（大气物理学与大气环境专业论文）江苏广播电视大楼雷击电磁脉冲防护技术应用研究.pdf

摘要 论文第一部分概要地分析了现代化智能大厦存在的雷击危害。第二部分简 要地介绍了江苏省广播电视大楼的建筑结构和大楼内的仪器设备装置，江苏省 广播电视大楼是位于南京市中心鼓楼广场东南角的一座现代化的高层建筑物， 内设由多种电子、电器设备构成的广播、电视信息接收、处理、发射系统，通 信传输系统以及各种管理和信号信息控制系统，承担着数字化、网络化的电视 节目制作、播出、存储及信息发布等传媒业务，是一幢典型的现代化的智能大 厦，容易遭受雷击损坏。因此，论文分析了江苏省广播电视大楼的建筑结构特 征以及大楼所处的雷击环境条件，依据中华人民共和国g b t 2 1 7 1 4 2 2 0 0 8 i e c 6 2 3 0 5 2 ：2 0 0 6 雷电防护第二部分，风险管理的标准，计算了江苏广 播电视大楼的雷击风险度，指出大楼存在着较大的雷击风险。第三部分依据中 华人民共和国g b t 2 1 7 1 4 4 2 0 0 8 i e c 6 2 3 0 5 2 ：2 0 0 6 雷电防护第四部分：建 筑物内电气和电子系统的标准，对大楼的电磁环境进行了评估，指出江苏省广 播电视大楼存在雷击电磁脉冲和电磁辐射的危害。 论文的第四部分根据江苏省广播电视大楼存在的雷击风险和雷击电磁脉冲 和电磁辐射的危害。依据雷击电磁脉冲防护的基本原理和相关的雷电防护规范 标准，研讨了大楼的电源线路防护，天馈线路与信号线路防护以及屏蔽、共用 接地系统保护问题。第五部分研究提出了大楼内综合信息集成系统( i b m s n e t ) 、 智能物业及设施管理系统( i p m s n e t ) 、楼宇管理及机电设备自控系统 b m s n e t b a s ) 、综合安防实时监控管理系统s m s n e t c c t v n e t ) 、消防报警联动 控制及气体灭火系统( f a s ) 、公共广播系统( p a s ) 、结构化综合布线系统( g c s ) 、 宽频网络系统( l a n + w l a n ) 、电子会议系统( e m s ) 电视卫星及数字有线电视系 统( c a t v ) 等十大系统防雷击电磁脉冲和电磁干扰的、具体的、可操作的方法， 第六部分是对论文研究结果和今后研究方向的总结。 关键词：广电系统电磁环境雷击风险评估雷击电磁脉冲综合雷电防护 a bs t r a c t s u m m a r vo ft h ef i r s tp a r to ft h e s i sa n a l y z e dt h ee x i s t e n c eo fm o d e r n i n t e l l i g e n t b u i l d i n ga g a i n s tl i g h t n i n gs t r i k e s t h es e c o n dp a r tb r i e f l y , j i a n g s up r o v i n c e ，r a d l o a n dt vt o w e r t h eb u i l d i n gs t r u c t u r ea n db u i l d i n ge q m p m e n ti n s t a l l a t i o n ，r a d l o a n d t e l e v i s i o nb u i l d i n gi nj i a n g s up r o v i n c e ，n a n j i n gc i t y c e n t e ri sl o c a t e dmt n e s o u t h e a s tc o m e ro fd r u mt o w e rs q u a r e ，am o d e r nh j 幽一r i s eb u i l d i n g s ，s e tu pb y a v a r i e t y o fe l e c t r o n i c s ， e l e c t r i c a le q u i p m e n tc o n s i s t i n g o fr a d i oa n dt e l e v l s l o n i 血r m a t i o nf o rr e c e i v i n g ，p r o c e s s i n g ，l a u n c hs y s t e m s ，c o m m u n i c a t i o n s 彻1 s m l s s l o n s v s t e m s 2 l sw e l la si n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n ds i g n a lc o n t r o ls y s t e m ，a s s 啪e t n e d i g i t a l ，n e t w o r k e d t e l e v i s i o n p r o d u c t i o n ，b r o a d c a s t ，s t o r a g e a n dl m 吼a t l o n d