（大气物理学与大气环境专业论文）现代建筑内的电子信息系统的雷电防护.pdf

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：逝遗笙 日 期：罂6 。主、22 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 文的电子舨和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文迸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：巡姿釜 日 期：o 赳玉) f 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 摘要 雷电是自然界中极为壮观和重要的大气现象，伴随有声、光、电等多种的物理现象，它 能给人类生活和生产活动带来很大影响。近年来由于高层建筑的不断兴建和电子信息技 术的日益普及应用，各种先进的电子信息设备正广泛地应用于各类现代建筑中。这些电子 信息设备存在着绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，因此 它们极易遭受雷电过电压及其他操作过电压、电涌的损害。论文引入了雷击灾害风险评估 程序，使对现代建筑物内信息系统的雷电防护方法的选择建立在对其内部系统的价值及其 重要性、建筑所处的电磁环境和系统遭受破坏的概率等进行危险性分析的基础之上。详细、 具体介绍了建筑物内部各信息系统的雷电防护方法，并针对目前雷电防护中电源s p d 能量 配合问题，采用e m t p ( 电磁暂态过程仿真) 计算软件，利用简化的电路模型，对几种常用 的s p d 系列产品作级间配合的仿真计算，具体分析产品的级间配合状况，并由试验数据， 提出级间配合的建议。最后，结合自己的实践过程，做出了一个具体的现代建筑物雷电防 护工程案例。 关键词：现代建筑、电子信息系统、雷击灾害风险评估、电源s p d 能量配合 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 a b s t r a c t l i g h t n i n gist h em o s tg r a n da n di m p o r t a n tm e t e o r 0 1 0 9 i c a lp h e n o m e n ai nn a t u r e ， g o i n gw i t hp h y s i c a lp h e n o m e n o ns u c ha sv o i c e ，l i g h ta n de l e c t r i c i t y i tc a nb r i n g g r e a ti m p a c tt op e o p l e t h e s ey e a r s ，b e c a u s eo ft h ef a s tb u i i d i n go fh i g hb u i l d i n g s a n dl a r g em a n s i o n sa n d t h ei n c r e a s i n g l ya p p l i e a t i o no fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，a l lk i n d so fa d v a n c e de l e c t r o n i ce q u i p m e n t sa r ei n s t a l l e di na l l b u i l d i n g s t h e s ee q u i p m e n t sh a v eq u a l i t i e so f l o wi n s u l a t i o n ，w e a ke n d u r a n c eo f o v e r v o l t a g ea n do v e r c u r r e n ta n ds e n s i t i v i t yf o re m cd i s t u r b ，t h e ya r ee a s yt ob e d a m a g e db y1 i g h t n i n go v e r v o l t a g ea n d o t h e rk i n d so fs u r g e t h ea s s e s s m e n t so f l i g h t n i n gh a z a r d sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ，o nt h ep u r p o s eo fm a k i n gt h ec h o i c e o f1i g h t n i n gp r o t e c t i o nb a s eo nt h ea n a l y s i so ft h ev a l u eo ft h es y s t e m si nt h e b u i i d i n g ，t h ei m p o r t a n c eo ft h es y s t e m s ，t h ee m ce n v i r o n m e n to fb u i d i n ga n dt h e p r o b a b i l i t yo ft h ed a m a g e t h ep r