關(guān)于高層建筑電子信息系統(tǒng)的綜合防雷

王成剛

(中航城置業(yè)(上海)有限公司)

1 引言

20世紀(jì)80年代以來，隨著大量微電子設(shè)備在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是高層建筑實(shí)現(xiàn)智能化功能，采用了大量的微電子設(shè)備和技術(shù)。雖然傳統(tǒng)防雷措施可以有效防止直擊雷和削弱電壓波的強(qiáng)度，減小雷擊的破壞程度，但這些措施并不能完全消除電網(wǎng)中由雷電而引起的暫態(tài)過電壓。感應(yīng)雷電脈沖一般都在千伏以上，而微電子設(shè)備的工作電壓僅幾伏，工作電流在微安至毫安數(shù)量。為了確保高層建筑物內(nèi)微電子設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，建筑物內(nèi)微電子設(shè)備的安全保護(hù)問題已顯得日益突出，任何一個單一的防雷器件是無法保證現(xiàn)代建筑物內(nèi)所有保護(hù)對象的防雷安全的。因此，對于高層智能建筑物，必須采取綜合防雷的方式：即在常規(guī)防雷基礎(chǔ)之上，針對建筑物、特殊用房和重要設(shè)施采取各種相應(yīng)的防雷保護(hù)措施，確保建筑物和建筑物內(nèi)所有保護(hù)對象的防雷安全。

2 瞬間過電壓的產(chǎn)生及其防雷分析

電子設(shè)備及電子系統(tǒng)大多數(shù)是配備在建筑物室內(nèi)，當(dāng)建筑物直接遭受雷擊或其附近區(qū)域發(fā)生雷擊時，由雷電放電引起的電磁脈沖和暫態(tài)過電壓波會通過各種途徑侵入建筑物內(nèi)，危及室內(nèi)電子設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。對于侵入室內(nèi)的雷害的治理是多方面的，需要采取綜合防雷措施，這些措施主要包括泄流、均壓、接地、屏蔽和隔離等。

瞬間過電壓是指在ms-μs時間內(nèi)所產(chǎn)生的尖峰沖擊電壓，瞬間過電壓有兩種產(chǎn)生途徑：雷擊和電氣開關(guān)動作。一般構(gòu)筑物避雷網(wǎng)只能保護(hù)其本身免受直擊雷損害，而雷擊造成電子設(shè)備的破壞主要有兩種方式：

(1)直擊到電源輸入線，經(jīng)電源線進(jìn)入進(jìn)而損害設(shè)備。因電力線上安裝的各種保護(hù)間隙和電力避雷器，只可把線對地的電壓限制到小于6KV，而線對線無法控制。

(2)以電阻性、電感性、電容性等感應(yīng)方式耦合到電源、信號線上。接閃器將強(qiáng)大的雷電流經(jīng)引下線導(dǎo)入大地的過程中，由于雷電流的變化率的作用在周圍的電子設(shè)備的表面感應(yīng)脈沖電壓，感應(yīng)脈沖電壓為：

u=0.2*S/d(di/dt) (1-1)

式中：

S —— 電子設(shè)備框架的表面積，m2；

d —— 雷電流到電子設(shè)備之間的水平距離，m；

di/dt—— 雷電流的陡度，KA/μs。

同時，電流在導(dǎo)體中流動時，會產(chǎn)生磁場并存儲能量，其與電流大小和導(dǎo)線長度成正比，當(dāng)大負(fù)荷的電器設(shè)備開關(guān)時，便會產(chǎn)生瞬間過電壓而損壞設(shè)備。

通常電子信息系統(tǒng)都置于構(gòu)筑物之中，網(wǎng)絡(luò)線、電源線鋪設(shè)于電纜溝中，因而遭受直接雷擊的可能性不大。所以雷電波通過感應(yīng)耦合侵入成為電子設(shè)備雷擊事故的主要原因，雷電波侵入對電子信息系統(tǒng)的破壞，主要是通過侵入電源線、天線、通訊線和信號線而分別損壞電源模板、通訊模板、I/O模板。也可能因感應(yīng)從信號采集線和接地網(wǎng)引入有害的信號電流和接地電流，損壞自動化系統(tǒng)或影響其運(yùn)行。

雷電電磁脈沖雖然發(fā)生次數(shù)較少，但能量較高，一旦侵入信息系統(tǒng)，大部分會對設(shè)備造成損害。因此，做好信息系統(tǒng)的雷電電磁脈沖防護(hù)工作，就能解決系統(tǒng)防過電壓的問題。

3 建筑物內(nèi)電子設(shè)備的綜合防雷措施

防雷是一個系統(tǒng)工程，需要采取綜合防護(hù)措施，對一切進(jìn)雷通道的雷電破壞能量分別采用分流、均壓、屏蔽、接地等手段，對建筑物及其內(nèi)電子設(shè)備進(jìn)行全方位保護(hù)。

