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防雷基础知识

中国工商银行张家港市支行防雷设计方案

发布时间:2020-08-01
中国工商银行张家港市支行防雷设计方案

防雷设计方案

一、 概述

     银行系统是国家的的金融机构,其设备的运行安全至关重要。中国工商银行张家港市支行充分认识到雷电电磁脉冲极易对设备的运行危害,委托我公司对其进行防雷设计。

二、雷电和雷电电磁脉冲

2.1雷电的危害
     雷电是发生在大气层中大气或云块在气流作用下产生异性电荷的积累使某处空气被击穿,电荷中和产生强烈的声、光、电并发的一种物理现象,通常是指带电的云层对大地之间、云层取云层之间、云层内部的放电现象。这个放电的过程会产生强烈的闪电和巨大的声响,即人们常说的“电闪雷鸣”。凡空气中导电微粒较多、地面高耸、地面和地下的电阻率较小的地带都易落雷而遭雷击。
     进入电子信息时代后,雷灾出现的特点与以往有极大的不同:

     a、 受灾行业面大大扩大,从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业,特点是与高新技术关系最密切的领域,如航天航空、国防、邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等;

     b、 从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落,无孔不入地造成灾害,因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲(LEMP)。

     c、 雷灾的经济损掉和危害程度大大增加了,它袭击的对象自己的直接经济损失有时并不太大,而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。
产生上述特点的根来源根基因,也就是关键性的特点是雷灾的主要对象已集中到微电子器件设备上。目下当今的电子设备工作电压越来越低,而数量则成倍扩大。几年以前,电脑芯片在大约3/8平方英寸的面积上只有2,000个晶体管。今天,飞跃芯片却超过了10,000,000个!元件之间的空隙变得如此狭窄,以致在5到10伏之上的瞬态过压就会发生损伤性的电弧击穿。甚至发生在几英里外的闪电也会造成芯片损坏。对外界的干扰极其敏感,而雷电流产生的瞬变电磁场对微电子设备的干扰和损坏尤为严重。在雷雨季节,电子信息系统等经常损坏,造成较大的直接和间接经济损失。雷电的自己并没有变,而是科学技术的发展,使得人类社会的生产糊口状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和糊口领域,微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用,造成微电子设备的失控或者损坏。

     雷电致损带来的可怕后果有:

     a、 损坏数据传输,导致系统误操作、信息丢失、不可知的数据错误、文件丢失;
     b、 过早地耗损电子元器件,使性能劣化导致寿命下降、不稳定的性能、神秘的故障以及无法解释的硬件问题和高维修率;
     c、 绝缘击穿或元器件损坏导致系统停顿。

     雷电和雷电电磁脉冲将无孔不入地侵袭电子设备。出于代价与安全的考虑,雷电造成电子信息系统运转停顿的影响将不可估量。近年来使用人员和社会各界要求在电气和电子设备中使用防雷设施的呼声越来越强猎冬其原因是由过电压造成的损失越来越多,而一代接一代的电器和设备却越来越敏感。

2.2 干扰源

     雷电和雷电电磁脉冲作为强干扰源,其损坏性极为明显,但同时另外几种损坏性的强干扰源也应加以考虑。
     电子信息系统所不能接受并肯有破坏性的电磁干扰主要有雷电及雷电电磁脉冲、开关操作脉冲、静电放电和核电磁脉冲。

2.2.1 雷电及雷电电磁脉冲(LEMP)

2.2.1.1雷电

     雷电直接击到建筑物或其它物体上或雷电直接击中线路并经过电器设备入地,也叫直击雷。巨大的雷电流要产生强烈的机械震动和热效应,通过物体时,瞬时释放的功率之大使受击物内部发热、水份蒸发,分解出氧气产生高温爆炸。据有关资料:雷击的发热量约为500—2000焦尔,可熔化一个直径46mm的钢球。

     当防雷装置接受雷击时,在接闪器引下线和接地体上都产生很高的电位,由于雷电流巨大的陡度及幅值,雷电流周围产生了强大的变化的磁场。处在磁场中的导体会感应出电动势。如果防雷装置与建筑物内外电气设备、电线或其他金属管道的绝缘距离不够,它们之间会产生放电,称之为反击。反击将会损坏仪器设备,引起爆炸,甚至危及人的生命。