i s s e m i n a t i o nm e d i ab u s i n e s s ，i st y p i c a lo f am o d e r ni n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，l n e r a b l e t o1 i 咖n i n gd 锄a g e t h e r e f o r e ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ej i a n g s up r o v i n c i a lr a d i o a n d t e l e v i s i o nb u i l d i n ga n dt h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb u i l d i n gw h e r et l l e l i g h t n i n gs t r i k e s t h e b u i l d i n g e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s ，a c c o r d i n g t o p e o p i e s r e p i u b l i c o fc h i n ag b t 21714 2 2 0 0 8 i e c 6 2 30 5 2 ：2 0 0 6 t h es e c o n dp a r to t l i g h t n i n gp r o t e c t i o n ， r i s km a n a g e m e n ts t a n d a r d sc a l c u l a t e dj i a n g s u pa d i oa n d t e l e v i s i o nb u i l d i n gs t r u c kb yl i g h t n i n gr i s k ，p o i n t i n go u tt h a t t h e r ei sal a r g e r b u i l d i n gs t r u c kb yl i g h t n i n gr i s k p e o p l e sr e p u b l i co f c h i n ai na c c o r d a n c ew l t ht n e t h i r dp 狐o f g b t 2 1 7 1 4 4 2 0 0 8 i e c 6 2 3 0 5 2 ：2 0 0 6l i g h t n i n g p r o t e c t i o np a r ti v ：t h e b u i l d i n g o fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i cs y s t e m s w i t h i nt h e s t a n d a r d so ft h e e l e c t r o m a g n e f i ce n v i r o n m e n t o ft h eb u i l d i n gt oc a r r yo u ta na s s e s s m e m ，p o i n t i n g o t i t t h a tr a d i oa n dt e l e v i s i o ni nj i a n g s up r o v i n c eb u i l d i n gt h ee x i s t e n c e o fl i g h t n i n g e l e c 仃o m a g n e t i cp u l s ea n de l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n h a z a r d s t h ef 0 谢hp a p e r ，j i a n g s up r o v i n c e ，b a s e di np a r to nt h ee x i s t e n c eo f r a d i oa n d t e l e v i s i o nb u i l d i n ga j l dt h er i s ko fl i g h t n i n ga n dt h el i g h t n i n ge l e c t r o m a g n e t i cp u l s e e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nh a z a r d s l i g h t n i n ge l e c t r 。