建筑物电子信息系统综合防雷技术(讲座）.doc

第一部分：防雷技术建筑物电子信息系统综合防雷技术中光高科产业发展集团 第一节 概述一、 雷电是发生在因强对流天气而形成的雷雨云间和雷雨云与大地之间强烈放电现象，自然界的雷击主要有直击雷和雷电电磁脉冲（LEMP）两类。直击雷声光并发，电闪雷鸣，老少皆知。它以强大的冲击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、强烈的电磁辐射损坏放电通道上的建筑物、输电线、击死击伤人、畜等。而雷电电磁脉冲则悄然发生，不易察觉，后果严重。它是由于雷雨云的静电感应或放电时的电磁感应以及雷电电磁脉冲辐射的作用，使建筑物上的金属部件，如管道、钢筋、电源线、信号传输线、天馈线等感应出雷电高电压，通过电源线、信号线、天馈线以及进入室内的管道、电缆等引入室内造成放电，破坏电子设备。二、 既然直击雷和雷电电磁脉冲（LEMP）的侵害渠道不同，防护措施也就不同。防直击雷主要采用避雷针、避雷带（网）等传统避雷装置，只要设计规范，安装合理，这些避雷设施便能对直击雷进行有效的防御。但是无论多么完善的避雷针（带），对雷电电磁脉冲的防护都无能为力，因为雷电电磁脉冲是由于电子、电气设备的电源线、信号线、天馈线和进入室内的管道等招引而致，加之有的系统屏蔽差以及没有采取等电位连接措施、综合布线不合理、接地不规范等，使雷电电磁脉冲很容易入侵，损坏相应的电子、电气设备。而当富兰克林发明避雷针时及以后270多年间，电子设备并不多，雷电电磁脉冲的危害现象也不明显，人们自然就想不到要对它进行防御，只要能防护直击雷就足够了。然而，当今社会电子设备大量应用，特别是电子计算机技术、微波通信技术日益普及以及其航空航天技术的发展，雷电电磁脉冲的危害明显增加，仅靠避雷针防雷已远远不能满足电子、通信、微电子设备和航空设施的实际需求。三、 为了适应这种需要，近年来防雷也由简易避雷针防直击雷发展到综合防雷工程的新阶段。防雷工程是一个系统工程，它包括直击雷的防护、等电位连接措施、屏蔽措施、规范的综合布线、雷电电磁脉冲（LEMP）的防护以及安装SPD、完善合理的接地系统六个部分组成。在一个完善的防雷系统工程中（特别是微电子设备的防雷工程）缺一不可。如果某一个环节考虑不周，即使进行了防雷方面的工作也起不到防雷作用，还有可能引雷入室而损坏设备。四、 雷电电磁脉冲（LEMP）是由于雷云间放电和雷云对大地间放电产生的雷电电磁脉冲感应到附近的导体中形成过电压，这种过电压可高达几千伏，对微电子设备的危害最大。它主要是通过电源线路、各类信号传输线路、天馈路线和进入系统的管、缆、桥架等导体侵入设备系统，造成电子设备失灵或永久性损坏。因此雷电电磁脉冲的防护是在以上入侵通道上将雷电过电压、电流泄放入地，从而达到保护电子设备的目的。其主要方法是采用隔离、钳位、均压、滤波、屏蔽、过压与过流保护、接地等方法将雷电过电压、过电流及雷电电磁脉冲消除在设备外围，从而有效的保护各类设备。目前主要由气体放电管、放电间隙、高频二极管、压敏电阻、瞬态二极管、晶闸管、高低通滤波器等元件根据不同频率、功率、传输速率、阻抗、驻波、插损、带宽、电压、电流等要求组合成电源线、天馈线、信号线系列电涌保护器（SPD）安装在微电子设备的外连线路中，将地线按联合接地原则接入系统的地线，才不至于造成地电位反击，从而真正起到安全保护接地的目的。只要设计合理、安装合格、电涌保护器就能对雷电进行有效的防护。 