o t e c t i o nm e t h o d so fa l lk i n d so fi n f o r m a t i o n s y s t e m sa r ed i s c u s s e dh e r e a i m e da tt h ee n e r g yc o o p e r a t i o no fp o w e rs u p p l ys p d ， t h ee m t pe m u l a t o ra r eu s e dt oc o m p u t et h es t a t u so ft h ec l a s s i c a lc o o p e r a t i o n b y t h er e s u l t so ft h ea c c o u n t ，t h ea d v i c eo fc o o p e r a t i o ni sb r o u g h tf o r w a r d i nt h e e n d ，am a t e r i a lp r o j e c to fm o d e r nb u i l d i n g s l i g h t n i n gp r o t e c t i o ni ss t r i k e do u t t op r a c t i s et h et h e o r y k e yw o r d s ：m o d e mb u i l d i n g s ；e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s ：a s s e s s m e n t so f l i g h t n i n gh a z a r d s ；t h ee n e r g yc o o p e r a t i o no fp o w e rs u p p l ys p d 2 南京信，g m 程太学硕士研究生毕业论文现代建筑内的电于信息系统的雷电防护 弓i言 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瞬间放电的自 然物理现象。雷电发生时，产生强大的雷击电流、炽热的高温、猛烈的冲击渡、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。自然界这种强大的 放电能够直接击在建筑物或防雷装置上的闪电或从建筑物的侧、旁击在建筑物上危害地面 上的建筑物等物体和人、畜生命；但雷电产生的强大电磁脉冲( l e m p ) ，具有极大的破坏性。 随着现代化进程的加快，特别是信息产业的迅猛发展，自动控制、通信和计算机网络等微 电子设备和电子系统在气象行业内外得到日盏增加的广泛应用，雷击事故带来的损失和影 响也越来越大，尤其是在经济发达国家和地区，雷击造成的电子设备直接经济损失达雷电 灾害总损失的8 0 以上。雷电灾害已成为联合国公布的1 0 种最严重的自然灾害之一。据 有关部门估计，全世界平均每分钟发生雷暴2 0 0 0 次，全球每年因雷击造成的人员伤亡超过 1 万人，所导致的火灾、爆炸等时有发生。1 9 9 5 年，德国一保险公司雷电灾害赔款是火灾 和水灾的近1 0 倍，高居首位。2 0 0 3 年8 月1 4 日，美国东北部和加拿大发生大面积停电， 其原因可能是闪电击中美国纽约州北部一家电厂并引起火灾。雷电灾害被列为“电子时代 的一大公害”。 近年来，由于高层建筑的不断兴建和电子信息技术的日益普及应用，各种先进的电子 信息设备正广泛地应用于各类现代建筑中。这些电子信息设备存在着绝缘强度低、过电压 和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，一旦建筑物受到直接雷击或附近区域发生 雷击，雷电过电压、过电流会通过电源线路、通讯线路、金属管道等侵入建筑物内部，威 胁电子信息系统设备的正常运行。 电子信息系统对雷电防护技术提出了更高更新的要求和挑战。在防雷技术相对滞后于 电子信息技术发展的今天，在电子信息系统的雷电防护设计中，应结合建筑物的特点及电 子信息设备的特点，遵循雷电自然规律，运用电磁兼容的原理，全面系统地考虑电子信息 系统的防雷设计，并要综合运用传统和现代防雷技术。 论文中引入了雷击灾害风险评估程序，使对现代建筑物内信息系统的雷电防护方法的 选择建立在对其内部系统的价值及其重要性、建筑所处的电磁环境和系统遭受破坏的概率 等进行危险性分析的基础之上。该程序针对电子信息系统雷电灾害的特点，在详细分析各 种灾害成因的基础上，通过理论计算，提出了雷电灾害进行风险评估的方法，适合于电子 信息系统的雷电风险评估，可在实际的防雷业务中推广使用。 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文 现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 论文中详细、具体介绍了现代建筑物内部各信息系统的雷电防护方法，并针对目前雷 电防护中的热点和难点问题电源s p d 能量配合，采用e m t p ( 电磁暂态过程仿真) 计算软 件，利用简化的电路模型，对几种常用的s p d 系列产品作级间配合的仿真计算，具体分析 产品的级间配合状况，并由试验数据，提出级间配合的建议。 最后，结合自己的工程设计实践过程，做出了一个具体的现代建筑物雷电防护工程案 例，对论文前面章节所论述内容进行了实际应用。 