m a g n e t i cp u l s ep r o t e c t i o n b a s e d o nt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n ds t a n d a r d sr e l a t e dt ol i g h t n i n gp r o t e c t i o n ，o n t h eb u i l d i n g s l l p o w e rl i n ep r o t e c t i o n ，t h ea n t e n n aa n dc a b l el i n e sa n ds i g n a ll i n ep r o t e c t i o na n d s h i e l d i n g ，g r o u n d i n gs y s t e ms h a r e dp r o t e c t i o n t h ef i f t hp a r to ft h es t u d yo fb u i l d i n g ac o m p r e h e n s i v ei n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o ns y s t e m ( i b m s n e t ) ，i n t e l l i g e n tp r o p e r t ya n d f a c i l i t i e sm a n a g e m e n ts y s t e m s ( i p m s n e t ) ，b u i l d i n gm a n a g e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ， e l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a le q u i p m e n tb m s n e t b a s ) ，a ni n t e g r a t e dr e a l - t i m e m o n i t o r i n go fs e c u r i t ym a n a g e m e n t s y s t e ms m s n e t c c t v n e t ) ，f i r ea l a r ma n d l i n k a g ec o n t r o lg a sf i r ee x t i n g u i s h i n gs y s t e m ( f a s ) ，t h ep u b l i ca d d r e s ss y s t e m ( p a s ) ， s t r u c t u r e dc a b l i n gs y s t e m ( g c s ) ，b r o a d b a n dn e t w o r k ( l a n + w l a n ) ，e l e c t r o n i c c o n f e r e n c es y s t e m ( e m s ) s a t e l l i t ea n dd i g i t a lc a b l et e l e v i s i o ns y s t e m ( c a t v ) s y s t e m s ，s u c ha st h et o pt e na n t i - l i g h t n i n ge l e c t r o m a g n e t i cp u l s ea n de l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n ds p e c i f i c ，o p e r a t i o n a lm e t h o d s ，t h es i x t hp a r to ft h et h e s i sf i n d i n g s a n das u m m a r yo ft h ed i r e c t i o no ff u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ： r a d i o s y s t e m ；e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ；l i g h t n i n g r i s k a s s e s s m e n t ；l i g h t n i n ge l e c t r o m a g n e t i cp u l s e ；i n t e g r a t e dl i g h t n i n gp r o t e c t i o n i i l 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：翌盥芏 日期：迎翌。上 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：玉隍芏 日期：递2 ：篁 南京信息t 程大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 雷电对含有电子设备的信息系统的危害 雷电是发生在云层之间、雷云与大地之间强烈的瞬间放电现象晗1 ，有极强破坏力，能 给人类的生产和生活带来很大的不良影响。雷击可分为直接雷击和雷电感应两类。