因此，我们既要防止直击雷：依靠合格的避雷针、带、网系统；也要防止雷击电磁脉冲：采用完善的综合防雷手段和安装电涌保护器（SPD）系统，二者有机结合，相互补充，构成一套完整的防雷体系，这就是现代防雷的新理论：综合防雷技术。只有这样，才能有效地防止雷击事故,减少雷击灾害。第二节 雷电防护学一、什么是雷电？ 雷电是因强对流气候而形成的雷雨云层间和云层与大地间强烈瞬间放电现象。当雷电发生时，产生强大的雷击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、瞬变的电磁场和强烈的电磁辐射等综合物理效应，是一种严重的气象自然灾害。二、雷电防护学属新兴高科技边缘学科。它与电工学、电子技术、微电子技术、通讯技术、计算机技术、化学、建筑材料及结构等多学科紧密相连。三、国内外防雷技术概况 我国防雷理论在世界上处于领先地位。我们提倡综合防雷理论，对建筑物和室内电子设备进行综合防护，将雷击损害降低到最低限度，从而达到防雷减灾，保护建筑物、电子、微电子设备之目的。五、 国内外防雷产品主要分防直击雷和防感应雷击两大类。其防雷原理国内外产品基本相同。 目前进入我国主要代表国家有：美国、德国、英国、法国等国家的防雷产品。 国内的主要产品有：中光、爱劳、DK、富兰克林民生等公司生产的避雷针、SPD系列和降阻剂产品。第三节 电子信息系统雷电防护原则一、 电子信息系统的防雷防护必须按综合防雷系统的要求进行设计，坚持预防为主、安全第一的指导方针。为确保防雷的科学性、先进性，在设计前宜做现场雷电环境评估。二、 电子信息系统的防雷应认真调查地理、地质、土壤、气象、环境条件、雷电活动规律、雷击事故受损原因、系统设备的重要性、发生雷灾后果的严重程度以及被保护物的特点等的基础上分别采取相应的防护措施。三、 电子信息系统所在建筑物均应按建筑物防雷设计规范的规定安装外部防雷装置。电子信息系统的防雷设计应坚持全面规划、综合治理、优化设计、多重保护、技术先进、经济合理、定期检测、随机维护的原则进行综合设计及维护。四、 电子信息系统的防雷设计应采用直击雷防护技术、等电位连接技术、屏蔽技术、合理布线技术、共用接地技术、电涌保护器（SPD）的设计技术进行综合防护设计。五、 电子信息系统应根据所在地区雷暴等级、设备所在不同的雷电防护区以及系统对雷电电磁脉冲的抗扰度采用不同的防护措施。第四节 电子信息系统雷暴等级的划分：一、根据年平均雷暴日数将雷暴发生的地区划分为：少雷区、中雷区、多雷区、强雷区。1、 年雷暴日平均值在20天以下的地区定为：少雷区。2、 年雷暴日平均值在20天以上40天以下的地区定为：中雷区。3、 年雷暴日平均值在40天以上60天以下的地区定为：多雷区。4、 年雷暴日平均值在60天以上的地区定为：强雷区。二、雷电防护区LPZ的划分1、 直击雷非防护区（LPZOA）：本区内的各类物体都可能遭到直接雷击，本区内的电磁没有衰减，属完全暴露的不设防区；2、 直击雷防护区（LPZOB）：本区内的各类物体很少遭到直接雷击，但本区内电磁场没有衰减，属充分暴露的直击雷防护区；3、 第一屏蔽防护区（LPZ1）：本区别内的各类物体不可能遭受直接雷击，流经各类导体的电流比LPZ0B进一步减小，由于建筑物的屏蔽措施，本区内的电磁场得到了初步的衰减；4、 第二屏蔽区（LPZ2+n）（n=0，1，2，3，4）：为进一步减小雷电电磁脉冲强度引 入的后续防护区；三、电子信息系统雷电电磁脉冲防护等级划分原则 建筑物电子信息系统的雷电防护，应采用雷击风险评估方法，考虑建筑物的重要性、使用性质、周围环境因数、信息系统设备的重要性、发生雷击事故的可能性和后果的严重程度等因数，对电子信息系统雷电防护等级进行综合评估，将信息系统雷电防护等级定为A、B、C、D四级，分别采取不同的防护措施。