本论文结合现代防雷技术的发展，将常规防雷技术与现代防雷技术、电子信息系统的 雷击风险评估、电源系统和信号系统的雷电防护及工程实践结合起来，提出了一套现代建 筑物内的电子信息系统的雷电防护方法，对信息系统防雷工程的规划设计和实际应用进行 了深入的探讨。 4 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 第一章雷电、雷电参数及其危害 1 1 概论 雷电是自然界中极为壮观和重要的大气现象，伴随有声、光、电等多种的物理现象， 它能给人类生活和生产活动带来很大影响。雷电引起的森栋火灾可能启发了远古人类对火 的发现和乖j 用，雷电造成的有机化台物的合成可能在地球生命起源中占有一定地位。在自 然灾害中，雷电引起的灾害是世界最严重的十大自然灾害之一。有关统计资料显示，雷击 灾害损失在自然灾害总损失中占据近1 8 的比例，如图1 一“。它时刻威胁着人类赖以生 存的自然资源和人类创造的物质文明等。雷电不仅发生的频率高，而且年复一年、永不枯 竭。据估计，全世界每年约有1 0 亿次雷暴发生平均每小时发生2 0 0 0 次雷暴，而每分钟平 均发生卜3 次云对地闪电，每次闪电在微秒量级的瞬间释放出约1 9 8 x 1 0 8 焦耳的能量”“。 注：统计数据通讯及数据传输处理设备损失比例i n s u r a n c e 保险公司统计，本数据未包含因实施防雷保护 而减少的雷击损失。 图i l 雷击灾害损失所占自然灾害总损失比倒 到目前为止，雷电作为一中强大自然力的爆发，尚无法有效加以控制。人们力所能及 的工作是设法限制雷击所造成的破坏作用，将雷击的危害减小到尽可能低的程度。当今社 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文 现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 会的发展进步和信息处理技术的日益普及，各种先进的电子设备正广泛应用于各行各业中。 这些电子设备普遍存在绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点。 一旦遭受雷击过电压的冲击，轻则造成这些系统设备的运行中断；重则使系统设备损坏， 造成不可估量的直接与间接的经济损失和影响。长期以来，关于电子信息系统雷电防护的 研究一直是国内外电气、电子和电磁兼容界工作者共同关注和研究的重要科学课题。 人类对闪电原理和防护方法的研究从1 8 世纪中期就开始了，当时美国科学家富兰克 林对闪电进行了深入研究，揭示了闪电的本质。此后雷电开始引起人类的广泛关注，特别 是近几十年来，随着对地球大气探测手段的提高，对雷电进行了大量的研究，对它的形成 机制、活动规律有了深入的了解，取得了许多研究成果。正如人类社会发展进步的普遍规 律一样，认识自然界并尊重自然界的客观规律是人类改造社会、改造生活的基础。富兰克 林在1 7 4 9 年写的一篇文章中指出：“认识自然界执行自然规律的方式，对我们来说从来不 是很重要的；如果我们能够认识规律本身的话，这就足够了。”“1 为了全面、科学地做好 电子信息系统的雷电综合防护，就需要先充分、具体地了解掌握雷电的形成机制、基本规 律和雷电流特性。 1 2 雷云放电过程 雷云放电时由于正负电荷的中和而产生了耀眼的闪光，放电时较大的电流迅速加热了 周围的空气，并使其猛烈膨胀而发出震耳欲聋的声音，这也就是在雷暴发生时我们看到的 闪电和听到的雷声。 在虞吴先生等的现代防雷技术基础一书中指出：第一次闪电一般出现于雷达测到积雨 云中出现降水粒子之后约1 0 - 2 0 分钟内，这时云中较大范围内的大气电场强度大于 3 x 1 0 3 v c m 。由此可见，雷电的形成可以概括为：当积雨云带有大量电荷，由于静电 感应作用，在积雨云的下方的地面或地面上的物体附近的电场强度足够大( 大于 3 x 1 0 。v t c m “) 时，于是就开始积雨云和地表( 或地面上的物体之间) 之间空气被击穿 的局部放电，即雷电现象”。图1 2 是仿照负极性雷电放电的示意图。图1 、3 是常见负极 性云地闪电的典型结构图。 6 堕室笪皇三堡盔兰婴主堡塞皇兰些兰苎 翌垡塞塑塑塑皇主笪星墨堕堕重皇堕! 兰_ 大地 图1 2 负极性雷电放电示意图 图1 3 常见地闪中负极性闪电的梯式先导，箭式先导，回击的典型结构 当云中负电荷中心的电场强度达到3 x 1 0 。v 硎1 左右，云雾大气就会发生电击穿， 获得足够大动能的电子撞击气体分子使其游离，而产生大量离子，这部分气体就成为导电 介质，并具有气体发光现象，通常称这部分导电的气体为流光或叫流注。这部分流注状电 气体是逐级往下方延伸的，靠电场导给予的动能去碰撞前方的气体分子，呈电子雪崩导电， 它基本上沿着电场作用力的方向。但是由于运动的惯性和碰撞的概率，每个电子的速度方 向因很多随机因素造成导电气体的向下发展方向并不垂直向下。这一段暗淡的光柱是一条 弯曲有分又的折线段，逐逐渐向下方推进，称它为梯级先导或梯式先导，。它向下推进的平 均速度为1 5 1 0 7 c 州s “左右，其变化范围为1 0 x 1 0 7c 朋s 一2 6 x 1 07 o m s “左右。 而单个梯级的推进速度要大得多，一般为5 x i u 。v c m 左右。单个梯级的长度平均为5 0 m 左右，其变化范围为3 - 2 0 0 m 左右。各梯级间的间歇时间平均为5 0 1 , 1s 左右，其变化范围 为3 0 1 2 51 1s 左右。梯式先导的通道直径较大，其变化范围为1 - l o r e 左右。