雷击发 生时，声、光并发，电闪雷鸣，它以强大的雷击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波损坏放 电通道上的建筑物、输电线、击伤、甚至击死人、畜等，这就是人们常说的直击雷害。在 直接雷击的同时，放电通道周围空间将产生脉冲形式的电磁场会以电磁辐射形式在空间传 播，使建筑物上的金属物件，内部金属管道、钢筋、金属构件、电源线缆、信号线缆等感 应出雷电高电压、大电流，这些高电压、大电流可以通过电源线路、信号线路、天馈线路 等路径，以及空间等途径进入室内损坏电气、电子系统设备；雷电如果直接击在输电、信 号线路上也会以雷电波沿电源线路、信号线路、天馈线路以及各种金属管道等路径进入室 内损坏电气、电子系统设备；还可通过接地线路的地电位反击损坏电气、电子设备。 董万胜先生在中国气象发展战略第八章雷电灾害机制中描述的：“一台电子设备招引感 应雷击的通道主要有4 条：天线、馈线引入；电源线路引入；信号线路引入( 信号 线路的种类很多，高频信号传输线路、程控电话线路、电脑数据处理线路等等都可能引入 强大的雷电信号而击坏电子设备) ；接地线路引入。对于建筑物中电子设备群体来说，引 入感应雷的通道主要有6 条：建筑物中一切电子设备的天线、馈线、电源线、信号线、 接地线都是建筑物的进雷通道；出入建筑物中各种电源线路及建筑物内部“长”距离信 号线路；具有公共接地的建筑物中的一切金属管道，在直接雷电流流经其上时，其周围 产生的磁场涡流在金属表面感应出来的雷电冲击波；雷电放电时，在金属表面感应出来 的雷电冲击波；直接雷击落雷点建筑物的雷电高位冲击；直接雷击落雷点建筑物的雷 电反冲电流( 这种电流可通过相邻建筑物的接地线路进入其电子设备，使电子设备的机壳 和机芯之间产生放电现象而损坏) ”。 雷电感应的高电压和过电流幅值与雷击点的距离成反比川，与雷击电流的幅值和陡 度成正比。雷击点越近，雷电流的陡度越大， 险，对电气、电子系统设备的破坏性就越大。 感应脉冲过电压、过电流就越大，也就越危 雷击后果既可能是火灾、机械破坏、人员伤 亡、电气、电子系统设备损坏嫡1 。还可能危及供电、计算机控制及调节系统，造成供电中 断、数据丢失、生产停顿等。最近几十多年来，随着科学技术的迅速发展，微电子技术、 南京信息t 程大学硕十学位论文 计算机通信网络系统，各种先进的信息系统得到了广泛的应用。但它们都工作在低电压和 小电流状态下，其电磁兼容能力低，抵抗电磁脉冲过电压、过电流的能力十分脆弱，在闪 电环境下的易损性较高。董万胜先生在中国气象发展战略第八章雷电灾害机制中描述的还 提到：“由于雷电冲击导致计算机网络系统失效或损坏，平均每年约占全部故障的7 0 。 在德国各种灾害造成的损害中，感应雷击造成的损害高居榜首，占全部灾害损失的3 3 8 。 奥地利某地区1 9 6 0 - 1 9 9 2 年间雷击保险理赔件数统计：3 3 年中直接雷击事故每年都约1 0 0 起左右，而电子设备的损坏却由1 9 6 0 年的9 3 1 起上升到1 9 9 2 年的2 3 7 6 8 起”! 我国近年也 雷害事故频繁，据一些省市统计，冈雷害作用，电子设备的直接损失约占雷电灾害总损失 的8 0 ，造成了巨大的直接经济损失和无法估量的间接经济损失与社会影响。多年来，国 内外有关航空航天飞行器、微波站、调度通信站、气象中心、计算中心、广播电视系统等 遭受雷电等冲击干扰而失效、损坏的事例屡见不鲜，造成巨大的损失。例如：1 9 9 2 年4 月 2 7 日，江西南昌医科大学遭感应雷击，1 6 0 门程控电话有1 2 0 门被毁。同天，江西财经管 理学院2 0 0 门程控电话全部被毁：1 9 9 2 年5 月1 日，长沙湖南广播电视大学2 0 0 门程控电 话、6 台计算机和多台彩电冈感应雷击被毁，损失1 0 0 多万元：1 9 9 2 年6 月2 2 日，北京国 家气象中心计算机室遭感应雷击，大型和小型计算机网络中断，多台计算机接口被破坏， 计算机系统工作中断4 6 小时，经济损失2 0 多万元；1 9 9 3 年4 月2 1 日，第一届东亚运动 会前夕，上海奥林匹克俱乐部大楼遭感应雷击，楼内控制程控电话的电脑被破坏，损失数 万元。1 9 9 4 年5 月曾被雷击广州区域气象中心业务系统，计算机网络、气象雷达、卫星接 受系统电子设备损坏，这此设备固然价格昂贵，更严重的后果是使气象预报工作陷于中断。 成都铁路局计算中心曾遭雷击损坏一台主机与5 台终端机，严重地影响了铁路运输秩序。 1 9 9 6 年8 月1 8 日，下午2 ：3 0 左右，常州电视台发射机房、值班机房遭特大雷击。造成 发射设备跳机，烧保险丝，中间设备中进口视分五个频道的插件全部打坏，五只电视接收 机遭雷击损坏，下午2 点多钟，微波站遭雷击，全站损坏各类设备计1 2 件，常州一溧 阳、常州一金坛微波站遭雷击造成部分或全部信号停传。1 9 9 8 年7 月1 6 日，常州电视 台发射部大事记载：下午4 ：3 0 ，局大院遭受击，全局停电一”。微波站遭雷击，外电中断， 部分视音损坏，电源配电房2 书屏内整流二极管击穿；发射机房稳压板2 只熔断器击穿， 五台进口视分集成块烧坏，电视微波机高频头等损坏。1 9 9 9 年8 月2 7 日凌晨2 点，某寻 呼台遭受雷击，导致该台中断寻呼数小时，其直接损失是有限的，但间接损失将大大超过 直接损失。