淺談智能建筑弱電系統(tǒng)防雷

王志強(qiáng)

[摘 要]智能建筑是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與建筑藝術(shù)有機(jī)結(jié)合的建筑物,是高科技與現(xiàn)代建筑的巧妙集成,隨著人們生活水平的不斷提高,智能建筑得到了迅猛發(fā)展,并已成為21世紀(jì)建筑業(yè)的發(fā)展主流。但布線縱橫交錯(cuò)使得智能建筑中的弱電系統(tǒng)對(duì)浪涌較為敏感,電路的雷電承受能力進(jìn)一步下降,特別是綜合布線連接的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)、終端設(shè)備容易遭受雷電的侵害,因而這些網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各類接口應(yīng)具有更好的防雷性能。本文著重論述智能建筑弱電系統(tǒng)的防雷與接地。

[關(guān)鍵詞]弱電系統(tǒng);接地;浪涌;防雷

智能建筑受到雷擊時(shí),沖擊電位分布和空間瞬時(shí)電磁場(chǎng)將關(guān)系到建筑物內(nèi)人身和設(shè)備的安全。由于受沖擊時(shí)地電位升高,將影響到建筑物內(nèi)外有電氣聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。合理的設(shè)備布局可有效減少雷害;采用聯(lián)合接地可有效解決地電位的影響;在建筑物內(nèi)終端設(shè)備的接口處安裝浪涌保護(hù)裝置,并對(duì)出入纜線采取屏蔽、接地等措施,可有效減少雷電對(duì)弱電系統(tǒng)的侵害。

一、智能建筑弱電系統(tǒng)遭受雷擊的因素

弱電系統(tǒng)作為整個(gè)建筑物的核心要害信息中樞,自然要預(yù)先消除任何事故誘發(fā)的因素。雷電對(duì)智能建筑的設(shè)備危害來自三個(gè)方面,首先,浪涌電流沿著纜線進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);其次,由于地電位對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生影響,設(shè)備的沖擊阻抗的反擊地電位通?？蛇_(dá)數(shù)十至數(shù)千伏;另外,現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)雷電極為敏感,即使幾公里以外的高空雷閃或?qū)Φ乩组W都有可能導(dǎo)致這些設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)——計(jì)算CPU控制中心誤動(dòng)或損壞。各個(gè)子系統(tǒng)的配電單元及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與外界聯(lián)系的信號(hào)數(shù)據(jù)線、建筑物內(nèi)部較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線、衛(wèi)星小站的高頻頭、天饋線應(yīng)該是雷擊的核心。雷擊時(shí)雷電流在建筑物內(nèi)的分布直接影響到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備,特別是對(duì)雷擊敏感的計(jì)算機(jī)控制單元及數(shù)字終端設(shè)備,合理的布局可將雷害的損失降低到最低限度。采用聯(lián)合接地,均壓等電位可有效解決地電位升高的影響,而在設(shè)備間、建筑群子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)、垂直和水平子系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、UPS、交換機(jī)、服務(wù)器、Hub、監(jiān)控系統(tǒng)、終端設(shè)備的接口處安裝浪涌保護(hù)裝置,并對(duì)大樓的出入纜線采取屏蔽、接地等措施,可有效減少雷電對(duì)信號(hào)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的侵害。衛(wèi)星通信及無線通信天饋線屏蔽與接地,根據(jù)饋線的長(zhǎng)度輔以同軸雷電過電壓保護(hù)器可充分抑制雷電流通過饋線系統(tǒng)進(jìn)入衛(wèi)星收發(fā)信機(jī)的量級(jí)。

二、弱電系統(tǒng)電子設(shè)備防浪涌要求

1.耐壓要求。當(dāng)瞬間電壓超過電子設(shè)備的絕緣耐壓值時(shí),其安全性能會(huì)降低,甚至被毀。因而電子設(shè)備的瞬間過電壓應(yīng)該小于其絕緣耐壓值,正常的工作電壓應(yīng)小于保護(hù)電壓。

2.過流保護(hù)要求。電子設(shè)備的過流能力一般設(shè)計(jì)為額定電流的1.5～2倍,以此為標(biāo)準(zhǔn)選擇電子元器件。如額定電流為0.22 A的計(jì)算機(jī)其最大過流能力約為0.45A,當(dāng)電流大于該值時(shí),電子設(shè)備所選用的電子元器件將會(huì)燒壞而無法正常工作,因而應(yīng)該保證到達(dá)電子設(shè)備的瞬間過電流小于其額定電流的1.5～2倍。

3.動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的要求。電子設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中,已經(jīng)采用了許多保護(hù)器件,如快熔器、壓敏電阻、空氣開關(guān)、繼電保護(hù)器件等,每種保護(hù)器件都有特有的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間(如空氣開關(guān)、繼電保護(hù)器件其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約在200 ms左右),而每種電子設(shè)備也有其保護(hù)響應(yīng)時(shí)間,因而流過電子設(shè)備的浪涌的瞬態(tài)時(shí)間應(yīng)該大于電子設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間,避免保護(hù)器件來不及響應(yīng)而使浪涌通過電子設(shè)備。

