高层建筑中室内电子设备的雷电保护技术 毕业论文.doc

南 京 气 象 学 院

毕 业 论 文

系 别 电子工程系 专 业 防雷专业
姓 名 任 艳 学 号 2000405211
论文题目高层建筑中室内电子设备的雷电保护

指导教师 梅卫群

2004 年 6 月 4 日

高层建筑中室内电子设备的雷电保护

摘 要：本文介绍了雷击电子设备的各种途径，以及关于电子设备雷电防护的外部措施和内部措施。其中重点介绍了室内电子设备的内部防护措施，如电磁屏蔽、设备摆放位置等。并就高层建筑的等电位连接和接地系统进行了论述。

关键词：高层建筑、电子系统、防雷、接地系统

一、引言
雷电是一种自然现象，其巨大能量所造成的轰鸣、强光和破坏，一直以来威胁着人类和地球上的一切生物。在现代生活中，雷电除仍对生命造成危害，还使建筑物和森林等发生直接雷击而造成火灾。特别是高层建筑物，由于它们比一般建筑物高，所以更容易与下行先导会合，也就更容易遭受雷击。而且，若建筑物的高度比闪击距离还要大时，对于某个雷击先导，建筑物的侧面某处则可能处于该先导的闪击距离之内，于是受到侧击。 更严重的是，随着科学技术的发展，雷击对电力、广播电视、航空航天、邮电通讯、国防建设、交通运输、石油华工、电子工业等几乎是各行各业都产生严重的危害。尤其是随着信息技术的迅猛发展，计算机等微电子设备大量进入各类建筑物，由于其灵敏度高、耐压低，很容易受雷电电磁脉冲干扰，如果防雷系统有缺陷，一旦接闪装置接闪后，建筑物内的微电子设备必然会受到影响，轻者导致有关设备误动作，重者会造成硬件的永久性损坏，以致通讯中断等严重性后果。

二、雷击电子设备的途径
雷击电子设备的途径可分为三种情况：
(一)雷电直接击中电子设备网络物理线路
落雷点为电源高电压侧,雷电沿供电线路侵入到电子设备系统供电部分,产生过电流与过电压造成网络供电系统的UPS电源损坏、断电、致使整个系统瘫痪。
雷电直击网络无线通信的天线，沿天馈进入网络系统，造成通信接口、接收系统、室内单元、路由器等网络主要通信设备损坏。
雷击网络通信有线线路（如光缆、DDN、帧中继、X.25专线、电话线）产生强大的机械力，猛烈的冲击波，炽热的高温使通信线路损坏；过电压过电流沿通信有线线路侵入到网络系统内，造成路由器、交换机及前端设备的损坏。
(二)感应过电压
雷电击中建筑物引起的过电压情况
1、 回路感应过电压
由于网络系统在建筑物内大量布设各种导体线路（如电源线、数据通信线、天馈线），这些线路网络结构布局错综复杂，在建筑物内部的不同空间位置上构成许多回路，当建筑物遭雷击或邻近地区雷电放电时，将在建筑物内部空间产生脉冲暂态磁场，这种快速变化的磁场交链这些回路后，将在回路中感应出暂态过电压，危及与这回路相接的电子设备。
2、线路感应过电压
线路感应过电压是网络通信线路上感应过电压，分静电感应与电磁感应
1） 静电感应主要是指架空线路设于雷击点附近，由雷云团先导通道中充满电荷，对架空线产生静电感应作用累积大量相反电荷，当雷云主放电开始，雷云中电荷速中和，从而使架空线上原先被束缚的电荷被速释放，形成暂态过电压波。这种波以接近光速向架空线两测传播，侵入导线路端接的网络设备将其损坏。
2） 当雷电直接击在避雷针、避雷带上时，由于雷电流幅值大，波头陡度高，在雷电流的通道附近形成一个很强的感应电磁场。这强大的感应电磁场将直接感应在电源 线或网络通信设备上，形成感应过电压侵入到网络系统中，损坏网络设备。高强度（30KA雷电流）雷电放电可以对距离雷击点1KM范围内网络系统产生电磁感应作用，造成系统设备损坏。据统计，这种感应雷击占计算机雷击事故的70%以上。
3、耦合与转移过电压
雷击引起暂态高电压或过电压常常可以通过网络线路耦合或转移到网络设备上，造成设备的损坏。
(三)雷击地电位抬高入侵
浪涌对邻近建筑物的危害
建筑物在遭受直接雷击时，雷电流将沿建筑物防雷系统中各引下线和接地体入地，在此过程中，雷电流将在防雷系统中产生暂态高电压，如果引下线与周围网络设备绝缘距离不够且设备与避雷系统不共地，将在两者之间出现很高的电压，并会发生放电击穿，导致网络设备严重损坏，甚至人身安全。这种由于接地技术处理不当引起地电位的反击，造成整个网络系统设备全部击毁。地电位暂态高电位危及到相邻建筑物内网络设备，如网络系统建筑物没有遭雷击又无采取过电压保护措施，附近建筑物遭雷击后，暂态高电位将沿地下管道传至网络设备接地系统中对线路发生反击，使得与这些线路相连接的设备受到暂态高电位的损害。
雷击过电压
不管是雷电冲击波或者是地电位反击，都会在网络、线路或设备上产生瞬时的雷击过电压。雷击过电压又分为纵向过电压和横向过电压。
① 纵向过电压：
在平衡电路某点出现的对地的过电压称之为纵向过电压。地电位上升起的电压，可看做是从地系统侵入的纵向过电压。
② 横向过电压：
在平衡电路线与线之间，或不平衡电路的线对地之间出现的过电压称之为横向过电压。连接对称平衡传输线路的设备由于线路中两线分别对地的纵向过电压不平衡，或因纵向防护元件动作时间的差异，都会导致横向过电压的产生。 连接同轴电缆系统的电子设备，纵向过电压即为横向过电压。