2 0 0 0 年7 月2 5 日1 4 点4 0 分左右，一次闪电造成漕宝路桂菁路附近二家单位 同时受到雷灾，而不是以往的一次闪电只是一个建筑物受损。 不难看出，雷击对电子设备损坏的后果极为严重，然而雷电产生的雷击电磁脉冲和电 2 塞室笪星三堡叁兰堡兰堂垡堡苎 磁辐射对设备的损坏在其到达前不易察觉，这是当代雷电危害的新特点。如何加强和改进 对电子系统( 设备) 的雷电防护，减小其电子系统( 设备) 的是一个具有重要的实际应用 意义的研究课题。拥有大量重要敏感电子设备的，“播电视系统就需要更特殊的防雷保护。 1 2 电子信息系统雷电防护技术的概况 人类自古以米就知道雷电防护的重要性，以至于在一些古代较高建筑的顶端多采用单 个尖顶或多个尖顶的形式，从而避免了雷击的发生。雷电防护技术发展到目前，已经有了 一定的规模。 雷电一定程度上可以对任何物体或系统造成危害，包括地面各种建筑物、航空和航天 飞行器、车辆船舶、树木、人、畜、室内的各种家用电器或微电子设备等哺1 。研究雷电最 主要的目的之一就是要防止雷电灾害事故的发生。几乎所有的研究都是针对这一目的而进 行的。 当前比较通用的直接灾害防护技术是分流( 包括接闪、引流、接地) 和屏蔽。这些措 施可一定程度上避免雷电灾害的发生n 1 。存在的问题是：使用尖端和钝端的避雷针的防 雷效果哪一个更好? 闪电击中避雷针时的连接点的位置是在避雷针的顶端还是中间位置? 在一定区域中如何利用最少量的避雷针组网以实现对该区域的保护，同时降低其失误率等 都还是需要讨论的问题。当雷电击中避雷针，改进引下线使其能在电流流过时在很大程 度上减小由电流产生的磁场强度，减少其所产生的磁场脉冲可能导致室内各种电子设备受 损也应进一步深入研究。对于接地体的形状和接地性能的关系以及在雷电冲击电流作用 下，接地电阻特性的变化研究也仍是值得深入研究的重要内容。金属框架的网格究竟要 多大才能更好的起到屏蔽作用，同时又节省材料和减轻建筑物的重量，还需要多方论证。 雷电的间接灾害防护技术主要是针对建筑物内的各种电子设备，如通讯设备，电力设 备和家用电器等。因此间接雷害的防护看起来要比直接雷害的防护要复杂。其实，直接灾 害和间接灾害并非是完全独立的两种不同的雷电灾害，一次雷击事故往往同时包含着这两 种灾害旧1 。在过去很长一段时间里，由于间接灾害有时候没有直接灾害那么明显，而且发 生的频率也要低一些，因此相对于直接雷电灾害而言，间接灾害的防护并没有得到足够的 重视。但随着微电子设备如计算机的广泛使用，由间接雷电灾害所造成的各种事故也逐年 上升，因此间接灾害的防护也越来越得到各个部门的重视，尤其是一些通讯、电信和电力 部门、广播电视以及一些较大单位的大型机房等，都应安装雷电防护设备。 在各种电子设备雷电防护技术中，当前的主要做法是：划分雷电防护区，将敏感设 备置于因为有了屏蔽而使雷击产生的磁场强度得到了一定程度衰减的后续防护区。依据 3 南京信息工程大学硕十学位论文 电压钳位、电流带通滤波、光电隔离等技术，在低压系统中安装性能良好的雷电流浪涌保 护装置，保护系统中的电子元器件。对雷电流浪涌保护装置的性能设计有一定的要求，一 般要求雷电流浪涌保护装置响应迅速快、通流能力好、插入损耗小、有较好的电磁兼容特 性等。实践证明，为使防雷能达到最佳的防护效果，必须采用现代防雷保护措施，以求电 气、电子系统安全。直击雷和雷击电磁脉冲的侵害渠道不同，因而保护措施也就不同。防 直击雷主要是采用避雷针、避雷网格、避雷带等传统的避雷装置，只要设计规范、安装合 格，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、网格和避 雷带，对雷击电磁脉冲产生的感应过电压和过电流的防护都无能为力。因为雷电感应是由 电气、电子系统设备的电源线路、信号线路、天馈线路等招引而致。因此，仅靠避雷针、 网格、避雷带防雷己远远不能满足今天信息社会时代的实际需求。为了适应这种需要，一 方面要做好直击雷防护设计；另一方面要把防雷击电磁脉冲的无孑l 不入作为电子化时代雷 电防护设计的重点。必须采用：( 1 ) 直击雷防护技术；( 2 ) 屏蔽技术；( 3 ) 等电位连接技 术；( 4 ) 共用接地系统：( 5 ) 合理的综合布线技术；( 6 ) 设置、安装线路浪涌保护器( s p d ) 等综合措施，这六项技术措施饽1 ，相互配合、相互补充、缺一不可，构成一套完整的防雷 体系，即所谓的综合性防雷，以防止和减少雷电对建筑物、电气、电子系统造成的危害， 保护人民的生命和财产安全，保护电气、电子系统设备安全。 目前在我国防雷领域还存在不少需要改进的方面，必须加强雷电灾害成因的研究和发 展新型的雷电防治新方法和新技术，使雷电防护达到最佳的效果，切实为国家经济建设和 人民生命财产提供安全保障。 1 - 3 广播电视系统防雷的必要性 随着高科技的发展，广播电视系统在技术上突飞猛进。现代电视技术系统和专业设备 承担着数字化、网络化电视节目制作、播出、存储、节目及信息发布的任务，技术系统和 设备的工作频率和数据传输率具有高带宽及高传输速率的特征，电视媒体具有要求及时系 统工作绝对安全可靠的性能。 