单个梯级较长 也较亮，而后逐渐变短变暗，图1 4 是由高速旋转相机摄取的梯式闪电。 7 南京信息工程太学硕士研究生毕业论文现代建筑堕塑皇三焦皇墨堑塑重皇堕翌 图1 4 由高速旋转相机摄取的梯式闪电 当具有负电位的梯式先导到达离地约3 5 0 m 时，可形成很强的地面大气电场，就会引 发地面产生回击。它实际上是引起地面空气产生向上的流光，这流光于下行的先导相接通， 就形成一个直通云中负电荷区的导电通道，地面电荷就迅速流入这个通道冲向云中，由于 大地是导体，地面电荷全部可集中到通道，所以电流很大，形成很亮的光柱。回击的推进 速度也比梯式先导要快得多，平均为，1 0 。v + c m4 ，其变化范围为 2 0 1 0 8 2 0 1 0 v + c m 。1 左右。回击通道的直径平均为几c m ，其变化范围为o 1 2 3 c m 。回击峰值电流可达1 0 。a 左右。是中和云中负电荷的主要过程。回击通道温度可达 1 0 4 置量级。地闪所中和的云中负电荷绝大部分在先导放电过程中储存在先导的主要通道 和分枝中。回击过程中，地面的正电荷不断把这些负电荷中和掉，常称回击为主放电或主 闪电。由梯式先导到回击完成的第一次闪击，约为几十毫秒又出现第二次放电闪击。这是 由于积雨云中分布的电荷互相被绝缘的空气所隔，这与大地不同，大地是导体，地面上的 电荷可以自由流动，迅速聚集到闪击地点，而积雨云中电荷的迁移聚集到该点需要时间。 待重又聚集到负电中心处后，就可以沿已有离子的原先通道再次放电，这时云中发出的流 光不再是梯式先导那样逐级缓慢推进，而是顺利快捷得多，称之为箭式先导或叫直串先导， 如图1 s ，平均速度为2 0 x 1 0 8 v c m ，变化范围为1 0 1 07 2 1 x 1 0 5 v - c m “左右，当 它到达地面上空一定距离后再次引发地面窜起的回击，组成第二个完整的放电闪击。这样 的放电闪击次数最多可达2 6 次之多( 如图1 6 ) 。当然各地情况不完全一样，有些地方一次 地闪只包含一个放电闪击，称为单闪击地闪。多闪击地闪的各个闪击之间间隔平均为5 0 m s ， 变化范围为3 3 8 0m s 。一次地闪的持续时间平均为0 2s 左右，其变化范围为0 0 1 _ 2s 左右1 2 i 。 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文 现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 图1 5 箭式( 或直窜式) 先导 l i3 雷电参数 雷电放电参数用来描述雷电放电的特性 图1 6 多次闪击 它是进行防雷设计的重要依据。由于雷电放 电过程的随机性，因此描述雷电放电特性的这些参数也具有明显的统计性质。世界上许多 国家都在其典型地区对雷暴进行了长期的观测，累积了丰富的观测资料，并对此进行了统 计处理，得出了雷电放电参数的统计数据。这些参数主要包括雷暴日与雷电小时、地面落 雷密度、雷电流波形、雷电流幅值概率分布、雷电极性等。 1 3 1 雷暴日与雷电小时 ( 1 ) 雷暴日 雷暴日定义为：在一天内只要测站听到雷声则为一个雷暴日，而不论该天雷暴发生的 次数和持续时间。根据一个月、一个季度或一年中某一地区发生的雷暴日数可以定义为月 雷暴日、季雷暴日或年雷暴日。它们在一定程度可以反映对应期间雷暴的活动特征，是目 前工程设计中广为采用的雷暴活动参量。在不同年份观测到的雷暴日数变化较大，一般取 用多年的平均值即年平均雷暴日，我国各地的年平均雷暴日数见表1 1 。 我国是个雷电活动很强的国家，在长江中下游地区年均雷电日在3 0 8 0 天，华南地区 7 0 - 9 0 天，广东及海南地区是1 2 0 天，西南地区是8 0 一i 0 0 天，东北地区是3 5 天以上，其 中大部分地区在2 3 月至l l 1 2 月都可听到雷声。由于雷暴日本身不能反映一天中是只 发生一次短暂的雷暴，几次雷暴，还是持续时间很长的雷暴，因此在使用中有较大的局限 性，不能较具体形象地描述雷暴活动频繁程度。 ( 2 ) 雷电小时 为了区分不同地区每个雷暴日内雷电活动的持续时间差别，可以用雷电小时作为计算 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 单位，即在一个小时内只要听到雷声( 一次或一次以上) 就算一个雷电小时，我国大部分 地区一个雷暴日大约为3 个雷电小时。 表1 1我国一些重要城市的年平均雷暴日 雷暴日数 雷暴日数雷暴日数雷暴日数 地名地名 地名地名 ( d a )( d a ) ( d a )( d a ) 北京市 3 6 ，3 杭州市 3 7 ，6郑州市2 1 4兰州市2 3 6 天津市2 9 3合肥市 3 0 1 长春市 3 5 2 贵阳市 4 9 4 上海市2 8 4太原市3 4 5福州市5 3 0西安市1 5 6 重庆市 3 60 呼和浩特市 3 6 1 武汉市 3 4 2 昆明市 6 34 石家庄市 3 1 2 沈阳市 2 6 9长沙市4 5 6 拉萨市 6 8 9 广卅i 市7 6 ，l厦门市4 7 4南宁市8 46乌鲁木齐9 ，3 吉林市 4 0 5 南昌市 5 64 成都市 3 4 0 海口市1 0 4 ，3 南京市 3 2 5济南市2 5 4台北市2 79香港3 4 0 图1 7 我国年平均雷暴日等值线图( 国家卫星信息中心) 1 0 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 1 3 2 地面落雷密度 对于雷电放电来说，云与云之间的放电次数多于云对地放电次数，而上述雷暴日或雷 电小时对于这一事实没有加以区分。