（雷击风险评估方法见附录A）第五节 直击雷防护一、 建筑物防雷设计应在认真调查地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律以及被保护物的特点等基础上，详细研究防雷装置的形式及其布置。1、 直击雷的防护以优化避雷针、避雷带、避雷网、避雷线作为主要的防护方法。对于其它各种经过省部级鉴定的防直击雷装置，在使用时应按滚球法确定保护范围。2、 直击雷的防护应严格执行国标建筑物防雷设计规范的要求，避雷针按滚球法计算保护范围和高度。二、 一类防雷建筑，宽度不超过20m，可装设避雷带；超过20m宽的应装设避雷网。其避雷网格尺寸不应大于5m5m或6m4m；下引线不应少于两根，其间距不应大于12m； 每根下引线的冲击接地电阻不应大于10。三、 二类防雷建筑避雷网格尺寸不应大于10m10m或12m8m；下引线不应少于两根，其间距不应大于18m；每根下引线的冲击接地电阻不应大于10。四、 三类防雷建筑避雷网格尺寸不应大于20m20m或24m16m；下引线不应少于两根，其间距不应大于25m；每根下引线的冲击接地电阻不应大于30。五、 一类防雷建筑高度超过30m，二类超过45m，三类超过60m应采取防侧击雷措施防护措施。直击雷防护可用中光优化避雷针，优化避雷针有降低雷电流幅值、减小感应雷击的作用。第六节 电子信息系统的防雷设计一、勘测设计1、 电子信息系统的防雷工程应按第4、5节中关于雷电防护分区原则和风险评估方法的各参数计算，确定其防雷等级和防护措施。2、 建筑物综合防雷措施设置防雷系统，如下图1所示。建筑物综合防雷系统图1：内 部 防 雷 措 施外 部 防 雷 措 施电 涌 保 护 器（SPD）共 用 接 地 系 统合 理 布 线等 电 位 连 接屏 蔽 （ 隔 离 ）接 地 装 置屏 蔽引 下 线接闪器（针、网、带、线）GB5005794 IEC61312 IEC60634 相关国家及行业标准 IEC61643 IEC61024 3、 根据规范要求，将设置有电子信息系统的建筑物需要保护的空间划分为不同的防雷区，规定各部分空间不同的雷电电磁脉冲的严重程度，并界定各防雷区交界处等电位连接点的位置，以此作为设计依据。在同一个保护级别里，还应根据各类电子信息系统的风险等级和重要性，采取相应的防护措施。二、勘测、设计资料的依据1、 被保护建筑物所在地区的地形、地物状况、气象条件（如雷暴日等）和地质条件（如土壤电阻率等）；需保护的建筑物（或建筑物群体）的长、宽、高及位置分布，相邻建筑物的高度；各建筑物内各楼层及楼顶需保护的电子信息系统设备的分布情况；2、 配置于各楼层或设备机房内需保护的设备名称、功能及性能参数（如工作频率、功率、工作电平、传输速率、特性阻抗、传输介质等）；信息系统的计算机网络拓扑结构；信息系统电子设备之间的电气连接关系；供、配电情况及其系统接地形式；3、 对已建（扩、改建）工程，除上述应收集勘测资料的内容外，尚应收集勘测下列相关资料：1）、检查防直击雷接闪装置（避雷针、带、网）的施工状况；2）、防雷引下线的施工状况及其信息设备接地系统的安全距离是否符合规范要求；3）、高层建筑物防侧击雷措施及施工情况；4）、强电及弱电竖井内线路布置是否合理；5）、信息系统的安装要求及系统设备特性相关资料，以及电源、信号线路进入建筑物的方式；6）、总等电位连接及各局部等电位连接施工情况，共用接地装置施工情况等图纸及测试资料；7）、地下管线分布情况。