4.接地保護(hù)要求。電子設(shè)備在安裝時(shí),應(yīng)做到良好接地,否則雷電所產(chǎn)生的浪涌能量不能有效地對(duì)地泄放而擊毀器件。接地線在瞬間遭受浪涌以電感方式存在,其典型值為1μH/m,接地線上的壓降為U1=L×di/dt。對(duì)于1.5 m長(zhǎng)的接地線L≈1.5μH,雷電在瞬間(如100μs)產(chǎn)生的幾百安培(500 A)浪涌脈沖,其di/dt=5×10 A/s,此時(shí)接地線上的壓降U1=L×di/dt=1.5×10×5×10=7.5 V,設(shè)備將承受500 A×7.5 V=3750 W的浪涌能量,該能量將可能損傷或毀壞大部分電子設(shè)備。因此,對(duì)電子設(shè)備作可靠的接地保護(hù),能使到達(dá)電子設(shè)備外殼的電壓較小,起到安全保護(hù)的作用。但僅作接地保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,還必須加裝浪涌保護(hù)裝置。因外界侵入的浪涌能量將首先通過電子設(shè)備再對(duì)地泄放,這樣流經(jīng)電子設(shè)備的浪涌電流基本不變,其能量有可能很大,電子設(shè)備仍有可能被損壞;因此接地保護(hù)對(duì)于電子設(shè)備而言只能是一種輔助性保護(hù)。

三、弱電系統(tǒng)防浪涌措施

根據(jù)IEC61312標(biāo)準(zhǔn),弱電系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置多級(jí)防雷保護(hù)措施,一般為三級(jí)配置。由于雷電流主要是由首次雷擊電流和后續(xù)雷擊電流所組成,因此,雷電過電壓的保護(hù)必須同時(shí)考慮到如何抑制(或分流)首次雷擊電流和后續(xù)雷擊電流。在采取多級(jí)保護(hù)措施的同時(shí),還必須考慮各級(jí)之間的能量配合和解耦措施。弱電系統(tǒng)的防雷可采用兩種措施,即外部防雷和內(nèi)部防雷。外部防雷可將絕大部分雷電流直接引入地下泄散;內(nèi)部防雷可阻塞沿電源或信號(hào)線所引入的雷電波。這兩道防線,互相配合,各盡其職,缺一不可。

1.外部防雷與接地。外部防雷主要指建筑物的防雷,一般是防護(hù)直擊雷,它是防雷技術(shù)革新的主要組成部分,其技術(shù)措施可分接閃器(避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬接閃器)、引下線、接地體和法拉第籠等。接地電阻應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),一般為4Ω。對(duì)某些設(shè)備制造廠商有特殊接地要求,將直流地與其它接地類型分開以避免電磁干擾和零地電位升高。但當(dāng)有雷電對(duì)地泄放時(shí),高電壓將通過直流地反擊設(shè)備。因此對(duì)于這種情況宜在防雷地和直流地之間加裝地電位均衡器,避免反擊現(xiàn)象。

2.內(nèi)部防雷。內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是對(duì)建筑物內(nèi)易受過電壓破壞的設(shè)備加裝過壓保護(hù)裝置,在設(shè)備受到過電壓侵襲時(shí),保護(hù)裝置能快速動(dòng)作泄放能量,從而保護(hù)設(shè)備免受損壞。內(nèi)部防雷分為電源防雷和信號(hào)防雷。

(1)電源防雷系統(tǒng)。電源防雷系統(tǒng)主要是防止雷電波通過電源線路對(duì)計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備造成危害。為避免高電壓經(jīng)過防雷器對(duì)地泄放后的殘壓或因更大的雷電流在擊毀防雷器后繼續(xù)毀壞后續(xù)設(shè)備,以及防止線纜遭受二次感應(yīng),依照有關(guān)防雷工程試行草案,應(yīng)采取分級(jí)保護(hù)、逐級(jí)泄流的原則。一是在電源的總進(jìn)線處安裝放電電流較大的一級(jí)電源防雷器,二是在重要樓層或重要設(shè)備電源的進(jìn)線處加裝二級(jí)或三級(jí)電源防雷器。為了確保遭受雷擊時(shí),高電壓首先經(jīng)過一級(jí)電源防雷器,然后再經(jīng)過二級(jí)電源防雷器,一級(jí)電源防雷器和二級(jí)電源防雷器之間的距離要大于10～15 m,如果兩者間距不夠,可采用帶線圈的防雷箱,這樣可以避免二級(jí)電源防雷器首先遭受雷擊而損壞。

