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弱电系统的防雷和接地设计方案
1．概述
雷电是一种非常壮观的自然现象, 它具有极大的破坏力, 对人类的生命、 财产安全造成巨大的危害。1987年联合国确定的”国际减灾十年”中, 雷电为对人类危害最大的十种灾害之一。自从人类进入到电气化时代以后, 雷电的破坏由主要以直击雷击毁人和物为主, 发展到以经过金属线传输雷电波破坏电气设备为主。随着近年来电子技术的飞速发展, 计算机系统的网络化程度越来越高,人类对电气设备特别是计算机设备的依赖越来越严重。而电子元器件的微型化、 集成化程度越来越高, 各类电子设备的耐过电压能力下降, 遭雷电和过电压破坏的比例呈不断上升的趋势, 对设备与网络的安全运行造成严重威胁。据统计, 全世界每年因雷害造成的损失高达十亿美元以上。
长沙地处中纬度地带, 冷暖空气交会频繁, 平均每年雷暴天数为44天, 最多的年份达87天, 大于40天, 不超过60天的地区属高雷区。1年中12个月均有可能发生雷暴, 其中85％以上的雷暴集中在春夏两季, 平均每年发生雷击事件上千起, 雷击所带来的损失越来越严重, 因此防雷显得尤为重要。
国家有关部门对计算机系统的防雷工作非常重视,制订了相关的法律、 法规及相应的标准和规范。
雷电对电气设备的影响, 主要由以下四个方面造成:
1、 直击雷
直击雷蕴含极大的能量, 电压峰值可达5000KV, 具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中, 巨大的雷电流沿引下线入地, 会造成以下三种影响:
a: 巨大的雷电流在数微秒时间内流下地, 使地电位迅速抬高, 造成反击事故, 危害人身和设备安全。
b: 雷电流产生强大的电磁波, 在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。
C: 雷电流流经电气设备产生极高的热量, 造成火灾或爆炸事故。
2、 传导雷
远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压, 由室外电源线路和通信线路传至建筑物内, 损坏电气设备。
3、 感应雷
云层之间的频繁放电产生强大的电磁波, 在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压, 峰值可达50KV。
4、 开关过电压
供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、 地极短路、 电源线路短路等, 都能在电源线路上产生高压脉冲, 其脉冲电压可达到线电压的3.5倍, 从而损坏设备。破坏效果与雷击类似。
由此产生的雷电过电压对电子设备的破坏主要有以下几个方面:
(1)、 损坏元器件
a、 过高的过电压击穿半导体结, 造成永久性损坏;
b、 较低而更为频繁的过电压虽在元器件的耐压范围之内, 亦使器件的工作寿命大大缩短;
c、 电能转化为热能, 毁坏触点、 导线及印刷电路板, 甚至造成火灾;
(2)、 设备误动作及破坏数据文件
因此, 应该根据实际情况具体分析, 采取相应的防雷保护措施, 确保计算机系统的安全工作。
2．防雷保护措施
概括地说, 当今电子设备的防雷手段, 主要采用分流、 接地、 屏蔽、 等电位和过电压保护五种方法。
( A) 、 分流
利用避雷针、 避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地, 防止雷电直接击在建筑物和设备上。
( B) 、 屏蔽
计算机系统所有的金属导线,包括电力电缆、 通信电缆和信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽, 在机房建设中, 利用建筑物钢筋网和其它金属材料, 使机房形成一个屏蔽笼。用以防止外来电磁波( 含雷电的电磁波和静电感应) 干扰机房内设备。
( C) 、 等电位连接
将机房内所有金属物体, 包括电缆屏蔽层、 金属管道、 金属门窗、 设备外壳等金属构件进行电气连接, 以均衡电位。
( D) 、 接地
在计算机网络系统中, 为保证其稳定可靠的工作、 保护计算机网络设备和人身安全, 解决环境电磁干扰及静电危害, 需要一个良好的接地系统。

接地和等电位连接方式, 可参看下图:
3．工程具体实施
1、 本方案包括四大部分:
第一部分: 防雷地网的制作。地网是避雷针、 避雷带、 避雷器等设施有效发挥作用的保障。
第二部分: 等电位处理、 屏蔽, 等电位处理也可称共地处理, 即工作地、 防雷地、 保护地均进行等电位连接, 消除各点之间的电位差。金属线管的屏蔽接地, 其目的是将线管上已感应的电磁干扰在进入设备之前疏导入地。
第三部分: 设备防雷, 包括电源防雷和信号防雷二大类。
2、 方案的选型