     当雷电流经地面雷击点或接地体散入周围土壤时,在它周围形成了电压降,接地体附近的人则因两脚所在位置不同,跨接一定的电位差,而有电流过人体形成电击,此为跨步电压。当雷电流流经引下线和接地装置时,由于引下线自己和接地装置都有电阻和电抗,因而会产生较高的电压降。有的甚至高达几万伏,若人接触引下线就会发生触电事故。

     雷电直击在架空电力、通信线路或金属管道上,产生的雷电波可能沿着这些管线侵入室内的仪器,配电柜,危及人身及设备安全。

     雷击大地或接地体,引起地电位上升而波及附近的电子设备,对设备产生反击,损害其对地绝缘。或由于两个地网和雷击入所在的距离不同,导致地电压不同,会引致设备内部两个地之间的击穿。

2.2.1.2雷电电磁脉冲

     作为干扰源的直接雷击和附近雷击所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的传导与辐射产生干扰,如雷电流或部份雷电流、被雷电击中的装置的电位升高产生磁辐射干扰、电磁”浠雷闪电流产生的与导体感应出的过电压、过电流形成的雷击,也叫感应雷。

     它是指雷电放电时在附近的金属导体上产生静电感应和电磁感应,从而使金属部件之间产生火花,引发易燃易爆物品发生火灾事故。感应雷可由静电感应产生,也可由电磁感应产生,感应雷虽然没有直击雷猛烈,但其发生的机率比直击雷高得多。直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害,而感应雷则不管雷云对地闪击或者雷云对雷云这间闪击,都可能发生并造成灾害。此外直击雷一次只能袭击一个小范围的目标,而一次雷电可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应过电压现象,并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传输到很远,至使雷害范围扩大。感应雷可通过两种不同的感应体式格局侵入导体,一是静电感应:当雷云中的电荷积聚时,附近的导体也会感应上相反的电荷,当雷击放电时,雷云中的电荷迅速释放,而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道,就会在电路中形成电脉冲。二是电磁感应:在雷云放电时,由于雷电电流有极大峰值和陡度,在它周围出现瞬变电磁场,处在这瞬变电磁场中的导体会感应出较大的电动势,而此瞬变电磁场,都会在空间一定的范围内产生电磁作用,也可以是脉冲电磁波辐射,而这种空间雷电电磁脉冲波(LEMP)是在三维空间范围里对一切电子设备发生作用。因瞬变时间极短或感应的电压很高,以致产生电火花,其磁脉冲往往超过2.4高斯。研究表明:电磁感应体式格局引起的过电压数倍于电场感应引起的过电压。

     由于雷电对架空线路或金属管道的作用,雷电波可能沿着这些管线侵入室内,造成设备损坏。

2.2.2 开关操作脉冲(SEMP)

     众所周知,当电流在导体上流动时,会产生磁场,储存能量,电流值越大,导线越长,储能越大,所以当大型负载(特别是电感性负载)电气设备开关时,便会产生瞬时过电压.尽管瞬时过电压持续时间只是微秒级(百万分之一秒),它们却能损坏甚至摧毁敏感的电子器件。最大的瞬时过电压是由闪电产生的,瞬时过电压的另一个来源是电力公司日常的电力切换操作。这两类有害的电源扰动都可扰乱计算机和微机信息处理系统的工作,引起停工或永久性设备损坏。不过,有研究指出,88%以上的危险的瞬时过电压产生于您自己的大楼之内,它们是由楼内的升降式电梯、空调、变速传动装置和其它一些设备造成的。来自内部的瞬时过电压是经常发生的,诸如来自空调机、空压机、电弧焊机、电泵、电梯、开关电源和其它一些感性负荷的造成的感应过电压。当数据线接近交流电源线,或和机器设备线交叉时,这种可能性就会增加。

2.2.3 静电放电(ESD)