现代a v 设备和i t 设备大量使用超人规模集成电路，其工作电压越来越低，导致超大 规模集成电路器件的击穿电压越来越低。如广播电视发射设备，我国目前广播电视使用的 发射设备是全同态发射机( 逐渐取代了电子管及速调管发射机) 。全同态发射机有很多优 点：功率器件的寿命可达数十万小时，故障率相对要低很多；整机工作电压低，设备运行 安全；维护丁作量少等。但是，全固态发射机使用的半导体器件和集成电路耐压低、输入 输出阻抗低、热冲击性能比真空器件差。容易出现发射机的故障，其原因，一方面面是发 4 堕室笪星三堡叁堂堡圭兰垡堡茎 射机的内部因素，如输入过激励、工作温度过高、驻波比过高、负载的开路和短路等；另 一方面，由于自然界高能量的雷害等外部冈素同样会造成发射机的停播，甚至造成发射机 的永久失效。不仅是发射机，接收和发射的天线系统、电源系统天馈线路、综合信息集成 系统、机电设备自控系统、综合安防实时监控管理系统、消防报警联动控制及气体灭火系 统、宽频网络系统等系统同样是工作电压低，耐压低，易受冲击，需要进行过电压保护。 总之，我国广播电视媒体正全面进入数字化、网络化，设备越来越多，系统越来越复 杂，集成化程度越来越高，灵敏度越来越高，耐受雷电过电压的水平越来越低。雷电过电 压的危害的可能性及危害程度就越来越大。为了保护广播电视系统不受雷电干扰，保证广 播电视系统设备和系统正常工作，及时、准确地宣传党的各项方针政策，以清晰的画面突 现人民的生活画面，宣传中国，报道世界。做好广播电视雷电防护，是非常必要的。而且 有很高的要求。 1 4 研究内容和研究方法 本文针对江苏省广播电视人楼的雷电防护，考查、收集、整理了江苏省广播电视大楼 所处地理位置、土壤电阻率、雷击环境、大楼的建筑结构以及楼内设备布局等资料；分析 江苏省广播电视大楼所处的雷击环境条件，依据中华人民共和国g b t 2 1 7 1 4 2 2 0 0 8 i e c 6 2 3 0 5 2 和4 计算江苏广播电视大楼的雷击风险度；评估大楼存在的雷击风险和 大楼存在雷击电磁脉冲和电磁幅射的危害；依据雷击电磁脉冲防护的基本原理和相关的雷 电防护规范标准，研讨大楼的电源线路，天馈线路与信号线路综合信息集成系统 ( i b m s n e t ) 、智能物业及设施管理系统( i p m s n e t ) 、楼宇管理及机电设备自控系统 b m s n e t b a s ) 、综合安防实时监控管理系统s m s n e t c c t v n e t ) 、消防报警联动控制及气 体灭火系统( f a s ) 、公共广播系统( p a s ) 、结构化综合布线系统( g c s ) 、宽频网络系统 ( l a n + w l a n ) 、电子会议系统( e m s ) 电视卫星及数字有线电视系统( c a t v ) 等系统防雷击 电磁脉冲和电磁干扰的防雷保护方法。 5 南京信息工程大学硕二仁学位论文 第二章江苏广播电视大楼雷击风险度分析 2 1 大楼结构特征和所处的雷击环境 南京位于北纬3 1 。1 4 - 3 2 6 3 6 ，东经1 1 8 。2 2 - 1 1 9 。1 4 ，地处我国东南部的长江 下游，东接富饶的长江三角州，南靠宁镇丘陵，西倚皖赣山区，北连江淮平原，地理位置 十分优越。 南京四周低山盘曲，山环水绕，自然风貌独特。气势磅礴的长江自西向东横穿市区， 辖内有秦淮河、滁河、玄武湖、莫愁湖、石臼湖、| 司城湖等流域水网纵横交织，水面占全 市面积11 4 ，水资源极为丰富。 岗峦起伏的宁镇山地由东向西形成三个分支切近城 市边缘楔入城区，溧水县境内有茅山山脉，江浦县境内有老山山脉。低山丘陵占全市面积 6 4 5 ，是华东低山丘陵集中的主要区域之一。 南京属弧热带湿润气候，温暖宜人，四季分明，雨量充沛。年平均气温1 5 4 。，年均 降水量1 1 0 6 毫米。这一良好的自然条件加之历代的绿化努力，使南京享有“绿城”之誉。 江苏广播电视大楼位于南京市中心，鼓楼广场东南角，地上3 6 层，地下2 层，大楼 长4 4 3 5 m ，宽3 3 9 5 m ，高1 7 1 米，加上桅杆和避雷针，最高点达2 2 4 。8 m 。占地2 6 万平 方米。内设制作编辑用房、大小演播室、网络中心、节目调度中心、总控播出专业机房、 通信机房、消防中心等多种功能用房。用房内又装设有电视信号接收系统、发射系统、通 信系统、监控及管理系统、b a 系统、各种线缆布线系统等各种电气系统等等。集广电新 闻，影视传媒，报刊音响及出版发行于一体，综合了演播，制作，科技管理的现代数字化 办公大楼。 大楼所在地土壤电阻率p = 1 2 0 1 5 0qm ，平均为1 3 5q m 。南京市雷暴日为 3 2 6 d a 1 i n 。 2 2 雷击风险评估参数 江苏广播电视大楼地处南京市中心的鼓楼地区，人口密集，高楼林立，大楼内设有 多种现代化的广播电视电子、通信、监控等高档设备，因此雷击后人员伤亡和设备损坏是 主要的。因此，江苏广播电视人楼雷击风险度分析应以生物损害和物理损害选取评估参数， 进行风险度的计算，确定其风险的大小。 