三、高层建筑物的防雷措施
1、雷电反击的防护
防止雷电流流经引下线和接地装置时产生的瞬时高电位对附近金属物或电气线路的反击，应符合下列要求：
（1）当金属物或电气线路与防雷的接地装置之间不相连时，其与引下线之间的距离应按下列表达式确定：
①第二类防雷建筑物
当lx＜5Ri时， Sa3≥0.3kc(Ri+0.1lx)
当lx≥5Ri时， Sa3≥0.075kc(Ri+lx)
②第三类防雷建筑物
当lx＜5Ri时， Sa3≥0.2kc(Ri+0.1lx)
当lx≥5Ri时， Sa3≥0.5kc(Ri+lx)
式中：Sa3 空气中距离（m）；
Ri 引下线冲击接地电阻（Ω）；
lx 引下线计算点到地面的长度（m）。
（2）当金属物或电气线路与防雷的接地装置之间相连或通过电涌保护器（SPD）相连时，其与引下线之间的距离应按下列表达式确定：
①第二类防雷建筑物 Sa4≥0.075kclx
②第三类防雷建筑物 Sa4≥0.05kclx
其中： Sa4 空气中距离（m）；
lx 引下线计算点到连接点的长度（m）。
当利用建筑物结构内的钢筋或钢结构作为引下线，同时建筑物结构内的大部分钢筋、钢结构等金属物与被利用的部分连成整体时，金属物或线路与引下线之间的距离可不受限制。
（3）当金属物或线路与引下线之间有自然接地或人工接地的钢筋混凝土构件、金属板、金属网等静电屏蔽物隔开时，金属物或线路与引下线之间的距离可不受限制。
（4）当金属物或线路与引下线之间有混凝土墙、砖墙隔开时，混凝土墙的击穿强度应为空气击穿强度的1/2。当距离不能满足1、2条的要求时，金属物或线路应与引下线直接相连或通过过电压保护器相连。
（5）在电气接地装置与防雷的接地装置共用或相连的情况下：当低压电源 线路用全长电缆或架空线换电缆引入时，宜在电源线路引入的总配电箱处装设电涌保护器（SPD）；当配电变压器设在本建筑物内或附设于外墙处时，在高压侧采用电缆进线的情况下，宜在变压器高、低压侧各相上装设避雷器；在高压侧采用架空进线的情况下，除按国家现行有关规范的规定在高压侧装设避雷器外，尚宜在低压侧各相上装设避雷器。