3.1 分流

分流是對于可能的直擊雷要靠接閃器經(jīng)引下線和接地裝置，或通過導(dǎo)電連接和接地良好的金屬構(gòu)架，將雷電流分流散流入地，而不流過被保護(hù)設(shè)備和部件；雷電流通過的部分阻抗要低流散要好，以降低電位，避免引起對被保護(hù)物的反擊。

3.2 均壓

當(dāng)雷擊發(fā)生時，在雷電流所經(jīng)過的路徑上會產(chǎn)生非常高的瞬時電壓，使該路經(jīng)與周圍的金屬物體之間形成暫態(tài)電位差，如果這種暫態(tài)電位差超過了兩者之間的絕緣耐受強(qiáng)度，就會導(dǎo)致對金屬物體的擊穿放電。這種擊穿放電能直接損壞電子設(shè)備，也能產(chǎn)生電磁脈沖，干擾電子設(shè)備的正常運(yùn)行。為了消除雷電暫態(tài)電流路徑與金屬物體之間的擊穿放電，需要對室內(nèi)的各種金屬構(gòu)件進(jìn)行等電位連接，并與建筑物的防雷接地系統(tǒng)相連接，形成一個電氣上連續(xù)的整體，這樣就可以在發(fā)生雷擊時避免在不同金屬外殼或構(gòu)件之間出現(xiàn)暫態(tài)電位差，使得它們彼此間等電位，并維持在地電位的水平，這就是均壓措施。通常，對于進(jìn)入建筑物內(nèi)的各種金屬管道，如水管、供熱管、供氣管以及通訊、信號和電源等電纜金屬(屏蔽)護(hù)套都要進(jìn)行等電位連接，特別是從室內(nèi)引出的各類管線也應(yīng)采取相同的措施。

為提高均壓質(zhì)量，應(yīng)注意盡量采用導(dǎo)電性能良好的金屬薄板做均壓帶或均勻母帶(如銅)，其寄生電感及與金屬面之間的接觸電阻應(yīng)盡可能小，形狀應(yīng)盡量短而寬，保持直線，避免彎曲，并要有足夠的通流容量。并且電源、信號、數(shù)據(jù)、通訊等屏蔽纜線除另加專門的保護(hù)裝置外，還應(yīng)與保護(hù)裝置一并接入均壓帶。

3.3 接地

一般智能大廈內(nèi)的接地主要有構(gòu)筑物接地、配電系統(tǒng)及強(qiáng)電設(shè)備接地、計算機(jī)自控系統(tǒng)接地，如這三種接地配置不合理，極易在雷擊時通過接地網(wǎng)對自控系統(tǒng)造成反擊。地網(wǎng)分開設(shè)置時應(yīng)注意避免地網(wǎng)之間的閃絡(luò)。雷擊時，會在地網(wǎng)及附近導(dǎo)體中產(chǎn)生很高電位，地網(wǎng)分開，則可能造成接閃接地體向其它接地體閃絡(luò)。所以，當(dāng)涉及電子信息系統(tǒng)的接地時，地網(wǎng)之間的距離應(yīng)大于10m 。在接地線引入室內(nèi)時，若與其它地網(wǎng)距離太近，可局部采取既絕緣又屏蔽的措施。

在電子設(shè)備和電子系統(tǒng)中，各種電路均有電位基準(zhǔn)，將所有的基準(zhǔn)點(diǎn)通過導(dǎo)體連接在一起，該導(dǎo)體就是設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部的地線，如果將這些基準(zhǔn)點(diǎn)連接到一個導(dǎo)體平面上，則該導(dǎo)體就稱為基準(zhǔn)平面，所有信號都是以該平面作為零電位參考點(diǎn)，基準(zhǔn)面不一定都與大地連接。在通常情況下，將基準(zhǔn)面與大地連接主要是出于兩個目的：一是為設(shè)備的操作人員提供安全保障，二是為提高設(shè)備的工作穩(wěn)定性。

(1)工作接地：電子設(shè)備的工作接地主要是為了使整個電子系統(tǒng)有一個公共的零電位基準(zhǔn)面，并為高頻干擾信號提供低阻抗的通道，以及使屏蔽措施發(fā)揮良好的性能。工作接地主要包括浮地方式、單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地三種方式。