从防雷角度分析，地闪发生的频数是确定地闪对人类 和建筑物的最重要的参数。雷云对地放电的频繁程度，用地面落雷密度来表示，其定义是 每个雷暴日每平方公里上的平均落雷次数。 1 3 3 雷电流波形 世界各国测得的对地放电雷电流波形基本一致，多数是单极性重复脉冲波，少数为较 小的负过冲，一次雷击放电过程常常包含多次先导至主放电的过程( 分别第一次放电和随 后放电) 和后续电流。注意这点，对考核各种防雷保护器通流能力是很重要的。实际是通 过防雷保护器雷电流为一连串的几百微秒波长的脉冲。 k 贝格尔( k b e r g e r ) “。等人在圣萨尔瓦托观测站测得大量雷电流波形图，图 1 8 ，1 9 ，1 1 0 分别为第一次负放电，正极性放电和随后负放电的电流波形，它们之间有 明显的区别。第一次负放电电流波形较长，在峰值附近有明显的双峰：随后放电电流波形 的波头较短，没有双峰，电流陡度远大于第一次放电( 即第一次脉冲) ，而电流幅值约为第 一次放电的一半。随后放电之后，约有一半存在连续的后续电流，至少持续4 0 $ s ，电流从 数十安到五百安。 b 放电时间u = a 放电时间- u s 圈1 8 第一次负放电平均电流波形完整波形：b _ 放大了的波形，下同) - x ” 臻暮孵挈 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文 现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 一，垂j ；一 一 * 二二 一 a 放电时闻- u s 图i 9 整极性放电电流波形图i 1 0 随后负放电电流平均波形 中国电力科学研究院许颖曾讲过：没有一幅雷电流的波形是雷同的。的确如此，但一 份对不同国家的1 2 3 份清晰的波形图进行全面分析证实f 4 】：尽管波形不同却发现始终有相 似的电流上升前沿，也可以用电流幅值到半峰值点来表征雷电流波形，表1 2 给出了这些 分析数据和结果。 表1 2 雷电参量分析( k 贝格尔1 9 7 5 年) 大于表中数值所占百分比 记录次数参量 9 5 5 0 5 8 9 首次负闪t 1 ( “s ) 1 8 5 51 8 1 9 正闪t 1 ( “s ) 3 52 22 0 0 9 0 首次负闪t 2 ( s ) 3 0 7 52 0 0 1 6 正闪t 2 ( 峭) 2 52 3 02 0 0 0 典型的雷电流波形通常用双指数来描述 i ( t ) = k 忙一e 堆) 1 ( 1 ) 式中；i 一为雷电流( 脉冲) 幅值。 综合各国观测结果，一次雷击( 闪电) 有多次雷电流脉冲，一般2 - 3 个，最多记录到 4 2 个，多数是单极性的重复脉冲波。常见雷电流的主要特点是波前时间短，最长只有l o p _ s ； 波形中有一强电流部分，其持续时间约几十微秒；强电流之后便是一个弱电流波尾，其持 续时间可达几百微秒。约8 5 的雷电流( 脉冲) 波头长度在1 - 5us ，平均为2 6 us 。雷电 流( 脉冲) 波长在2 0 3 5 0hs 。 对于雷电流波形的各个量的标志方法各国也不是统一的。1 9 9 5 年的e i c 6 1 3 1 2 1 中的 电瀛幅值 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文 现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 典型1 0 3 5 0 us 和8 2 0 us 雷电流波形。l o 3 5 us 波是直接雷的电流波形，其能量远 大于8 2 0us 波，用这种波型来确定接闪器的大小尺寸。8 2 0us 波是感应雷和传导雷 电的电流波形，用这种波形来检验防雷器件耐雷击能力的一种通用标准。它代表雷电电流 经过分流、衰减的电流波，又是线路静电感应电压波和防雷导体通过雷电流时对其附近电 气导线的电磁感应过电压波“。例如防雷的引下线，建筑物l p z l 区及其内部计算雷电流 的波。 1 3 4 雷电流幅值概率分布 某一次雷击的电流幅值是随机的，对大量实测的雷电流幅值进行统计分析，可得其概 率分布曲线。不同地区的雷电流幅值概率分布是不同的，这主要与地区的纬度、地形、地 貌、气象和雷暴强度有关。 中国电力行业标准d l t 6 2 0 1 9 9 7 2 ，综合了中国几十年观测结果，对雷暴日超过2 0 的地区，雷电流幅值的概率分布推荐为 l g p = 一1 8 8 1 1 9 1 ( 2 ) 式中：p 为雷电流幅值超过i 的概率；i 为雷电流幅值，单位i 【a 。对2 0 雷暴日及以下 地区，概率分布将减小，推荐为l g p = 一1 4 4 ，如图1 1 i 所示。 田1 圃 电 琉1 2 0 幅 值 k a 4 0 0 o 1 02 0 3 04 0 5 0 6 0 7 08 09 01 口d 超建i 。酌百分敷( ) 图1 1 1 雷电流幅值的累计概率曲线 据有关资料介绍，在自然环境中，雷电的能量概率为 9 5 的户外直击雷的电流强度超过1 4 k h ， 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文现代建筑内的电子信鼠系统的雷电防护 5 0 的户外直击雷的电流强度超过3 0 k a ， 5 的户外直击雷的电流强度超过1 5 0 k a ， 2 的户外直击雷的电流强度超过2 0 0 k a 。 