2、其他
（1）无金属外壳或保护网罩的用电设备宜处在接闪器的保护范围内，不宜布置在避雷网以外，并不宜高出避雷网。
（2）从配电盘引出的线路宜穿钢管。钢管的一端宜与配电盘的外壳相连；另一端宜与用电设备的外壳、保护罩相连，并宜就近与屋面防雷装置相连，当钢管因连接设备而中间断开时宜设跨接线。
（3）在配电盘内，宜在开关的电源侧与外壳之间装设电涌保护器。
（4）在独立避雷针、架空避雷线（网）的支柱上严禁悬挂电话线、广播线、电视接收天线及低压架空线等，这样容易造成高电位侵入。

四、室内电子设备的雷电保护
1、屏蔽
（1）基本屏蔽措施
建筑物和房间的外部设屏蔽措施，以合适的路径敷设线路，线路屏蔽。这些措施宜联合使用。
所有与建筑物组合在一起的大尺寸金属件都应等电位连接在一起，并与防雷装置相连，但第一类防雷建筑物的独立避雷针及其接地装置除外。为了降低雷击时辐射屏蔽使计算机的工作失效概率和元器件损坏概率，就需要对计算机采取良好的屏蔽措施。通常，应将计算机设备的金属外壳有效接地，使其发挥一定的屏蔽作用，对于从隔离变压器或稳压装置到机房配电盒的电源线应采用屏蔽电缆或穿金属管屏蔽。在机房中，空调设备的电源线和控制线也要穿金属管屏蔽电缆或采用金属桥架屏蔽，对于重要的计算机系统要采取对设备进行屏蔽乃至对整个机房进行屏蔽。
（2）建筑电磁屏蔽
屏蔽室的布置首先应该考虑远离干扰源，因而必须了解屏蔽室的周围环境。在高层建筑中，屏蔽室可以优先布置在底层或地下室。因为地面对电磁波有吸收作用，可以缩短接地引线及降低接地电阻等。屏蔽室在楼层中应注意要远离电梯间、通风机房和空压机房等。屏蔽室的大小应由它的用途、测试对象、人员多少、造价以及使用空间的多少而定。
屏蔽是减少电磁干扰的基本措施。屏蔽层仅一端做等电位连接和另一端悬浮时，它只能防静电感应，防不了磁场强度变化所感应的电压。为减少屏蔽芯线的感应电压，在屏蔽层仅一端做等电位连接的情况下应采用有绝缘隔开的双层屏蔽，外层屏蔽应至少在两端做等电位连接。
（3）屏蔽对磁场强度衰减的影响
在建筑物或房间的大空间屏蔽是由金属支撑物、金属框架或钢筋混凝土的钢筋等自然构件组成时，这些构件构成一个格栅形大空间屏蔽，穿入这类屏蔽层的导电金属物应就近与其做等电位连接。
当对屏蔽效率未做试验和理论研究时，磁场强度的衰减应该按下列方法计算：
①在闪电击于格栅形大空间屏蔽以外附近的情况下，当无屏蔽时所产生的无衰减磁场强度H0，相当于处于LPZ0区内的磁场强度，应按下式计算：
H0 = i0 / (2·π·Sa) (A / m)
式中：i0 雷电流（A）
Sa 雷击点与屏蔽空间之间的平均距离
当有屏蔽时，在格栅形大空间屏蔽内，即在LPZ1区内的磁场强度从H0减为H1，其值应按下式计算：
H1 = H0 / 10 SF/20（A / m）
式中：SF 屏蔽系数（dB）
室内电子设备除了因为高层建筑物顶四层分流较大而应放在建筑物顶四层以下以外，在建筑物内，对于上式的计算值还应距屏蔽层有一安全距离dS/1有效:
dS/1 = w · SF / 10 (m)
式中： w 格栅形屏蔽的网格宽（m）
②在闪电直接击在位于LPZ0A区的格栅形大空间屏蔽上的情况下，其内部LPZ1区内VS空间内某点的磁场强度H1应按下式计算：
（A / m）
式中: dr 被考虑的点踞LPZ1区屏蔽顶的最短距离(m);
dW 被考虑的点踞LPZ1区屏蔽壁的最短距离(m);
kH 形状系数(),取kH=0.01();
上式的计算值还应距屏蔽格栅有一安全距离dS/2的空间VS内有效:
d S/2 = w
信息设备应仅安装在VS空间内.
信息设备的干扰源不应取紧靠格栅的特强磁场强度.
③流过包围LPZ2区及以上的格栅形屏蔽的分雷电流将不会有实质性的影响作用,处在LPZn区内LPZn+1区的磁场强度将由LPZn区内的磁场强度Hn减至LPZn+1区内的Hn+1,其值可近似的按下式计算:
Hn+1 = Hn / 10SF/20 (A / m)
式中: SF 屏蔽系数(dB)；
Hn LPZn区内的磁场强度；
安全距离和dS/1计算方法一样。

