现代建筑弱电系统防雷设计

现代建筑弱电系统防雷设计
摘要：雷击是一种自然现象，它能释放出的能量具有极强大的破坏能力。

几个世纪以来，人类通过对雷击破坏性的研究、探索，对雷电的危害采取了一定的预防措施，有效地降低了雷害。

本文介绍了雷电对建筑物弱电系统可能引起的危害，以及弱电系统的一些基本防雷设计。

探讨了有效防止弱电系统雷电损害的具体措施。

关键词: 防雷; 弱电系统; 浪涌保护器
中图分类号：tu856文献标识码： a 文章编号：
1 弱电设备遭受雷害的情况分析
雷击损害建筑中弱电设备的主要原因是：避雷针能防止直接雷击，但不能阻止雷电感应过电压、操作过电压、零电位漂移过电压，以及因过电压在泄放电流时在其周围所产生的很强的感应电压，在弱电设备中造成的浪涌超过了设备承受的能力。

浪涌的主要形式是电源浪涌和信号浪涌。

这种浪涌在新建或扩建设备时往往不被重视。

在多年的实践中，人们对直击雷、感应雷、球形雷的认识比较高、防护措施也相对完善，但对雷电浪涌的防护意识不强，防护措施也相对比较薄弱。

雷击形式及弱电设备遭受雷害的情况主要有以下3 种：
（1）直击雷。

指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物及建筑物内设备的损坏。

（2）感应雷。

指雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的
户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线所感应的雷电过电压。

当其侵入设备后，使串联在线路中间或终端的弱电设备遭到损害。

感应雷虽然没有直击雷严重，但其发生的几率比直击雷高得多。

（3）雷电浪涌。

近年来，由于电力系统中不断引入自动化装置而引起人们重视的一种雷电危害形式。

最常见的弱电设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通信线路中感应的电流浪涌引起的。

一方面由于弱电设备内部结构高度集成化，从而造成设备耐压、耐过电流的能力下降，对雷电（包括感应雷及操作过电压浪涌）的承受能力下降；另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波的侵入。

浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜入弱电设备，这样的浪涌电压完全有可能一次性地将弱电设备损坏。

信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。

2 弱电系统的防浪涌措施
根据iec 61312 标准，弱电设备应设置多级防雷保护措施，一般为三级配置。

由于雷电流主要由首次雷击电流和后续雷击电流组成，因此，雷电过电压的保护必须同时考虑到如何抑制(或分流) 首次雷击电流和后续雷击电流。

在采取多级保护措施的同时，还必须考虑各级之间的能量配合和解耦措施。

弱电系统可采用外部防雷和内部防雷两种措施。

外部防雷可将绝大部分雷电流直接引入地下泄散; 内部防雷可阻塞沿电源或信号线所引入的雷电波。

这两道防线
互相配合，缺一不可。

2．1 外部防雷与接地
外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是防直击雷，它是防雷技术革新的主要组成部分，其防雷措施可分接闪器(避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器) 、引下线、接地体和法拉第笼等。

2．2 内部防雷
内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的设备加装过压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，保护装置能快速动作泄放能量，从而保护设备免受损坏。

内部防雷分为电源防雷和信号防雷。

2．2．1 电源防雷系统
电源防雷系统主要是防止雷电波通过电源线路对计算机及相关设备造成危害。

为避免高电压经过防雷器对地泄放后的残压，或因更大的雷电流在击毁防雷器后继续毁坏后续设备，以及防止线缆遭受二次感应雷击，依照有关防雷工程试行草案，应采取分级保护、逐级泄流的原则。

按照gb 50057—2010《建筑物防雷设计规范》。

为了将低压配电系统线路上的电压限制在一个安全的水平，在供电线路上需安装浪涌保护器( surge protective device，spd) 。

弱电机房的电源浪涌保护通常做三级保护:电源引入的总配电
柜处安装浪涌保护器，作为一级保护; 通常弱电机房均由总配电柜单独配出一个回路为机房供电，因此需要在机房配电箱处安装浪涌
保护器，作为二级保护; 在所有重要的、精密的设备以及不间断电源(uninterruptible powersupply，ups) 的前端应加装浪涌保护器，作为三级保护。

有了这三级的保护，就可将雷电过电压(脉冲)钳制在1 kv以下，达到保护设备的目的。

当然，浪涌保护的级数可根据工程的实际情况进行增减，采用经济合理的方案达到抑制浪涌的目的，保护弱电设备。

2．2．2 信号防雷系统
信号系统防雷包括由户外引至户内的通信线路，主要线路包括电话线、专线、微波通信线(天馈线) 等。

网络通信设备的接口芯片抗过电压冲击的能力很差，一般cmos 电路极限电压均为几十v，极易遭受感应雷击。

根据美国通用电气公司r．d．hill 的试验结果，只需0．07gs 的磁场强度就能使网络系统瘫痪，而2．4 gs 的磁场强度轻则使部分通信线路中断，重则使整个网络瘫痪，使计算机的元器件永久性损坏。

由于雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量，因此要求网络通信设备能够承受较高能量的瞬时冲击，而目前大部分设备由于电子元器件的高度集成化，使耐过电压、耐过电流水平下降，必须在网络通信接口处加装必要的防雷保护装置，以确保网络通信系统的安全运行。