根据电源及网络系统的重要性及对防雷系统的要求, 在对一些知名防雷产品进行分析后, 公司决定采用国内最专业、 可靠性最高、 使用最广泛的防雷设备生产厂商——长沙雷科星( LKX) 防雷产品。
3、 防雷产品介绍
LKX-系列电源防雷器有如下特点:
适用范围广—可应用于不同电网制式
保护模式新—相线对中线, 中线对地线的保护模式
设计更安全—故障电流回路由相线与中线完成, 不受地阻值高的影响
通流量大—内置高能放电极、 单模块可达40KA( 8/20us)
2.LKX-系列信号类防雷器有如下特点:
多级保护, 通流容量大( 10--15KA)
传输速率高, 插入损耗小
允通电压限制在损坏接口的电流水平之下
内置快速半导体保护器件, 响应速度快
4、 方案的具体内容
地网及引下线部分
经勘查并结合公司实际及参照《防雷技术标准规范》, 防雷地网的阻值应不大于4欧姆。我公司采用1.5米长的热镀锌接地棒, 间距为3米为宜。
垂直接地体按接地装置剖面布置图开坑, 挖深1000mmm, 宽400mm, 桩基处开挖长、 宽各800mm, 然后垂直打入地下1400mm, 使接地电极的顶部高出地面100mm, 然后用水平接地体焊接连通。
水平接地体应钝角弯曲引上地面上300mm, 然后与引下线焊接, 引下线为φ10mm的热镀锌圆钢。
接地体在焊接时, 扁钢搭接长度为宽度2倍, 并应焊接3个棱边, 各焊接处的焊接面不小于100mm。
接地体的焊接点或无镀锌部分, 均应做防腐处理, 涂沥青油或防锈漆防腐。
接地体安装完成后, 逐层回填泥土, 在接地体周围不得填入砖石、 焦渣、 垃圾之类的杂物, 与此同时进行检测及设立警示牌, 并保证接地体阻值不大于4Ω。
2．引下线与接地线的安装, 等电位处理
地网水平接地体在与测试点的连接采用φ10的热镀锌圆钢, 测试点放在防水的接地盒内, 汇接点用相应规格的铜铝连接端子联接, 一边联接φ10的热镀锌圆钢, 一边与铜线相联。
引下线的制作: 机房内均压环与测试点的接地引下线采用25平方毫米多股铜线与地网测试点相连。
信号防雷器、 电源防雷器、 设备箱外壳与机房内均压环相联的接地地线按相关标准可采用10或16平方毫米多股铜线。
感应雷防护
感应雷防护系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置。经过在需要保护设备的前端安装合适的避雷器, 使设备、 线路与大地形成一个有条件的等电位体。将可能进入的雷电流阻拦在外, 将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地, 确保后接设备的安全。
机房电源防雷
机房所在楼层总配电电源进线端( 三相四线) 并联安装一套LKX-B380/60KA型保护电源防雷箱, 该防雷箱在整个防雷系统中所起的根本作用是, 当发生强度很大的雷击时, 经过第一级电源防护器后的残压还比较高, 仍可能大大超过被保护设备所能承受的最高耐压值, 在残压进入机房之前将其泄放入地, 此类防雷产品高可靠性、 反应速度快、 大通流量和长寿命, 可承受雷雨季节多次高强度、 高能量浪涌过电压的冲击, 稳定可靠的发挥迅速大通流量泄流的作用, 能够将残压限制在更低。
UPS电源防雷
机房内UPS电源为机房内的一些重要设备进行供电保障, 因此也需对UPS电源进行感应雷防护, 在UPS电源的进线端并联安装一套通流量为40KA( 8/20μS) 的LKX-B220/40单相电源防雷箱, 由于防雷器在泄放供电线路上高能量的雷电流时, 在防雷器两端所呈现的残压依然很高, 仍可能大大超过被保护设备所能承受的最高耐压值, 因此经过第三级防雷箱再次泄流而降低线路上的残压, 进一步降低真正到达设备供电端口的浪涌电压值, 使之小于设备耐压值, 从而在发生雷击时, 使设备遭受损坏的可能性大大减小。
机房内重要电子设备电源防雷
为了保护机房内重要电子设备(如交换机、 其它重要设备等), 在重要电子设备电源端加装末级防雷电源移动插座LKX-E220-4PT/10型, 以保护各机房内的电子设备。最大负载电流可达到10KA。末级防雷器主要用于重要设备的前端, 当发生能量特别大的雷击时, 感应雷电流在经过B级、 C级防雷器的泄放后, 其残压依然可能高于设备的最高耐压值, 重的设备的埠及内部的高精度集成电路仍有可能被击坏, 经过末级防雷器泄放残余雷电流, 设备的安全运行就更为可靠了。
机房内网络信号防雷
事实证明, 当发生雷电感应时, 有一部分雷电流经过网络线路等一些信号线路导入, 会对机房内的重要设备产生信号干扰及毁坏设备, 因此在交换机后安装一台24口计算机网络防雷箱LKX-SC100-RJ45/24E型, 经专业统计, 交换机由于其自身特点, 被雷击的概率非常高, 安装此类防雷器后, 交换机被雷击的概率就更低了。此类产品的优点是插入损耗低, 限制电压小, 保护计算机不受感应雷电的干扰。