关条目已列入《中华人民共和国气象法》和相应的《防雷减灾管理方法》。

在全国落实安全生产的统一部署下，我区的《防御雷电灾害管理办法》自2002年8月1日起施行，强调提高防雷意认，治理雷电事故隐患，保护人民生命及财产安全。

现代防雷技术强调全方位防护、综合治理、层层设防的原则，把防雷看作是一个系统工程。

雷电电
磁脉冲侵入建筑物内微电子设备是多途径的，其传播途径主要有传导耦合和辐射耦合。

传导耦合又可分为传导电阻耦合、静电感应耦合和电磁感应耦合。

具体地说，雷电（包括感应雷和操作过电压）侵入机房及计算机通信等网络系统的途径主要有四个方面：电源系统引入；信号传输通道引入；地电位反击及屏蔽不良。

为了确保设备及通信网络系统稳定可靠运行以及保障工作人员有安全的工作环境，除了架设良好的避雷针、避雷带外，还必须在大楼的电源系统（所有供电设备、用电设备、备用发电设备）、天馈系统、信号采集传输系统、程控交换系统等所有进行可靠有效的防护，在拦截、分流、均压、屏蔽、接地、综合布线等六大方面均作完整的、多层次的防护。

一、雷电耦合入侵的途径
1、通过电源线路入侵的感应雷击。

电源线路有架空或埋地的，传输路途较长，最容易遭到雷击。

图 1 直接雷击示意图
2、通信线路在传导途中感应雷击。

雷云之间或雷云对大地及金属物体（如广告牌、铁架、路灯、天线旁边的避雷针等）发生闪击，对附近架空或埋地的线路产生强大的电磁感应。

3、当建筑物有两个或两个以上地网时，没有等电位连接，会在电子设备之间出现地反击现象，即从接地线侵入。

4、从天馈线侵入。

5、从信号线侵入。

图2 感应雷击示意图
二、设计说明
随着电子化时代的来临，每年的雷击损失呈上升趋势。

为加强设备和人员的安全，减少直击雷及其强电磁脉冲对系统的干扰，以保证整个系统安全可靠地运行。

在我们方案设计工作中除了遵照执行相关的国家标准要求外，我们还参考和引入IEE／TC-81有关标准的核心内容作为我们设计的指导思想和理论依据。

IEC／TC-81是在国际电工委员会防雷技术精华的基础上，制订的各项防雷技术标准、规范，对我们的实际工作具有指导意义。

如：在IEC-1024《建筑物防雷》和IEC-1312《雷电电磁脉冲的防护通则》标准中，重点提出了防雷分区和等电位连接的概念。

根据雷击在不同区域的电磁脉冲强度划分防雷区域，并在不同的防雷区域的界面上进行等电位连接，能直接连接的金属物就直接相连，不能直接连接的如：电力线路和通信线路等，则必须依据不同的防雷区域的科学划分，采用不同防护等级的防雷设备器件，对后续被保护设备进行有效的保护且必须实
施等电位连接。

实践证明，这种分区分级等电位均压连接，并以防雷设备来确保被保护设备的防护措施是最好的解决问题，实现有效防护的方法。

关于防雷区划分的问题，在IEC-1312标准中有详细的论述：“防雷区是指闪电电磁环境需要限定和控制的区域。

各区以在其交界处的电磁环境有无明显的改变作为划分不同防雷区的特征，具体到我们拟进行的计算机信息系统的防雷保护中，就是要根据计算机信息系统所在的建筑物按需要保护的空间划分不同的防雷区域，以确定各防雷区空间的雷电电磁脉冲(LEMP)的强度，来确定不同防雷区所应采取的具体防护措施和防护手段。

在计算机信息系统所在的建筑物一般是这样划分防雷区的：
(一)LPZO A区：本区内的各类物体都可能遭到直接雷击，因此各物体都可能导走全部电流，本区内的电磁场没有衰减。