2、等电位连接和接地
（1）等电位连接的方法
等电位连接可以使用焊接、螺栓连接和熔接三种方法。当使用螺栓连接时要考虑螺栓松动的问题，一般应用铜鼻子将连接线焊牢后栓紧。连接材料一般推荐使用铜材，是因其导电性能和强度都比较好，使用多股铜线的弯曲也比较方便。但铜材与建筑物内结构钢筋连接时，可能会因铜的电位和铁的电位不同而形成电池，产生化学腐蚀，因此在土壤中连接，要避免使用裸铜线，最好使用同一金属（钢材）为宜。等电位连接端于板的最小截面不小于50mm2。在实施等电位连接的平面（如计算机防静电地极下），在敷设接地母排后，应将母排就近与建筑物内钢筋焊接，母排与主钢筋的间距一般不应大于5m。
（2）接地
① 每幢建筑物本身应采用共用接地系统；
② 当互相邻近的建筑物之间有电力和通信电缆连通时，宜将其接地装置互相连接。
（3）其他
所有进入建筑物的外来导电物均应在LPZ0A或LPZ0B与LPZ1区的界面处做等电位连接。当外来导电物、电力线、通信线在不同地点进入建筑物时，宜设若干等电位连接带，并应将其就近连到环行接地体、内部环行导体或此类钢筋上，它们在电气上是贯通的并连通到接地体，含基础接地体。
当建筑物内有信息系统时，在那些要求雷击电磁脉冲影响最小之处，等电位连接带宜采用金属板，并与钢筋或其他屏蔽构件做多点连接。所有电梯轨道、金属地板、金属门框架、设施管道、电缆桥架等大尺寸的内部导电物，其等电位连接应以最短路径连到最近的等电位连接带或其它已做了等电位连接的金属物，各导电物之间宜附加多次互相连接。信息系统的所有外露导电物应建立一等电位连接网络，由于按照规定实现的等电位连接网络均有通大地的连接，每个等电位连接网不宜设单独的接地装置。
当采用S型等电位连接网络时，信息系统的所有金属组件，除等电位连接点以外，应与共用接地系统各组件有绝缘。通常，S型等电位连接网络可用相对较小、限定于局部的系统，而且左右设施管线和电缆宜从ERP处附近进入该信息系统。这时，设备见的所有线路和电缆当无屏蔽时宜按星形结构与各等电位连接平行敷设，以免产生感应环路。
当采用M型等电位连接网络时，一系统的各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘。M型等电位连接网络宜用于延伸较大的开环系统，而且在设备之间敷设许多线路和电缆，以及设施和电缆从若干处进入该信息系统。

五、个例
下面引用宫华大厦的部分防雷设计方案。
（1）大楼通过建筑物主钢筋，上端与接闪器，下端与地网连接，中间与各层均压网或环形均压带连接，对进入建筑物的各种金属管线实施均压等电位连接。
（2）对计算机通信网络系统在建筑物楼内的布线和接地方式要求：通信电缆以及地线的布放应尽量集中在建筑物的第六层（计算机机房设在建筑的第六层，建筑总高二十层）。通信电缆线槽以及地线线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁，并与之保持1米的距离，通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能位于距离建筑物立柱或横梁较远的位置。机房地板采用600ｍｍ×600ｍｍ的截面为16 mm2铜带作为地网。
（3）电气通道以及金属管等金属构件，穿过大楼外墙、机房屏蔽层以及配电室的墙壁时，必须在每一穿过点做等电位连接。所有电梯轨道、金属地板、金属门框架、电缆桥架等大尺寸的内部导电物，将其金属构件与大楼内最近的等电位连接带进行连接，并与钢筋做多点连接，最后一起连接到接地装置。
（4）在进入大楼的电源回路上，在总配电屏前安装一套DEHNport型防雷器，有多少个回路装多少个DEHNport型防雷器。（一级保护使用DEHNport255V）进出大楼电线穿长20米以上，且两端接地。从总配电屏分出，分往各楼层的分配电箱前安装一套DEHNguard型防雷器，有多少分配电箱装多少个DEHNguard型防雷器。（二级保护DEHNguard230）在用电设备前端安装一套DEHNrail型防雷器。（三级保护DEHNrail230）进入大楼的电话中继线，即在交换机房，有多少条电话线就装多少个APC型电话线防雷器。与楼顶联系的各种馈线均安装馈线防雷器，有的要穿钢管和铠装电缆且两端接地。（文中提到的各种防雷器参数见附表）