三、等电位连接与共用接地系统的设计1、 为保证设备和操作人员的安全，所有各类电气、电子信息设备均应采取等电位连接与接地措施。2、 配置有信息系统设备的机房内应设等电位连接网络，电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、计算机直流地、防静电接地、屏蔽线外层、安全保护地及各种SPD接地端均应以最短的距离就近与等电位连接网络直接连接。连接网络的基本结构型式有：S型星形结构和M型网形结构。对于复杂的信息系统，宜采用S型和M型两种型式的组合。3、 在建筑物内应设置总等电位接地端子板，每层或若干层竖井内设置楼层辅助等电位接地端子板，各设备机房设置局部等电位接地端子板。各接地端子板应装设在便于安装和检查以及接近引入线的位置，避免装设在潮湿或有腐蚀性气体及易受机械损伤的地方，等电位接地端子板的连接点应具有牢固的机械强度和良好的电气连续性。4、 接地系统应通过接地干线引至各楼层辅助等电位接地端子板，再通过接地线引至建筑物内电子信息系统各设备机房的局部等电位接地端子板。局部等电位接地端子板也可与各楼层预留接地端子板连接。接地干线应采用多股铜芯电缆或铜带，在强电或弱电竖井内明敷，并与各楼层主钢筋或其它屏蔽金属构件做多点连接。接地线宜采用多股铜芯电缆穿镀锌钢管敷设。对重要的设备机房，接地系统也可直接通过接地引入线与局部等电位接地端子板连接。5、 综合布线应有良好的接地系统。当采用屏蔽线系统时，应保持各子系统中屏蔽层的电气连续性。在电缆屏蔽层两端接地时，两个接地装置之间的接地电位差不应大于1Vr.m.s。6、 共用接地系统是将交流工作地、直流工作地、安全保护地、防静电接地、防雷接地等共用一组接地装置。共用接地系统是自然接地体与人工接地体的组合。自然接地体利用建筑物的基础钢筋做接地装置，如建筑物没有基础钢筋地网，宜在建筑物四周散水坡1m外，埋设人工垂直接地体和水平环形接地体。共用接地系统其接地装置的接地电阻应按信息系统设备中最小值要求确定，当有特殊要求时也可采用独立接地。8、接地装置材料的选择，要充分考虑其导电性、热稳定性、耐腐性和承受电流的能力。 宜选用热镀锌钢材、铜材及其它新型接地材料。埋于土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢、钢管、圆钢或接地摸块；埋于土壤中的人工水平接地体宜采用扁钢、圆钢或接地摸块。圆钢直径不应小于10mm；扁钢截面不应小100mm2，其厚度不应小于4mm；角钢不应小于40404mm；钢管壁厚不应小于3.5mm。人工垂直接地体的长度宜为2m2.5m。人工垂直接地体间的距离应为长度的2倍，人工水平接地体间的距离宜为5m。 当受条件限制时可适当减小。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5m。在冻土区人工接地体应埋设在冻土层以下。接地体应远离由于砖窑、烟道等高温影响土壤电阻率升高的地方。9、信息系统的接地当土壤电阻率小于100m时，不宜大于1；土壤电阻率小于1000m时，不宜大于4。当机房所在地土壤电阻率大于1000m时，宜在建筑物外不大于5m处埋设环形人工辅助接地网，该环形人工辅助接地网宜在散水坡1m以外，并在不同方向用四根以上4mm40mm的镀锌扁钢或12的镀锌圆钢与建筑物的基础钢筋网焊接，此时共用接地系统的接地电阻值可适当放宽。10、在高土壤电阻率地区，降低接地装置接地电阻，宜采用多支线外延接地装置，外延长 度不应大于60m；选择潮湿肥沃的土壤；为了保持接地电阻长年稳定，地网应澆灌降阻剂或采用换土法。