(二)LPZ0B区：本区内的各类物体很少遭到直接雷击，但本区内电磁场没有衰减。

(三)LPZl：本区内的各类物体不可能遭受直接雷击，流经各类导体的电流比LPZO B进一步减小。

由于建筑物的屏蔽措施，本区内的电磁场得到了初步的衰减。

(四)LPZ2：为进一步减少所导引的电流或电磁场而引入的后续防雷区，应照需要保护的计算机信息系统所要求的环境选择后续防雷区的要求和条件。

在明确防雷区划分的基础上，结合我们拟进行保护的计算机信息系统来分析，其中心机房是由以下几部分构成：
(1)电源系统，其中又分UPS电源系统及市电供电系统；
(2)计算机网络系统；
(3)通信系统；
(4)辅助系统，其中包括空调、照明、消防、门禁等。

据防雷分区的概念，结合机房的具体情况，那么我们工作的主要目的就非常明确了，即：确保各系统，特别是直接影响业务的系统的正常运行，不受雷电所造成的过电流、过电压的干扰和破坏，保护机房不致被雷电袭击，首先是要堵塞所有的雷击入侵渠道，实行分区和等电位连接的原则，并结合机房的实际情况正确按规范实施。

根据防雷分区的概念，我们知道，不同防雷区之间的电磁强度不同，因此首先作好屏蔽措施，在一定程度上可以防止雷电电磁脉冲的侵入，在此基础上，作好穿越防雷区界面上不同线路的防雷保护，是我们系统防雷工作的重点。

机房所在建筑物的外部接闪体承担了大部分的雷电电磁的能量，是防雷系统中重要的一环，并与内部防雷工作有着直接的联系。

在前面我们分析雷害的入侵渠道时已做了明确的阐述，如：“雷电作用下，
建筑物内感应雷害”及“雷电作用下的二次效应——雷电高压反击雷”，基于当时建筑物防雷要求与现在防雷标准的差异，特别是考虑作为金融证券系统的特定作用，为稳妥起见，我们必须强调对计算机信息系统的直击雷保护问题。

综上所述，我们可以借用IEC／TC-81的技术定义将系统防雷工作总结为：DBSE技术---即分流(Dividing)、均压(Bonding)、屏蔽(Shielding)、接地（Earthing)四项技术加之有效的防护设备的综合，如果从设计阶段开始体现这种综合系统的防护设计原则必将起到事半功倍的理想防护效果。

从严格的意义上讲，目前我们拟进行的机房的防雷电保护工作，在实施的过程必须考虑使用环境的特殊情况。

譬如，机房所在的建筑物的主楼供电系统、主变配电室是否属于机房专门使用。

虽然大楼的建筑物避雷装置可确保建筑物本身免遭雷击损坏和人身安全，但由于大楼的综合管线，如上下水管、电力供电线等等的综合联接问题，市政建设管线与大楼的相互关系，如入户线的屏蔽问题等原因，加之大楼内其它部门所作的改造、搭接，实难于逐一考证，就整幢建筑物是否为一完善的均压系统就难以确定。

为此，我们将重点保护的范围集中确定在LPZ0B防雷区—计算机信息系统中心机房的范围内，并且以LPZO A防雷区与机房范围的界面为一屏障，在这里将所有可能雷电入侵渠道全部切断。

运用实施DBSE技术，并合理选用防雷设备，来实现我们的目的——即对计算机信息系统中心机房实现系统防雷保护。

四、设计依据
1、《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）
2、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004
3、《民用建筑电器设计规范》 JGJ/T19-95
4、《低压电器设计规范》 GB50054-95
5、《雷击电磁脉冲的防护》 IEC 61312-1、2、3
六、工程预算:
在机房UPS前端加装一套一、二级智能型防雷箱TPS-UP/1L-B+C，在网络设备前端加装第三级浪涌保护器TPS D10 JF7（3），在服务器网卡加装TTS-RJ45-E100/4S全面保护服务器设备和数据安全；在机房做等电位连接带保护人员和设备安全。

注：接地系统需小于4欧姆。