2 2 1 江苏广播电视大楼年预计雷计次数 6 南京信息工程人学硕上学位论文 n = k n g a e = k ( 0 0 2 4 刀j ) a e ( 次年) 式中：k ：校正系数，k 取1 7 n g ：建筑物所处地区雷击人地的年平均密度 次k 2 a t d ：年平均雷暴日。根据北京地区气象台资料确定为3 2 6 ( d a ) a e ：建筑物截收相同雷击次数的等效面积( k m 2 ) 2 2 2 江苏广播电视大楼雷击等效截收面积 江苏广播电视大楼高于1 0 0 米，等效截收面积为： a e = l w + 2 h ( l + w ) + 兀h 2 i 0 6 式中、l 、w 、卜分别为建筑物的长、宽、高( m ) l = 4 5 3 5 m ，w - 3 4 9 5 m ，h = 2 2 5 8 m 。 n g = o 0 2 4 力3 = o 0 2 4 x 3 2 6 l3 = 2 2 2 5 次k m 2 a a e = 4 5 3 5 3 4 9 5 + 2 2 2 5 8 ( 4 5 3 5 + 3 4 9 5 ) + 3 1 4 x 2 2 5 8 2 1 0 = 1 9 7 9 4 3 3 7 1 0 。6 = 0 1 9 7 9k m 。 n = i 7 2 2 2 5 0 1 9 7 9 = 0 7 4 8 次a 即综合楼预计年雷击次数为0 7 4 8 次a 。 2 2 3 其它评估参数 江苏广播电视大楼长4 5 3 5 m ，宽3 4 9 5 m ，高2 2 5 8 m ( 高度为楼高加上桅杆高度再加上 避雷针高度) 。因计算广播电视大楼的雷击等效截收面积已覆盖了多功能楼、演播中心和生 活服务中心的雷击等效面积，整个大楼等效截收面积取综合业务楼数据即可。t 、，中心所 在地土壤电阻率p = 1 2 0 1 5 0qi l l ，平均为1 3 5q m 。南京市雷暴日为3 2 6 d a 。外部l p s 按 i i 类建筑物设计。人身伤害风险r t , = 1 0 一，经济损失风险r n = l o 一。 2 3 江苏广播电视大楼的雷击风险度 根据中华人民共和国g b t 2 1 7 1 4 2 2 0 0 8 i e c 6 2 3 0 5 2 ：2 0 0 6 雷电防护第二部分：风 险管理，计算了江苏广播电视人楼雷击人身伤害风险和经济损失风险，如表3 1 所示。 表3 i 江苏广播电视大楼的雷击风险度 风 险 度 采取防雷措施前 r ，( 人身伤害风险)lr 。( 经济损失风险) 5 9 1 2 4 2 7 4 1 4 1 0 41 4 0 9 1 2 7 1 2 8 l o 屯 由计算的江苏广播电视大楼的雷击风险度表3 1 可以看出，不采用防雷措施，人身伤 7 堕室笪星三堡查竺堡主兰垡堡茎 害风险r l _ 5 9 1 2 4 2 7 4 1 4 1 0 4 r r l = 1 0 ，经济损失风险，r 4 = 1 4 0 9 1 2 7 1 2 8 1 0 - 2 r r 4 = 1 0 。 清楚地表明江苏广播电视大楼存在着较大的雷击风险，安装防雷措施十分必要。( 注意，由 于资料原因，这里未对雷击服务设施断损失进行风险评估) 。 江苏广播电视人楼电视中心主楼建筑物、桅杆及避雷针的总高度已超过2 0 0 m ，雷击次 数年平均为0 7 4 8 次，属于第二类防雷建筑物，遭受雷击概率较人。该建筑物为钢筋混凝 土结构，楼顶屋面已采1 0 m x1 0 m 的避雷网格及避雷带组成的屋面防直击雷接闪装置，楼顶 安装的优化避雷针及其金属桅杆，组成了整个建筑物的接闪装置，钢筋结构在外部和内部 电气贯通性符合i e c 6 1 0 2 4 一l1 3 条的要求；“垂直与水平钢筋交叉点约有5 0 采用焊接、 可靠绑扎连接，搭接长度符号规范要求；各预制混凝土构件与各相邻预制混凝土构件有钢 筋体的电气贯通”，为内部安装的电气电子设备提供有效雷电防护：对于高层钢筋混凝土结 构的建筑而言，本身具有较强的耐雷击能力；垂直竖井通道应设在大楼的中心部位，建筑 物中心部位的磁场环境较好，这些措施的组合能有效防御直接雷击对建筑物的损害。但是， 顶三层及外墙和外围钢筋柱承受的雷电流密度大，其电磁感应较强，是否对还会对大楼构 成雷击电磁脉冲和雷击电磁辐射的危害，还需要进一步探讨。 8 南京信息丁程大学硕十学位论文 第三章设备电磁兼容环境分析 随着电子技术日益向高频率、高速度、宽频带、高精度、高可靠性、高灵敏度、高密 度( 小型化、大规摸集成化) 、大功率、小信号运用和复杂化方向发展，电磁干扰已成为系 统和设备正常工作的突出障碍。雷击电磁干扰一方面可以通过各种导线、金属体、电阻和 电感及电容等阻抗耦合至电子设备的输入端，然后再进入设备，还可以通过公共接地阻抗 和公共电源耦合进入设备。另一方面是辐射耦合，闪电电磁辐射通过空间以电磁场形式耦 合到电子设备的天线上、电缆设备上。雷电干扰是造成计算机硬件损坏的主要根源之一， 也是造成通信系统设备损坏的根本原因之一。在雷电发生区的计算机和其它电子设备，由 雷电电磁脉冲造成的故障和损坏是常见的一种故障。如前所述，江苏广播电视大楼是一座 安装有多种电子设备的现代化智能大厦，又处在多雷区的环境中，存在遭受雷击雷电电磁 干扰的可能。因此，分析设备所在环境电磁兼容性，是研讨广播电视大楼雷电保护技术的 重要内容n 踟。 