     静电放电对MOS器件影响最大,人体接触和存放MOS器件塑料盒的振动都会产生大量的静电,当相对湿度为10~20%时,人体在地毯上行走,将产生3.5万伏的静电电压。

2.2.4 核电磁脉冲(NEMP)

     核爆炸时会产生强大的电磁脉冲,它在导线中会引起感应电压,尤其在长线传输时,会引起较高的感应电压。

2.3 雷电和雷电电磁脉冲的特征

     a、 作用时间短:在几微秒到两毫秒之间,上升速度通常称陡度极陡,表过为数值约在1-80KA/μs之间;
     b、 功率巨大:雷电电压可过几千千伏,雷电流可过几百千安,产生的电磁场强大;对于雷电电磁脉冲仍具有较大的能量。
     c、 成份复杂:一般频谱在0-140KHZ左右,放电扰动所形成的频谱可在100HZ-100MHZ。其由高能的低频成份和具极强渗透性的高频成份组成,极易通过寄生参量产生感应;
     d、 雷电和雷电电磁脉冲及其他几种干扰源的数值特征见表,其中a表示直接作用,b表示间接作用。

干扰源数值特征表

干扰源
电压
电流
上升时
持续时间
雷电和雷电电脉冲(LEMP)

a

500KV/m
200KA
10μs
350μs

b

6KV/m
3KA
8μs
20μs
开关操作脉冲
(SEMP)

a

<2500V
200A
<10μ
>40μs

b

<600V
<500A
<50μ
>10μs
静电放电
(ESD)

a

40KV
80A
1~5ns
<100ns

b

1~5KV
>10A
10ns
>100ns
核爆炸产生的电磁脉冲(NEMP)

a

100KV/m
10KA
10ns
150ns

b

1KV/m
>10A
20ns
1μs

e、 一般雷电和雷电电磁脉冲电流的干扰体现在线路上是一种共模干扰,即线路上的过电压是基本一致的,对地破坏绝缘,但在一定前提下会转换为差模干扰。而开关操作等干扰主要属差模干扰,即线路之间产生的过电压。

2.4 常见的模拟雷电波形和测试用波形

     模拟雷电波形和测试用波形是根据雷电和雷电电磁脉冲在线路上的显露形式用于描述雷电流性质,并用于试验的波形,一般有:

a、 1.2/50μs模拟雷击电压波
b、 10/350μs直击雷电流波
c、 8/20μs感应雷电流波
d、 10/700μs通信线路模拟感应雷电流波
e、 10/1000μs能量测试电流波
f、 2ms能量测试方波
g、 8/80μs其它电流波

     常用的测试波形为8/20μs电流波,用于测量防雷器的通流容量.8/20μs雷电波和10/350μs雷电波的区别:直击雷的波形表为现10/350μs波形,感应雷的波形通常表现为8/20μs波,因此对于不同的传输线路特性和传输距离,最终到过设备的电流波形会有所不同。因此会有10/700、8/80等等描述雷电流的体式格局。

2.5 雷电和雷电电磁脉冲致损设备的途径

     雷电和雷电电磁脉冲主要通过两种形式:一种是通过金属管线或地线直接传导雷电致损设备;一种是闪电通道及泄流通道的雷电电磁脉冲以各种耦合体式格局感应到金属管线或地线产生浪涌致损设备,绝大部分雷损由这种感应而引起。对于电子信息设备而言,危害主要来自于由雷电引起的雷电电磁脉冲的耦合能量,通过以下三个通道所产生的瞬态浪涌:

a、 金属管线通道:如自来水管、电源线、天馈线、信号线、航空障碍灯引线等产生的浪涌。
b、 地线通道:地电位反击。
c、 空间通道:电磁波的辐射能量。
     其中金属管线通道的浪涌和地线通道的地电位反击是电子信息系统致损的主要原因。

三、雷电防护基来源根基理

     人是无法阻止雷电涌流侵袭的。人们所能做的是对被保护设备进行有效的系统均衡,并为雷电电流提供通向大地的短捷有效的通路,使雷电电流从敏感电气设备外分流。所以,雷电防护最基本的原则是系统均衡。雷电防护作为一个系统工程,不仅要着眼于部分要素,还要把整个系统放在同外部环境的相互关系中予以考虑与处理,务必使其结构与层次在总体上最合理,系统各部分相互之间最协调。