(2)信號(hào)防雷系統(tǒng)。由于雷電波在線路上能感應(yīng)出較高的瞬時(shí)沖擊能量,因此要求弱電系統(tǒng)通信設(shè)備能夠承受較高能量的瞬時(shí)沖擊,而目前大部分設(shè)備由于電子元器件的高度集成化而使耐過電壓、耐過電流水平下降,必須在網(wǎng)絡(luò)通信接口處加裝必要的防雷保護(hù)裝置以確保弱電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行防雷保護(hù),選取適當(dāng)保護(hù)裝置非常重要,應(yīng)充分考慮防雷產(chǎn)品與通信系統(tǒng)匹配。對(duì)于信息系統(tǒng),應(yīng)分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)。粗保護(hù)量級(jí)根據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級(jí)別確定,精細(xì)保護(hù)要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來進(jìn)行確定。

四、防雷產(chǎn)品在智能建筑中的應(yīng)用

弱電系統(tǒng)雷電及浪涌防護(hù)產(chǎn)品是針對(duì)特定的要求來設(shè)計(jì)的,技術(shù)指標(biāo)繁多,在選用時(shí)需要認(rèn)真分析。目前在弱電系統(tǒng)中使用的主要防護(hù)設(shè)備有:用于2MHz以下音頻通信線路的MDF保安單元,用于15MHz以下接入網(wǎng)線路的xDSL浪涌保護(hù)器,用于百兆局域網(wǎng)的寬帶網(wǎng)絡(luò)浪涌保護(hù)器,用于控制系統(tǒng)、低速網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)線浪涌保護(hù)器,用于天饋回路的天饋防雷器等。

智能建筑雷電防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)性的工程,需要分別針對(duì)不同的系統(tǒng)采取不同的防護(hù)方法,使用不同的防護(hù)產(chǎn)品,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況作好方案設(shè)計(jì)是十分重要的?！跋到y(tǒng)性”要求在整個(gè)防雷工程保護(hù)范圍內(nèi)作全面地考慮,僅僅針對(duì)重點(diǎn)設(shè)備或以往發(fā)生過事故的設(shè)備做一些局部的防護(hù)是不夠的。有的用戶反映在完成防雷工程后,損壞的頻率增多發(fā)生的位置也更不確定,部分原因便與防護(hù)工程存在“系統(tǒng)性”的缺陷有關(guān)。當(dāng)一個(gè)沒有安裝防護(hù)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)受到對(duì)地浪涌電壓沖擊時(shí),電壓往往作用于傳輸線路與地之間的絕緣結(jié)構(gòu)上,如果某一線路的這個(gè)結(jié)構(gòu)可以承受數(shù)千伏的沖擊而不出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象當(dāng)然也不會(huì)產(chǎn)生浪涌電流,可能不會(huì)產(chǎn)生任何損傷。但在傳輸線路上的某個(gè)位置安裝了一套防護(hù)設(shè)備后,由于保護(hù)電壓很低,因此在同樣的浪涌電壓產(chǎn)生時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流,進(jìn)一步的將在傳輸線路和地線上產(chǎn)生浪涌電壓,引起電壓反擊,從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)上連接的所有設(shè)備都造成一定的影響。因此必須同時(shí)考慮所有設(shè)備、線路的防護(hù)要求。

弱電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的主要功能是進(jìn)行大量的信息傳送,特別是高速通信系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能有很高的要求,通信網(wǎng)絡(luò)上使用的防護(hù)設(shè)備必須同時(shí)具備良好的防護(hù)性能和優(yōu)異的傳輸指標(biāo)。從傳輸?shù)慕嵌葋砜?防護(hù)設(shè)備連接在通信網(wǎng)絡(luò)上相當(dāng)于增加了網(wǎng)絡(luò)的分散參數(shù),增加了線路損耗,對(duì)傳輸性能會(huì)造成一定的影響。如安裝的防護(hù)設(shè)備傳輸性能較差,勢(shì)必降低網(wǎng)絡(luò)傳輸速率,影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性,所造成的損失可能比遭雷電破壞還大得多。因此,在選擇通信網(wǎng)絡(luò)防護(hù)設(shè)備時(shí)需要根據(jù)防護(hù)要求和信號(hào)傳輸要求綜合選擇。在接入網(wǎng)線路中除了正常通信信號(hào)以外,還可能存在遠(yuǎn)供電源的電壓,防護(hù)設(shè)備需要設(shè)計(jì)有一個(gè)電壓動(dòng)作區(qū)間。此外,出局線路可能與電力線相碰觸,防護(hù)器件需要同時(shí)具備防護(hù)工頻電壓、電流的能力。

總之雷電及浪涌傷害事故存在許多不確定的因素,原因是復(fù)雜的,有了合適的優(yōu)質(zhì)防雷產(chǎn)品,配合合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì),就能達(dá)到明顯的防雷效果。在防雷工程的設(shè)計(jì)和施工中有許多經(jīng)驗(yàn)是需要認(rèn)真學(xué)習(xí)的。只要我們以科學(xué)認(rèn)真的精神通過不斷地學(xué)習(xí)、實(shí)踐、總結(jié),必然能夠?qū)⒎览坠ぷ髯龅酶谩?/p>

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(編輯/永安)