1 3 5 雷电流极性 当雷云电荷为正时，所发生的雷云放电为正极性放电，雷电流极性为正，反之，雷电 流极性为负。实测统计资料表明，不同的地形地貌，雷电流正负极性比例不同，负极性所 占比例在7 5 9 0 之间。 1 4 雷电的破坏效应 雷电这种自然界中的强大的放电能够直接击在建筑物或防雷装置上或从建筑物的倒、 旁击在建筑物上危害地面上的建筑物等物体和人、畜生命：但雷电产生的强大电磁脉冲 ( l e m p ) ，具有极大的破坏性。随着现代化进程的加快，特别是信息产业的迅猛发展，自动 控制、通信和计算机网络等微电子设备和电子系统在气象行业内外得到日益增加的广泛应 用，雷击事故带来的损失和影响也越来越大，尤其是在经济发达国家和地区，雷击造成的 电子设备直接经济损失达雷电灾害总损失的8 0 以上。雷电灾害已成为联合国公布的l o 种最严重的自然灾害之一。据有关部门估计，全世界平均每小时发生雷暴2 0 0 0 次，全球每 年因雷击造成的人员伤亡超过1 万人，所导致的火灾、爆炸等时有发生“”。1 9 9 5 年，德国 一保险公司雷电灾害赔款是火灾和水灾的近1 0 倍，高居首位。2 0 0 3 年8 月1 4 日，美国东 北部和加拿大发生大面积停电，其原因可能是闪电击中美国纽约州北部一家电厂并引起火 灾。雷电灾害被列为“电子时代的一大公害”。当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现 特点与以往有极大的不同。可以概括为： 1 、受灾面大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特点是与高 新技术关系最密切的领域，如航天、航空、国防邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、 金融证券等： 2 、从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电 的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无空不入地造成灾害，因而防雷工程己从防直 击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲( l e m p ) 。前面是指雷电的受灾行业面扩大了，这儿指 雷电灾害的空闻范围扩大了。 塑塞笪星三堡查堂堕主翌窒皇兰些丝壅 翌垡垄望宣堕皂王笪皇墨堑堕里皇! ! ! 3 、雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的直接经济损失有时并 不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。 4 、产生上述特点的根本原因是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上c 雷电的本 身并没有变，丽是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应 用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏，这一特点很容易受到无孔不入的 l e m p 的作用，造成微电子设备的失控或者损坏。 为此，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了，雷电的防御已从 直击雷防护到整体系统防护，我们必须站到历史时代的新高度来研究和应用现代防雷技术， 提高人类对雷灾防御的综合能力。 归纳起来，雷电的危害如图1 1 2 所示，它包括直接雷击的危害和雷击电磁脉冲的危 害。 图1 1 2 雷电的危害 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文 现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 第二章现代建筑内的电子信息系统雷击风险评估 对于随机发生的由雷电放电导致的过电压现象，所采取的保护措施很大程度上是建立 在经验的基础之上。在微电子设备应用越来越广泛的今天，设备已被证明比以前更容易遭 受雷电和过电压的破坏。智能建筑物雷电防护办法的选择应当建立在对其内部系统的价值 及其重要性、建筑所处的电磁环境和系统遭受破坏的概率等进行危险性分析的基础之上。 本着“安全第一，兼顾经济”的原则，雷击风险评估为防雷设计工程师提供一个评估雷电 引起重大损失的方法，为其做建筑物防护的意见以及正确选择似的的防护措旎等方面提供 帮助。所以，对智能建筑物的雷击风险评估是进行防雷工程设计前最重要的一个环节。 风险评估是指为了衡量风险而对特定风险做评价和估算的一个过程，雷灾风险评估主 要讨论由于雷电闪击，可能导致人身伤亡或财产经济损失的雷击事故隐患。雷灾风险评估 体系是雷电灾害风险评估的核心问题之一，而评估体系的具体表现是雷灾风险评估模型的 建立。本文目标是围绕直接雷击和间接雷击对信息系统设备安全损害的成因，对评估对象 所处地区的防雷环境充分调查认识，确定雷灾风险的评估的因子和各种雷击损害的概率。 在确定系统所能承受的最大雷灾损害风险值r t 基础上计算出评估对象的实际雷灾风险值r 并进行比较分析。雷灾风险评估是对新建、改建建筑物进行雷电防护工程的指导依据。目 前对雷灾风险评佶的研究基本上仍处于起步阶段。国外。