四、屏蔽及综合布线的设计1、减少电磁感应的屏蔽措施：1）、当电子信息系统的导电金属物、电缆屏蔽层及金属线槽（架）等进入框架或钢筋混泥土的建筑物时应就近做等电位连接。对信息系统所处的防雷区宜进行磁场强度的衰减计算，根据计算结果采用相应的屏蔽措施。（衰减计算见附录2）2）、信息系统的机房应避免设在建筑物的高层，宜选择在大楼的低层中心部位，信息设备尽量远离建筑物的外墙结构柱子，设置在雷电防护的最高级别（LPZ2或LPZ3）区域内。应根据防雷分区和信息设备的要求，采取相应的屏蔽措施，使雷击产生的电磁场向内层层衰减。3）、信息系统设备为非金属外壳，且建筑物屏蔽未达到要求时，根据信息系统设备的重要性，可对机房或设备加装金属屏蔽网或金属屏蔽室，金属屏蔽网或屏蔽室应与等电位连接带连接。2、户内外线路屏蔽1）、在需要保护的空间里（如户外），应采用屏蔽电缆，其屏蔽层宜再两端及雷电防护区交界处做等电位连接。2）、使用含有金属部件的光缆，在入户处应接通所有金属插头、金属挡潮层、金属加强芯 等，并进行直接接地。3）、建筑物之间的互连电缆，应敷设在金属管道内。如金属管、金属格栅或采用金属箍箍紧电缆，敷设通道的两端应电气连通，并连到各建筑物的等电位连接带上。管道内的电缆屏蔽层应做等电位连接。当电缆屏蔽层能荷载可预见的雷电流时，该电缆可不敷设在金属管道内。当互相邻近的建筑物之间有电力和通信电缆连通时，应将其接地装置互相连接。3、线缆敷设1）、建筑物电气线路至干线的金属线槽，应敷设在建筑物的电气竖井内，并应避开作为防雷引下线的结构柱子。2）、墙上敷设的综合布线电缆、光缆与其它管线的间距应符合GB/T50311规范的规定。3）、综合布线电缆与电力电缆的间距应符合下表1的规定。4）、综合布线电缆与附近可能产生电磁干扰的电力电缆等电气设备之间应保持必要的间距。 其要求应符合下表2的规定。表1：墙上敷设的综合布线电缆、光缆与其它管线的间距其它管线最小平行净距（mm）最小交叉净距（mm）电缆、光缆或管线电缆、光缆或管线避雷引下线1000300保护地线5020给水管15020压缩空气管15020热力管（不包封）500500热力管（包封）300300煤气管30020注：如墙壁电缆敷设高度超过6000mm时，与避雷下引线的交叉净距应按下式计算：S0.05式中：S交叉净距（mm）； L交叉处避雷下引线距地面的高度（mm）。表2：综合布线电缆与电力电缆的间距类别与综合布线接近状况最小净距（mm）380V电力电缆2KVA与线缆平行敷设600有一方在接地的金属线槽或钢管中300双方都在接地的金属线槽或钢管中150注：1、当380V电力电缆1.5倍系统平均功率应满足系统要求应满足系统要求应满足系统要求应满足系统要求 图4 卫星站天馈线SPD的设计安装 30m 注：馈线长度超过30m宜两端室外单元 室内单元 安装SPD。接收机 SPD2 SPD1 SPD1、SPD2可在ZGB003 系列中选用。6、光缆通信系统的金属吊挂钢缆线、光缆内的加强筋，在进户处应做好等电位连接接地。带有一对或几对金属线的光缆，金属线部分应加装信号线电涌保护器。图4：将一个建筑物划分为几个防雷区和做符合要求的等电 位连接的例示金属管道（如水管）电力电缆等电位连接带LPZ1和 LPZ2的界面旗杆或栅杆LPZ0A天线LPZ0BLPZ1设备设备LPZ2电缆LPZ1代表屏蔽2的机房在LPZ1 和LPZ2界面上的等电位连接带2LPZ2计算机房接地装置LPZ0BLPZ0A代表屏蔽1的建筑物外部防雷装置在LPZ0B和LPZ1界面上的等电位连接带1 20