对通信系统进行防雷保护，选取适当保护装置非常重要，应充分考虑防雷产品与通信系统匹配。

对于信息系统，应分为粗保护和
精细保护，粗保护根据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度进行确定。

2．2．3 合理的接地及屏蔽
建筑物中屏蔽的主要目的是对微电子设备进行防护。

有大量微电子设备的房间，要采取屏蔽措施，使仪器处于无干扰的环境中。

屏蔽的有效性不仅与房间加装的屏蔽网和仪器金属外壳屏蔽体本
身有关，还与微电子设备的电源线和信号线接口的防过电压、等电位联结和接地等措施有关。

为了保证非防雷系统的电气线路在防雷装置接闪时不受影响，应采用金属管布线。

该方法具有较强的防止雷电反击的能力，也能较好地屏蔽各种电磁脉冲。

电气线路的主干线一般集中于高层建筑物的中心部位( 其雷电电磁场强度最弱) ，避免靠近作为引下线的柱筋位置，缩小干扰的范围。

穿线钢管和线槽等都应与各楼层的等电位联结板和接地母线相连接，达到良好的屏蔽效果。

3 电子设备防浪涌要求
3．1 耐压要求
当瞬间电压超过电子设备的绝缘耐压值时，其安全性能会降低，甚至被毁。

因而，电子设备的瞬间过电压应小于其绝缘耐压值，正常的工作电压应小于保护电压。

3．2 过流保护要求
电子设备的过流能力一般为额定电流的1．5～2倍，以此为标
准选择电子元器件。

如额定电流为0．22 a 的计算机，其最大过流能力约为0．45 a。

当电流大于该值时，电子设备所选用的电子元器件将会烧坏而无法正常工作，因而应保证到达电子设备的瞬间过电流小于其额定电流的1．5～2倍。

3．3 动态响应时间的要求
电子设备在设计过程中，已采用了许多保护器件，如快熔器、压敏电阻、空气断路器、继电保护器件等，每种保护器件都有特有的动态响应时间( 如空气断路器、继电保护器件的动态响应时间约为200 ms) ，而每种电子设备也有其保护响应时间，因而浪涌流过电子设备的瞬态时间应大于电子设备的动态响应时间，避免保护器件来不及响应而使浪涌通过电子设备。

3．4 接地保护要求
电子设备在安装时，应做到良好接地，否则雷电所产生的浪涌能量不能有效地对地泄放，导致击毁器件。

因此，对电子设备做可靠的接地保护，能使到达电子设备外壳的电压较小，起到安全保护的作用。

但仅作接地保护是远远不够的，还必须加装浪涌保护装置，因外界侵入的浪涌能量将首先通过电子设备，再对地泄放，这样流经电子设备的浪涌电流基本不变，其能量有可能很大，电子设备仍有可能被损坏，因此接地保护对于电子设备而言，只是一种辅助性保护。

4 具体的防雷方案
禹城市气象局综合观测楼是集现代化、数字化、智能化为一体的建筑物。

大楼的弱电系统包括计算机及其网络系统、通信装置等大量电子设备。

为保证该楼的弱电系统正常运行，将雷电灾害降低到最低限度，根据其弱电系统的结构，采取以下具体措施。

4．1 电源系统的防雷措施
电源系统包括电源主配电、ups 电源设备等。

对于机房的电源系统的雷电防护，采取以下的防雷保护方案: 大楼低压主配电系统做两级防雷保护(三相电源) ，其他机房设备进出端采取第三级防雷保护。

(1) 一级感应雷防护。

在观测楼的总配电柜进线端安装电源避雷器，雷电通流为100 ka，其通流量大，予以先导分流，对通过线路传输的直击雷和高强度雷电感应实施泄放保护。

该保护作为大楼及机房用电设备的电源线路一级保护。

(2) 二级感应雷防护。

机房的分配电柜处安装电源避雷器，通流容量为40ka，作为机房电源线路的二级保护，对侵入机房的雷电压进行细泄流保护。

(3) 三级感应雷防护。

在机房ups 至进线电源前采用电源避雷器，通流容量为20ka，作为机房ups 电源的三级保护，确保网络机房的供电安全及机房内设备正常用电。

4．2 信号系统的防雷措施
4．2．1 计算机局域网系统
在综合观测楼的机房内安装网络避雷器，保护交换机、计算机等设备。

网线的各端口安装信号避雷器，传输速率为100 mb /s，作为信号线路的一级防护，用来保护主交换机免遭感应雷电压或雷电电磁脉冲的侵害; 在主交换机引至各分交换机的出线端口安装信号避雷器，传输速率为100 mb /s，作为信号线路的二级防护，用来保护主交换机及服务器和工作站免遭感应雷电压或雷电电磁脉冲的侵害。

4．2．2 气象数据采集系统
在气象数据采集线入机房前，应安装信号避雷器后，再与采集电脑连接。

4．2．3 卫星接收及有线电视系统
卫星天线进线端与有线电视进线端均需安装天馈线避雷器，作为通信与线路保护，避免感应雷对卫星接收站及有线电视设备的损坏。

4．2．4 监控系统
监控设备引入机房前，为防止感应电压对监控设备造成损坏，在监控系统的视频信号输入端和云台控制线端、摄像机端安装相应的信号避雷器。

参考文献：
［1］ gb 50057—2010 建筑物防雷设计规范［s］．
［2］ gb 50343—2004 建筑物电子信息系统防雷技术规范［s］．。