国际电工委员会( i e c ) 和国际电 信联盟( i t u ) 等组织对雷电灾害风险评估做了大量的研究工作并提出了相应的评估标准， 如i e c 6 1 6 6 2 雷击损害风险评估、i t u t k 3 9 标准 建议) 等；国p q 只有上海、广东等少 数地区开展了雷灾风险评估的探索性工作“”“。按照有关防雷规范法规，评估雷灾隐患应 由各级气象主管机构或受其委托的防雷减灾机构负责：各级气象主管机构负责对雷灾隐患 评估统一领导、组织协调和监督管理；重大雷灾隐患应报各级安全生产委员会备案。为科 学、客观地对雷灾风险进行评估，本文结合电子信息系统的自身特点和我国雷暴情况，总 结归纳出一套风险评估程序。使信息系统的防雷工程设计能建立在科学的基础上做到安全 可靠、技术先进、经济合理。 本评估方案的目标是给出一套现代建筑物遭受直击雷击和间接雷击引起的损害风险的 评估程序，在确定损害次数上限值的基础上，为建筑物选择适当的防护措施。考虑到目前 建筑物的发展现状和信息系统配备情况，重点突出在对电子信息系统的雷击风险评估上。 1 6 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文 现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 2 1 评估参数确定 根据i e c 6 1 6 6 2 “a s s e s s m e n to fr i s ko fd a m a g ed u e t o l i g h t n i n g ”、 “p r o t e c t i o na g a i n s tl i g h t n i n g ”等文献中，有如下一些理论方法： 2 1 1 评估方程 在雷电风险评估中常用r 表示实际雷灾风险度，可表示如下： r = ( 卜e “) l 式中，n 为建筑物所在地每平方公里年均雷击次数，与该处落地雷击密度、建筑物性 质、建筑物四周环境和土壤特性有关；p 为每次对建筑物有影响的雷击损坏概率，与建筑 物的特性和建设的防护措施有关；l 为雷击引起的间接损失相对量，与建筑物用途、所涉 人员情况、大众服务设施类型、建筑物中存储物价值和限制损失所采取的措施有关。 令t = 1 ，即在一年时间内。且f = n p o ) 屏蔽效果的因子；k s 3 是有关内部布线特性的一 个因子：k s 4 是有关受保护系统脉冲耐压的因子。 5 、p - 与线路屏蔽特性、与入户线路连接的内部系统冲击耐压以及采取的s p d 有关， 采用s p d 系统时，p w 取p s p d ( 表2 5 ) 和p l d ( 表2 6 ) 之值小者。 表2 6 与线路屏蔽截面s 和设备冲击耐压有关的p 值 u i ( k v ) 无屏蔽r 5 ( 0 i ( i )5 r 1 ( 0 k m )r r 1 ( q k m )r r t 。这种睛况下，无需任何特 殊的防直接雷击或间接雷击的措施。原则上，直接和间接雷击同时出现的概率毕竟较小， 但可以考虑采取些措施以减小影响较大的风险分量。 3 、直接雷击引致的损害风险值r d r t 但r 。r t ，说明现有的建筑物防雷设施不能满足 信息系统设备防御间接雷击的要求，具体应在前面调查分析的基础上找出防雷设施的不足 之处，完善这方面的防护措施，如对入户电源、信号线路的接地保护；安装型号、性能参 数相匹配的浪涌保护器等。 4 、直接雷击引致的损害风险值r d r n 说明信息系统所处建筑物不能满足设备的使用 要求，必须对防雷设施进行改造或重新建设，否则信息系统设备难以保障安全运行。 2 3 4 风险评估举例 某新建网络中心大楼，屋顶和主体结构均为钢筋混凝土材料，建筑物处于城市中，周 围有大量其他高层或小高层建筑物。大楼内有计算机房、楼宇自动控制系统、智能监控系 统、火灾自动报警系统等信息设备，这些重要设备基本上处于l p z 2 区或更高层雷电防护区 内。建筑物长( l ) 3 3 m ，宽( w ) l o m ，高( h ) i b m ，当地平均年雷暴日( t d ) 4 0 天a ，土 壤电阻率2 0 0 q r 。建筑物外引高压电源埋地线缆长5 0 0 m 、埋地信号电缆长2 0 0 m 。电源 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文 现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 线路、信号线路在入户时等电位连接措施、接地措施完善，电源线路已进行了二级雷电过 电压防护。建筑物l p 5 设施设计合理，施工质量良好，引下线相隔宽度l o 米。使用本文所 论述电子信息系统雷灾风险评估办法对建筑物进行风险评估。 建筑物年预计直击雷击次数= n g a d c d i 0 6 = 0 0 2 2 5 ： 建筑物附近的年预计雷击次数n m = n g ( a i 一a d ) - c d i 0 6 = 2 ，9 ( nd s 2 1 5 5 4 4 ) i 0 6 = 0 3 1 9 3 ： 建筑物人户设施上的年预计雷击次数n d = n g a i c d c t i 0 6 = 2 9 e 5 0 0 3 ( 1 8 + 1 0 ) o 8 4 2 0 0 o 5 o 2 x 1 0 6 = 0 0 1 3 6 5 i 雷击线路附近地面的年平均雷击次数n i = 0 。 