     随着电子设备的大规模使用,雷电以及操作瞬间过电压造成的危害越来越严重。以往的防护体系已不能满足安全的要求。应从单纯的建筑物防护转为系统的全方位防护,包括防直击雷、防感应雷电波侵入、防雷电电磁感应、防地电位反击以及防操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑。但雷电防护系统也不能保证电子信息系统的绝对安全,只能大大减少被保护系统遭受雷电损害的风险。

3.1 雷电防护基来源根基理

     雷电防护基来源根基理表序号基来源根基理目的技术措施

1接闪泄放将绝大部份雷电流直接接闪引入地下泄放接闪器、引下线、接地体
2均衡地电位各个设备建立良好的等电位接地联合接地
3阻塞侵入阻塞沿金属管线引入的雷电流、感应过电压。屏蔽、接地
4逐级泄放尽量多地将干扰能量在引入之前泄放入地。设置保护区域,安装避雷器
5加强屏蔽预防雷电电磁脉冲的耦合屏蔽、合理布线
6合理布线减少雷电流所产生的磁场及线路之间的耦合合理布线
7设置防雷区明确防护的级别设置保护区域和接地汇集排
8等电位连接均衡系统电位、限制过电压幅度

安装避雷器

3.2 雷电防护系统的组成

一个有效的防雷系统,必需包括以下三部分:
a、 外部防护,由接闪器、引下线、接地体组成;
b、 内部粗防护,由合理的屏蔽、接地、布线等组成;
c、 内部细防护,由等电位连接、过电压保护组成。
这三部分防护部分都是必需的。雷电会导致多种不同形式的危害,没有任何一种单一的技术措施可以全面避免雷电的危害,因此防雷是一项系统工程,防护系统的设计对这三方面都应给与足够的正视并综合考虑缺少其中任何一个方面均不能全面避免雷电危害。

3.2.1 外部防雷

     外部防雷的主要作用是接引雷电按预定的途径引入地下泄放,它可将绝大部分的雷电能量引入地下泄放,然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物自己免受直击雷的损毁,避免或减少雷击建筑物所发生的人身伤亡和文物、财产损失,但雷电会透过多种形式及途径破坏电子设备。外部防雷对保护电子信息系统是不适用的,但从整体的系统防雷来说,却又是必不可少的。

3.2.1.1接闪器

     外部防雷主要是防直击雷的危害,其措施是装设避雷针(网、带)保护,利用避雷针的引雷效应,把雷电引向自身来完成其周围保护区范围内的被保护对象免遭直接雷击,这种保护实践证明是有效的。但是,到了信息时代以后,这种单靠避雷针防直击雷的常规防雷所产生的二次效应,带来地电位升高、侧击、雷电流电磁干扰等问题,特别是感应脉冲过电压和增加雷击概率对电子信息系统是有害的。

     外部避雷针保护必需要有足够的高度才能完成防直击雷的目的,而避雷针的高度与雷击概率(N)的关系:雷击概率N与避雷针的高度H平方成正比,因此采用避雷针保护会大大增加雷击概率。避雷针接闪时,强大的雷击电流入地的过程中,由于雷电流陡度dI/dt的作用,在其周围导体内产生感应脉冲电压。

     所以这种避雷针保护体式格局,不单不能保证信息系统的安全,反而增加了雷击的危险。避雷针用于直击雷保护,这对常规防雷还是信息系统防雷都是需要的。但是由于两者的防雷的防雷重点和保护对象的不同,在用避雷针防直击雷时,对二者的处理方法是不同的。常规防雷采用招引性的直击雷保护,用滚球半径区别防雷建筑物的重要性,越是重要的建筑物,滚球半径就越小,避雷针的高度就越高,这种靠提高避雷针高度满足防雷需要是常规防雷的特点;信息系统误差的防雷则不然,因为避雷针的高度与雷击概率平方成正比,所以避雷针高度增加后,雷击概率会成倍地增加。

3.2.1.2避雷针的保护范围

对避雷针的保护范围在国内外标准中采纳了滚球法理论:

     接闪器的保护范围为半径为R的球与接闪器和地面相切绕接闪器滚动一所形成的阴影区域即为接闪器的保护范围。R根据不同的防雷种别分别选为30米、45米、60米;在保护范围内并不是没有雷击,只是雷击能量较小,滚球半径R越小,进入保护范围的雷击能量也越小,也就是说接闪器的防雷效果越好;接闪器并非越高越好,超过60米的接闪器在技术上是没有多大意义的;注意接闪器与系统外置部分的保护角与防闪络安全距离,必要时进行搭接处理;理论上任何良好接地的金属物体都可以作为接闪器。对于消雷器、特殊避雷针等接闪器的技术原理上的可行性仍值得探讨,但在标准中规定任何接闪器都只能按滚球法校核保护范围。

3.2.1.3引下线

      在国标《建筑物防雷设计规范》(GB---2000)中,对金属引下线的规定就已采取了下降引下线电磁干扰的措施,如多根引下线的分流作用,均匀对称的布置在建筑物周围可相互抵消内部电磁场,利用建筑物的钢筋框架这个很好的屏蔽笼(法拉第笼)接闪引下雷电流等。因此,普通金属引下线的方法在技术经济上都是可行的。但应尽量增加引下线数量,即增加分流途径。为了减弱各引下线的雷电流及由此产生的电磁场作用,还必需注意引下线的合理布设。

     采用有屏蔽作用的引下线是不值得推荐的,因为感应雷主要是由雷云的静电感应引起的,只屏蔽引下线作用并不大,而是要加强所有导线的屏蔽效果,才能减弱感应雷。

3.2.1.4接地装置

     为了避免接触电压及跨步电压的危害,可采用水平接地体埋深,敷设沥青绝缘物于水平接地体上等措施以改善接地装置附近的电位分布。同时引下线安装在人们不易接触到的地方。明设引下线应在地面附近套绝缘保护管。尽量采用环绕建筑物的环形接地体,可有效减少区域内跨步电压,并不利于进出建筑物的金属管线的搭接。

3.2.1.5法拉第笼

     法拉第笼是指建筑物的钢筋、金属构件、金属门窗、地板、基础地网相互可靠地连接在一起的构架。目前建筑物一般是钢筋混凝土、钢结构的建筑物,应充分利用其金属做防雷装置的一部分。将其金属物尽量边成整体。从经济、安全可靠、电磁屏蔽、美观、最少的保护工作等等许多因素来看,肯有明显的优点。

a、 由避雷网(带)、避雷针或混合组成的接闪器,立柱基础的钢筋网与屋架、屋面板钢筋等构成一个整体,避雷网通过全部立柱基础的钢筋作为接地体,将强大的雷电流引入大地,可形成一个全方位的接闪器;
b、 利用建筑物结构钢筋作引下线可增加分流支路,减少引下线电感;
c、 可减少各层的反击电压和减少分支电流的电磁感应;
d、 改善建筑物内地电位分布情况,减少跨步电压;
e、 提供对电磁波的初级屏蔽;
f、 周圈式接地体与基础钢筋作接地体将是有效而低阻抗的,并便于引入建筑物金属管线的搭接。

3.2.2 内部粗防护

     内部粗防护的作用是阻塞和减弱雷电能量进入电子系统内部,并为内部细防护提供良好的基础环境.合理的接地、屏蔽和布线可以控制干扰幅值,使其下降1~2个数量级。

3.2.2.1接地

     接地是使所有电气和电子系统在任何时候都能通过提供的低阻抗途径,均衡整个系统的能量,保持同一电位,同时将多余能量排泄入地。对于雷电防护来说,接地系统可分成接地体设置和系统接地设置。在电气和电子系统的雷电防护中,一定要求有一个良好的接地系统,所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地,从而保护设备和人身安全。如果接地系统做得不好,不单会引起设备故障,烧坏元器件,严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰的屏蔽问题,防静电的问题通过建立良好的接地系统来解决。