(2)安全接地：在發(fā)生雷擊時，強(qiáng)大的雷電暫態(tài)電流流過建筑物的接地系統(tǒng)將引起暫態(tài)電位抬高，危及設(shè)備及人身的安全。通常，在使用電子設(shè)備的場合，常常伴隨著電源等強(qiáng)電設(shè)備，電子設(shè)備和強(qiáng)電設(shè)備均需要接地，但要做到電子設(shè)備與強(qiáng)電設(shè)備的接地互相分開往往是十分困難的。在建筑物內(nèi)，將電子設(shè)備與強(qiáng)電設(shè)備共用一個接地系統(tǒng)是比較容易實(shí)現(xiàn)的，不過這種共地也會帶來一些副作用。將電子設(shè)備與強(qiáng)電設(shè)備共地，雷擊時暫態(tài)大電流可以通過電路的藕合對電子設(shè)備形成干擾或產(chǎn)生過電壓，另外，雷電暫態(tài)電流流過接地系統(tǒng)所造成的暫態(tài)高電位也能通過各種電源線、信號線和金屬管道傳播到距離接地系統(tǒng)很遠(yuǎn)且原先此處為零電位的地方，將會對這里的電子設(shè)備及操作人員產(chǎn)生安全威脅。為了克服這些副作用，有些地方采用電子設(shè)備和強(qiáng)電設(shè)備分開接地，并采用許多復(fù)雜的隔離和絕緣措施將電子設(shè)備的接地線引出到離強(qiáng)電設(shè)備接地系統(tǒng)較遠(yuǎn)的地方(20m以外)單獨(dú)接地。在電子設(shè)備單獨(dú)接地的地線入戶處用一個低壓避雷器或放電間隙與建筑物的總接地網(wǎng)連接，當(dāng)建筑物遭受雷擊時，其地電位抬高導(dǎo)致進(jìn)雷器或放電間隙放電，從而使電子設(shè)備的接地與建筑物接地網(wǎng)達(dá)到大致相等的水平。在正常情況下，避雷器或放電間隙將兩個接地分開，有利于抗干擾，而在雷擊時能實(shí)現(xiàn)兩者之間的均壓，避免發(fā)生擊穿放電，危害設(shè)備安全。

3.4 屏蔽

電子設(shè)備中大量采用半導(dǎo)體器件和集成電路，這些電子和微電子元器件是十分脆弱的，由雷擊產(chǎn)生的電磁脈沖可以直接輻射到這些元件器上，也可以在電源或信號線上感應(yīng)出暫態(tài)過電壓波，沿線路侵入電子設(shè)備，使電子設(shè)備工作失靈或損壞。利用屏蔽體來阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播是一種有效的防護(hù)措施，電子設(shè)備常用的屏蔽體有設(shè)備的金屬外殼、屏蔽室的外部金屬網(wǎng)和電纜的金屬外套等，采用屏蔽措施對于保證電子設(shè)備的正常和安全運(yùn)行來說是十分重要的。

3.5 箝位保護(hù)

在過電壓可能侵入的所有端口，包括電源、電信、網(wǎng)絡(luò)等終端設(shè)備裝設(shè)必要的雷電浪涌保護(hù)裝置；在計算機(jī)等電子系統(tǒng)引出的信號線、電源線上裝設(shè)多級保護(hù)，包括粗保護(hù)和細(xì)保護(hù)，將侵入電子系統(tǒng)的沖擊過電壓箝制到允許的程度。

分流、均壓、屏蔽、接地等都屬于外部防雷范疇，對從市電網(wǎng)、通信線路、長距離輸送的架空導(dǎo)線中產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓是無能為力的，因此箝位保護(hù)就顯得尤其重要。

4 電子信息系統(tǒng)防雷應(yīng)注意的問題

在電子信息系統(tǒng)綜合防雷中，應(yīng)注意建筑環(huán)境內(nèi)各項防雷措施相互配合。在接地系統(tǒng)上，各接地系統(tǒng)之間不應(yīng)用同一引下線接地，由于引下線具有一定的電阻，當(dāng)其中一系統(tǒng)產(chǎn)生接地電流時，會使另一系統(tǒng)的地電位升高，影響其穩(wěn)定。在電子設(shè)備的屏蔽中，應(yīng)采用與通用電源分離的專用系統(tǒng)來控制設(shè)備供電。

綜合分流、均壓、屏蔽、接地、箝位保護(hù)各項技術(shù)的整體防護(hù)原則，是適用于建筑防雷、電力系統(tǒng)和各種電子設(shè)施的通用防護(hù)模式。而對一個特定的微電子，例如大型計算機(jī)系統(tǒng)、電站綜合自動化系統(tǒng)、微波通信站、調(diào)度通信大樓、石油化工儀表微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)或現(xiàn)代高層建筑智能大廈等的防護(hù)，還需根據(jù)微電子設(shè)備的特點(diǎn)和防護(hù)對象的實(shí)際情況靈活應(yīng)用，采取具體措施，構(gòu)成一個完整的防護(hù)體系。

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