直击雷击风险值为： r d = n d ( p a + p b + p c ) l d = n d ( p a ( l z l + l t 3 ) + p b ( l f l + l f 2 + l f 3 ) + p c ( l o l + l 0 2 + l 0 3 ) ) = 0 0 2 5 ( 0 0 1 ( 0 0 1 + 0 0 1 ) + 0 0 2 ( 0 0 0 5 + 0 0 1 + 0 1 ) + 0 0 2 ( 0 o l + 0 0 0 1 + 0 0 0 1 ) ) = 0 0 2 5 0 0 0 0 9 2 = 0 0 0 0 0 2 3 间接雷击风险值为： r i = ( n 瑚+ n l p w + n ip z ) l i = ( n m p m + n l p w + n ip z ) ( l 0 4 + l 0 5 ) = ( 0 3 1 9 3 0 0 0 0 0 4 + 0 0 1 3 6 5 0 0 2 ) ( 0 0 0 1 + 0 0 0 1 ) = 0 0 0 0 0 5 7 2 考虑大楼中信息系统的运行情况和服务性质，选择可接受损害风险值为可接受损害风 险类型二的典型数值，即r t = i o 一3 。对比r d 、r i 、r t 可得出；信息系统所处建筑物现有 的雷电防护设施( 包括直击雷击和间接雷击设施) 基本上能满足需求，可保证信息系统的 可靠运行。 假设建筑物未做任何防护措施，计算得直击雷击风险值和间接雷击风险值为： r d = n d ( p a + p b + p c ) l d = n d p a ( l t l + l z 3 ) + p b ( l f l + l f 2 + l f 3 ) + p c ( l o l + l 0 2 + l 0 3 ) ) = 0 2 5 ( 1 ( 0 0 1 + 0 0 1 ) + l ( o 0 0 5 + 0 0 1 + o 1 ) + l ( 0 0 1 + 0 0 0 1 + o 0 0 1 ) ) = 0 0 6 3 7 5 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文 现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 r i = ( n m p m + n l p w + n ip z ) l i ( n 姗) m 十n l p w 十mp z ) ( l 0 4 + l o s ) = ( 0 3 1 9 3 1 - 4 - , 0 0 1 3 6 5 0 9 ) ( 0 0 1 + 0 0 1 ) = 0 0 0 6 9 6 可以看出：r d r t 且r i r t ，说明信息系统所处建筑物无论是直击雷防护措施或间接 雷击防护措施均不能满足信息系统设备的安全、可靠运行要求，必须对防雷设施进行改造 或设计建设，否则难以保证设备的可靠安全运行。 通过对上述傲了雷电防护的建筑物和未做雷电防护的建筑物风险评估结果的对比，可 以看出二者评估结果有明显的差异。在未做雷电防护前其遭受雷电袭击的风险比较大，做 防护后风险度明显减小。可见本文所论述电子信息系统雷灾风险评估方法考虑的问题更全 面、具体，适合于电子信息系统的雷电风险评估。 2 4 结论 论文以上部分针对电子信息系统雷电灾害的特点，在详细分析各种灾害成园的基础上， 通过理论计算，提出了雷电灾害进行风险评估的方法，该方法适合于电子信息系统的雷电 风险评估，可在实际的防雷业务中使用。考虑到对雷电电磁脉冲( l e m p ) 敏感度不断增加 的电子信息系统或弱电系统的研制并大规模投入使用以及由于雷电损害而产生的严重后果 ( 这些后果涉及对公众的重要服务以及对社会可能造成的其他重要环境危害) ，对智能建筑 台有各种智能化子系统这种特殊情况，本文给予了特别的关注。雷电灾害进行风险评估是 雷电防护业务中一项重要而复杂的研究课题，涉及的目前一些国际标准还是技术文件形式， 还有许多问题待深入探讨。 南京信息工程大学硕士研究生毕业论文 现代建筑内的电子信息系统的雷电防护 第三章现代智能建筑及其雷电防护 伴随着计算机的普及和信息产业的发展，在建筑业出现了智能建筑，而随着人们生活水 平的不断提高，智能建筑得到了迅猛发展，并已成为2 l 世纪建筑业的发展主流。报刊上有文 章这样描述：。即将到来的2 1 世纪，建筑界所能提供的大厦将不再是球冷无知的混凝土 建筑物了，代之而起的是温暖人性化的智慧型建筑，脏着信息技术的发展，现代化的建筑 已被赋予思想能力。”4 “智能建筑作为信息商速公路的终点站，已充分表现了它在经济、 文化、科技领域中的重要作用。银行、证券、期货、保险、商场、贸易商社、政府机构、 科研机构、医院、学校、图书馆、体育场馆、机场等，只要是按现代管理方式运作的行业， 它的建筑物都具有智能建筑的要素，全国约有数以干计。 3 1 智能建筑 智能建筑以建筑为平台，兼备通信、办公、建筑设备自动化，集系统结构、服务、管 理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个高效、舒适、便利的建筑环境。当前影响智 能建筑质量的主要原因之一是工程建设标准不完善，在设计、设备选型、设备安装、竣工 验收等缺少标准与规范作为依据。 ( 1 ) 智能建筑的构成 智能建筑是在建筑这个平台上，由三大子系统所构成。建筑平台就是建筑物( 包括环 境) 本身，如果没有这个平台，就无从谈起建筑的智能化。所谓三大系统，是指通信自动 化系统( c a ) 、办公自动化系统( o a ) 、建筑设备自动化系统( b