六、小结
1、应加强LEMP风险综合评估和防护管理工作。
2、电子设备要注意其防雷分区，以及在各个分区中的屏蔽条件和设备的摆放位置。
3、应注意共同接地给电子设备所带来的副作用。
4、为解决防雷设计与施工过程中普遍存在的问题，建议加强弱电设备的防雷监审工作。

参考文献：
1、防雷技术标准规范汇编 2001年版
2、宫华大厦防雷设计方案

附表：各种DEHN防雷器参数
表一

型号
DEHNport
额定电压 (最大持续操作电压)
UC
255V/50Hz
440V/50Hz
UC时最大允许容量
If
4KArms
750KArms

闪电脉冲电单相流（10/350）二相或多相
Uimp
75KA
100KA
电压保护级别(1.2/50)
UP
＜3.5KA
响应时间
tA
＜100ns
最大保险丝强度

350A gL/gG
63A gL/gG
短路电流强度

50KA／50Hz
25KA／50Hz
工作温区

－400C...＋800C
绝缘电阻
Risol
＞103MΩ
表二
型    号
DEHNguard230/400

75
150
275
320
385
440
600
额定电压(最大持续操作电压)
UC
75V~ 100V-
150V~
200V-
275V~
350V-
320V~
420V-
385V~
500V-
440V~
585V-
600V~
600V-
标称放电电流
isn
10KA
15KA
20KA
15KA
最大放电电流
Imax
40KA
保护
级别
  5KA(8/20)
UP
＜350V
＜550V
＜1KV
＜1250V
＜1500V
＜1750V
＜2.5KV
        Isn
＜450V
＜750V
＜1.5KV
＜1750V
＜2000V
＜2250V
＜3KV
响应时间
tA
＜25ns 
最大保险丝强度

125A gL/gG
100A gL/gG
短路电流强度

50KA/50Hz
25KA/50Hz
工作温度

－400C...＋800C
额定端子功率
UN/IN
AC:250V/0.5A DC:250V/0.1A 125V/0.2A 75V/0.5A

表三
型    号
DEHNrail 230/3N FML
标称电压
UN
230V~／400V~
额定电压(最大持续操作电压)
UC
255V~／440V~
标称电流
iN
16A
标称放电电流(8/20)
isn
            LÞ N，LÞL 3KA    NÞPE  5KA
复合波形
Uoc
LÞN,LÞL 6KV     NÞPE 10KV 
电压保护级别
UP
LÞN＜1.25KV L(N)ÞPE＜1.5KV LÞL＜2.5KV
响应时间
tA
LÞN＜25ns L(N)ÞPE＜100ns
最大保险丝强度

1６AgL/gG或Ｃ16A
工作温度

－400C...＋800C
额定端子功率
UN/IN
AC:250V/0.5A DC:250V/0.1A 125V/0.2A 75V/0.5A

七、论文的目的及其意义
随着信息技术的迅猛发展，电子设备大量竟如各类高层建筑。由于其灵敏度高、耐压低、抗扰性差的特点，很容易受雷电电磁脉冲干扰。再加上高层建筑受雷击概率较高，所以对高层建筑室内电子设备的雷电保护就尤为重要。本文介绍了雷击电子设备的各种途径，以及关于电子设备雷电防护的外部措施和内部措施。希望能够使高层建筑中室内电子设备的雷电防护问题得到重视，并针对现存的问题采取有效的防护措施。