3 1 建筑物附近受到雷击时磁场的评估 依据2 0 0 8 年中华人民共和国国家标准g b t 2 1 7 1 4 4 i e c 6 2 3 0 5 4 ：2 0 0 6 ，当雷击3 倍 于建筑物高度附近地方时，具有相同于对该建筑物雷击建筑物上面的损害概率。根据建筑 物防雷技术规范g b 5 0 0 5 7 - - - 9 4 ( 2 0 0 0 版) ，假若有雷击在江苏广播电视大楼附近( 大楼有建 筑钢筋，可看作格栅形空间) 时( 图3 1 ) ，在l p z o a 区产生电磁强度按下式计算： 图3 1近旁雷击时磁场值的估算 h o = i o ( 2 兀- s 。) 式中s 。为雷击点至屏蔽体外或屏蔽体中心的距离，取决与滚球半径和建筑物的尺寸( 图 9 南京信息工程人学硕上学位论文 3 2 ) ，h 为建筑物的高度，r 为滚球法半径，l 为建筑物长度，滚球半径按表3 1 计算。 表3 1 对应最大雷电流的滚球法半径 保护水平最人雷电流i o - a ，( k a )滚球法半径r ( m ) i2 0 03 1 3 i i1 5 02 6 0 i i i i v 1 0 02 0 0 s 。按下式计算： 当h r 时 当h r 时 s 。= r + l 2 乡 图3 2 距离s 。取决与滚球半径和建筑物的尺寸 在l p z l 区产生电磁强度按下式计算： h l = h o 1 0 s f 2 0 s f l 为l p z o 到l p z l 的磁场衰减。 电视台楼高h = 2 2 5 8 m ，楼外s = 1 0 6 0 m ，楼内s = 1 0 8 2 5 m ，s f 取1 2d b ，按第二防雷建 筑物首次雷击强度( 1 5 0 k a ) 发生在计算电视台综合业务楼邻近，在电视台综合业务楼雷的 楼外、楼内产生的磁场强度如表3 2 表3 2 电视台综合业务楼内外雷击磁场强度 电视台综合业务楼磁场强度( a m ) 楼外l 岫 8 9 0 楼内h 。 2 2 3 1 0 南京信息工程大学硕士学位论文 表3 2 清楚地指出：尽管大楼在建设时的钢筋结构形成了初级屏蔽，但当发生雷击时， 在大楼邻近和大楼内部依然会产生一定的强度电磁辐射，干扰设备。 3 2 雷击江苏广播电视大楼楼体的电磁强度评估 江苏广播电视大楼是钢筋水泥构架结构，楼体钢筋结构可作为建筑物的初级屏蔽体， 可以作为大楼外部防雷系统的一部分，因此在雷电直击时，雷电流可以沿着其流过，如图 3 3 图3 3 雷电直击大楼楼体时磁场值的估算 假设大楼楼顶上的任意点受到雷击，在楼体内部任意点上的磁场强度h - 为： h l = k i t 1 0 ( d 。d ，) 其中：d ，评估点与屋顶的距离， d 。所评估点与墙的距离，取网格的最小尺寸1 0 m ； l 为雷电冲击电流，取1 5 0 k a ： 嵋为网格宽度，按二类进行选取为1 0 m ： k 片为修正因子，即结构系数，典型值k = 0 0 1 w ： 进入l p z 2 的磁场波可以近似看成是平面波，由于2 5 k h z 成分磁场衰减最少，因此主要 考虑对该频率成分磁场进行评估。磁场衰减为： s f ：2 0 1 0 9 ( 8 5 w ) 打玎瓦而】( d b ) 式中r 为网格条半径。 如果格栅作了较好的等电位连接，则s f 可以修正增加6 d b 。有： h 2 = h l 1 0 耶7 2 0 1 1 南京信息工程大学硕十学位论文 3 3 江苏省广播电视台综合业务楼直击雷磁场分布 依据建筑物受到直接雷击时在不同空间磁场强度的计算式，把江苏省广播电视台综合业 务楼建楼时使用的纵横交错的钢筋结构可当作初级屏蔽层，取第二类防雷建筑物首次雷击 雷电流强度1 5 0 k a ，网格宽度w = 1 0 m ( 因为已计算出江苏广播电视人楼的防雷类别为二类) ， 计算得到江苏省，“播电视台综合业务楼直击磁场强度分布( 表3 3 ) 。 表3 3 首次雷击条件f ( 1 5 0 k a ) 江苏省广播电视台综合业务楼磁场强度分布 楼层l p z l 磁场最大值( 第二类) ( a m ) 3 6 层 1 0 5 0 3 0 层 2 7 1 2 5 层 2 0 3 2 0 层 1 7 0 1 5 层 1 4 9 1 0 层 1 3 4 7 层1 2 7 5 层 1 2 3 4 层 1 2 1 1 层 1 1 6 由表3 3 不难看出，尽管江苏省广播电视台综合业务楼建楼时使用的纵横交错的钢筋 结构可当作初级屏蔽层，但是在大楼的不同楼层依然有强度不等的雷击产生的电磁辐射进 入大楼，干扰，“播电视设备，冈此，防止电磁辐射是保护广播电视大楼应该采取的重要手 段之一。 1 2 南京信息t 程大学硕十学位论文 第四章江苏广播电视大楼雷击电磁脉冲防护技术应用研究 尽管江苏广播电视人楼在建设时使用的钢筋结构与接闪器、引下线( 大楼的竖直主钢 筋) 、接地体( 埋地基础钢筋) 相互连接，形成了较完备的外部防雷系统，但由第二、三章 江苏广播电视大楼结构特征和所处环境分析、雷击风险分析、设备电磁兼容环境分析清楚 地表明，江苏广播电视大楼依然存在雷击电磁脉冲、电磁辐射损害的可能，为此本章将重 点研讨以雷击电磁脉冲防护为主的防护技术。 4 1 电源线路的防护 现代防雷的理论和实