3.2.2.2接地体设置
    由于过去对防雷认识的局限性,片面强调降低接地电阻的重要性,其实就防雷的角度讲,对接地电阻的认识已有变化,对地网的布置形式的要求较高,对阻值要求放松,在《建筑物防雷设计规范》(GB---2000)中只强调了各种建筑的地网形式,而没有阻值要求,这是由于在等电位原理的防雷理论中,地网只是一个总的电位基准点,并不是绝对的零电位点。要求地网形状是为了等电位的需要,而要求阻值就不符合逻辑了,当然在前提许可时,获得低的接地电阻总没有什么错,接地电阻值越小过电压值越低。另外供电和通信对接地电阻有明确要求的应予以满足。

在接地体设置时,应注意以下几点:

a、 相对接地电阻,接地体地网的结构形式、引线结构和接触电阻更为重要,

地网形式等要求应参照相应的规范。

b、 注意金属的电化次序,敷设在土壤中的裸钢材不需镀锌,而用1:3水泥砂

     浆将其保护起来,使其使用使用寿命与护坡桩和建筑物基础内的钢筋相当;如果用镀锌钢材连接,并直接敷设在土壤中,则由于混凝土中钢筋电位—0.1~—0.35V(用铜/硫酸铜标准电极测量),而土壤中镀锌钢的平衡电位为—0.7~—1.0V,当将它们连接起来后,形成了原电池作用,电位差可过0.35~0.9V。原电池电流将从敷设在土壤中的镀锌钢出来,流入大地,并通过混凝土流入钢筋。最终镀锌层被腐蚀掉。之后,由于土壤中裸钢的平衡电位为—0.4~—0.6V,仍然存在原电池作用,电位差为0.05~0.5V,土壤中的钢材继续被腐蚀如果用1:3水泥砂浆保护,就不会发生上述的原电池腐蚀作用,因它们的平衡电位相同,不形成原电池,也不会受到土壤的直接腐蚀。

     毫无疑问,接地电阻越小,其泄放功能越强。但在雷电防护系统误差中,接地电阻是重要的,但不是最主要的。一般采用下列几种方法增强接地效果:

b.1合理设置接地网形式、结构及利用合适的材料和连接技术;标准规定的接地方法是采用金属型材铺设水平或垂直地极,在腐蚀强烈的地区可以采用镀锌和加大金属型材的截面积的方法抗腐。

b.2更合理的方法是利用现代建筑的基础钢筋做地极,应充分利用建筑物基础钢筋和护坡桩内的钢筋,这些是很好的自然接地体,有事半功倍之效。

b.3换土或使用降阻剂、接地模块如石墨地极和硅酸盐水泥地极;接地电阻主要受土壤电阻率和地极与土壤接触电阻有关,在构成在网时与形状和地极数量也有关系,降阻剂和各种接地极无非是改善地极与土壤的接触电阻或接触面积。但土壤电阻率起决意作用,其它的都较易改变,如果土壤电阻率太高就只有工程浩大的换土或改进土壤的方法才能有效,其它方法都难以凑效。

3.2.2.3系统接地设置

系统接地设置的首要是联合接地。

     联合接地是将系统内所有地进行可靠连接,包括防雷地、建筑基础地、交流工作地、直流工作地、设备保护地、其它要求另设专用独立地(如IBM公司要求地阻小于4欧,根据实际情况可能也会要求小于1欧),及金属构件如自来水管、排污管、煤气管道、门窗等。各地独立时,如果相互之间间隔过不到规范要求的话,则容易出现地位反击事故,因此,各接地系统之间的距离过不到规范的要求时,应尽可能连接在一起,联合接地可消除地面回路及电势差,防止出现地电位反击。

     连接的材料一般采用扁钢、扁铜或多股绝缘铜绞线,截面积在95mm惨陨希连接的要点在于合理的路由、连接的可靠性和接地系统的防腐蚀措施。如实际情况不允许直接连接的,如设计时需要绝缘的金属构件之间、不同材料的接地体或存在明显电位差的地之间、不允许直接接入公共接地系统的接地可以用等电位连接器连接以实现暂态连接,等地电位连接器,在正常工作情况下隔离,从而隔离了不同接地体之间的相互干扰,遇雷击地电位不等时导通,迫使地电位基本相等。

     联合接地的连接最理想是在地面下进行连接,并引出等电位连接带作为接地棒,其次是在地面上连接各接地棒;一般不要在系统内部进行连接。因为将过多的雷电能量引入内部进行均衡是危险的。虽然在外部实现了联合接地,但在信息系统所处的场所内,在设置上采用了两个或两个以上的接地排时,如果接地馈线长度过长(超过20米),则应在机房内使用等电位连接器连接以实现暂态连接。等电位连接器连接一般也应分二级以上,连接第一级埋设地下或底层,第二级安装于各楼层或机房内。通信机房内应敷设均压带并围绕机房敷设环行接地母线。应注意接地是均衡能量的基础、泄放能量的理想途径,但也是引入一无所有的重要途径。

3.2.2.4屏蔽

     雷电防护系统中屏蔽的主要作用是排除或限制雷电电磁波在一个空间之内或之外。

     电子信息系统是由信号采集、加工处理、传输、存储、检索等众多环节组成。由于系统环节多、接口多、线路长等原因,给雷电的耦合提供了前提。例如,一个信息系统不单有电源进线接口,还有信号输入输出接口,天线馈入接口等,这些接口的线路较长,符合闪电耦合的前提,是感应脉冲过电压容易侵入的原因,也是感应脉冲过电压波侵入的主要通道。电子信息系统重要的是防感应雷的危害,而感应雷的概率要比直击雷高得多。因为感应雷除由直击雷产生外,还包括远处入电的电磁脉冲感应,而且由直击雷所产生的感应雷的作用范围过数百米之远;而且;EMP感应耦合的通道较多。这些要求雷电防护系统中屏蔽必须加强。雷电防护系统中屏蔽主要采用封闭金属屏蔽层。

     利用建筑物结构钢筋、金属门窗、引下线、金属管道组成的金属构架可以构成一定衰减程度的初级屏蔽,其效果取决于组成屏蔽的网格密度与完整性。为减少雷电电磁干扰,通信机房及通信调度综合楼的建筑钢筋、金属地板均应相互焊接,形成等电位法拉第笼。设备的封闭金属外壳有较强的屏蔽作用只有在电磁环境极其恶劣、设备高度重要和设备对屏蔽有较高要求时,才考虑引入屏蔽室等措施,应在机房六面敷设金属屏蔽网,将屏蔽网与机房内环行接地母线均匀多点相连。

     相对于波长,线缆是系统中电气长度最长的元件,最易受耦合,事实上对电子设备的干扰很大部分是通过线缆引入的;线缆屏蔽作用是减少线缆屏蔽所产生的感应电流附带而生的磁场,并减少屏蔽线缆内部导线间的感应电势,因为雷电流在内世线传输时,由于集肤效应将有一部分被除排出到屏蔽层,这部分电流流动及由感应产生的电流流动所产生的电磁场反过来阻碍内世线雷电流的传输;所有金属线缆(包括电力线、信号线)在引入建筑物时宜采用金属屏蔽线缆或穿金属套管埋地引入方式,并将金属屏蔽层可靠接地,这种措施不单可以有效阻塞通过线缆引入地雷电波,而且具有一定的防直击雷效果,如架空电力线由站内终端杆引下后应改换为屏蔽电缆;室处通信电缆应采用屏蔽电缆,屏蔽层两端要接地;对于既有铠带又有屏蔽层的电缆应将铠带及屏蔽层同时接地,而在另一端只将屏蔽层接地。电缆进入室内前水平埋地10m以上,埋地深度应大于0.6m;非屏蔽电缆应空镀锌铁管并水平埋地10m以上,铁管两端应良好接地。若在室外入口端将电力线与铁管间加接压敏电阻,防雷效果会更好。

     建筑物内部的线缆也都宜采取屏蔽措施,金属纺织网、金属管、金属封闭走线槽都可用于线缆屏蔽。线缆屏蔽的要点在于保持整个线缆长度屏蔽体的电气连通。

3.2.2.5合理布线

     合理的布线可以减少雷电流所产生的磁场及线路之间的耦合,其实质是改变系统内线缆之间的分布电容、分布电感、公共阻抗,在实话时应注意:

● 尽量靠近建筑物中心部位布线,并减少潜在的感应环路,防止外部的辐射干扰;
● 避免与引下线、泄流线并行、靠近敷设,防止线缆从引下线感应到浪涌;
● 大负载设备应单独供电,不应与其它系统合用,防止切换操作过电压的干扰;
● 尽量采用光缆,但采用光缆应注意将金属加强筋进行接地连接;
● 适当地增加引入线长度,或设置成电感形式以增大匝间电容和对地电容,可抑制雷电波头陡度。

3.2.3 内部细防护

     内部细防护是分层次对入侵的雷电能量进行均衡泄放,减弱或消除瞬态现象所产生的电位差,以保证信息系统与人员的安全。要保护电气和电子系统重要的是在电磁兼容性保护区内设置一套包容全部有源导线在内的完整的电位补偿系统。

3.2.3.1防雷保护区(电磁兼容性保护区)

     一个欲保护的区域,从EMC(电磁兼容)的观点来看,防雷保护由外到内可划分多级保护区。防雷保护区又称电磁兼容分区,是按人、物和信息系统对雷电及雷电电磁脉冲的感受强度不同把环境分成几个区域,最外层为O级,是直接雷击区域,危险性最高,主要是由外部(建筑)防雷系统保护;越往里则危险程度越底,过压主要是沿线窜入的。防雷保护区的办面划分主要通过防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成,电气通道以及金属管道等则经过这些界面,从O级保护区到最内层保护区,必须实行分层保护区,必须实行分层多级保护,从而将过电压降到设备能承受的水平。

3.2.3.2防雷保护区的划分

a、 LPZOA区:本区内的各物体都可能遭直接雷击,因此各物体都可能导走全部吉电流,本区内电磁场没有衰减;
b、 LPZOB区:本区内的各物体一般认为不会遭到直接雷击,但本区内电磁场没有衰减;
c、 LPZ1区:本区内的各物体一般认为不会遭受到直接雷击,流往各导体的电流比LPZOB区进一步减少,电磁场衰减的效果取决于整体的屏蔽措施;
d、 后续的防雷保护区(LPZ2区等):如果需要进一步减小所导引的电流和电磁场,就应引入后续防雷保护区,按照需要保护系统所要求的环境区,选择后续防雷保护区的要求条件。

     防雷保护区划分,是为了避免因高能耦合而损坏设备。而序号更高的电磁兼容性保护则为防止信息失真和信息丢失而设置的。保护区序号越高预期的干扰能量和干扰电压越低。防雷保护区的设置使需要保护的电气和电子设备安装在一个十分有效的保护圈内,这样的保护圈可以针对单个的电子设备,也可以是一个装有多个电子设备的空间,甚至一整栋楼,所有穿过通常肯有空间屏蔽的保护圈的电线,在接到该保护圈的外围设备的同时接等电位连接器。

3.2.2.防雷保护区的界面划分

     防雷保护区的办面划分主要通过防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成,电气通道以及金属管道等则经过这些界面。在工程实话中,这个办面可以是建筑物墙面、设备外壳、接地汇接排或金属管线引入处,这个办面也可以是一个空间(虚拟的界面)。
     在现代雷电防护技术中,防雷保护区的设置肯有重要意义,它可以指导我们进行屏蔽、接地、等电位连接等技术措施的实施。

3.2.3.3等电位连接

     雷电防护系统实质是一个瞬态的电位补偿系统,其原理基于等电位连接,是为了均衡系统内部各部件在瞬态现象时的电位,控制其不足以产生导致系统损坏和人员伤亡的危险电压,以实现整体的均衡。
     为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,就特别需要实行等电位连接,将分开的装置的导电物体连接导体或等电位连接器(防雷器或放电器)连接起来以减小雷电流在它们之间产生的电位差。目的是在减少需要防雷的空间各金属部件和各系统之间的电位差,电源线、信号线、金属管道,接地线都要通过等电位连接器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接,各个局部等电位连接棒相互连接,并最后与主管电位。
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