论建筑物电子信息系统综合防雷技术.doc

建筑物电子信息系统综合防雷技术第一节 概 述一、雷电是发生在因强对流天气而形成的雷雨云层间和雷雨层与大地之间强烈瞬间放电现象。当今还没有一个完整理论可以将全部雷电现象解释清楚。目前的办法是将不同理论综合起来，尽可能完善地解释各种雷电想象。二、雷电的形成1、 雷电形成的三个条件：空气中必须有足够的水汽；有使潮湿水气强烈持久上升的气流；有使潮湿空气上升凝结成水珠或冰晶的气象、地理条件。2、 带电云层形成的基本过程：潮湿水气在强烈上升的过程中凝结成小水滴，水滴在运动过程中相互碰撞、摩擦，产生电荷，在碰撞时水滴分裂，大水珠带正电荷，小水珠带负电荷由上升气流推向云层上部，在大气电场的极化作用下，云层上部带负电荷，下部带正电荷、形成带不同电荷的云层。3、雷电的形成的基本理论：1）、雨滴分裂作用理论当潮湿水气上升到高空，由于高空气温较低，产生凝结，在上升气流运动过程中逐渐增大形成小水滴。由于上升气流的不稳定，水滴在运动过程中相互摩擦、碰撞、分裂形成大小不等的水珠，大水珠带正电荷，小水珠带负电荷，小水珠容易被上升气流带到上层云层，大水珠则留在下层或降落到地面，这样便形成了电荷的分离过程。当带电荷云层逐步积累到足够的电荷量时，便产生闪电现象，形成雷电。实验证明：、水滴分裂时确实是大水珠带正电荷，小水珠带负电荷；、分裂水滴所需气流的速度为38m/S，正是雷云中上升气流的速度。2）、电场极化理论距离地面80公里以上的电离层具有一定的导电能力，而且是带正电荷的，而大地是带负电荷、形成比较稳定的大气电场。因此，电离层和地这两个带电导体中间被不导电的大气所绝缘，形成一个电容器。使处于其中的任何导体上端带负电荷，下端带正电荷，（云层也是如此）既发生极化。此外，近地大气中还常有一定量的离子，其中正离子较重（约为电子的2000倍）不大活动，而负离子则活动性较大，在大气电场的作用下，负离子向上运动，正离子向下运动形成上负下正离子层；另外，空气中水滴分裂后形成上负下正的带电云层，进一步被大气电场极化，这些云层电荷量逐渐积累增多，达到了足够的能量时，便产生闪电现象，形成雷电。三、雷电的危害自然界的雷击分为直击雷和雷电感应高电压及雷电电磁脉冲辐射（LEMP）两类。1、直击雷直击雷是雷雨云对大地和建筑物的放电现象。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、室外电子设备、击死击伤人、畜等造成局部材产损失和人、畜员伤亡。2、电感应高电压及雷电电磁脉冲（LEMP）雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲是由于雷云层之间和雷云与大地之间放电时，在放电通道周围产生的电磁感应、雷电电磁脉冲辐射以及雷云电场的静电感应、使建筑物上的金属部件、管道、钢筋、和由室外进入室内的电源线、信号传输线、天馈线等感应的雷电高电压，通过这些线路以及进入室内的管道、电缆、走线桥架等引入室内造成放电，损坏电子、微电子设备。3、因为直击雷和雷电感应高电压及雷电电磁脉冲的入侵通道不同，其次是由于被保护的系统屏蔽差、没有采取等电位连接措施、综合布线不合理、接地不规范、没有安装浪涌保护器SPD或安装的浪涌保护器不符合相关规范的要求等，使雷电感应高电压及雷电电磁脉冲入侵概率大大提高，损坏相应的电子、电气设备。全国每年因雷电造成的损失高达数十亿元、因此雷电灾害必须防治。四、雷电灾害防治的基本方法1、直击雷和雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲（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。2、但是无论多么完善的避雷针（带），对雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲的防护都无能为力，因为雷电感应高电压以及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，损坏相应的电子、电气设备。3、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、通信技术的高速发展和日益普及，雷电感应高电压以及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防雷的实际需求。4、为了确保电子信息设备正常工作，近年来雷电防护也由富兰克林式避雷针防直击雷发展到综合防雷工程的新阶段。综合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、设计安装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造成电子设备失灵或永久性损坏。5、雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲的防护是在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、过电流以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。6、目前防雷器主要由气体放电管、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、信号线系列浪涌保护器（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、浪涌保护器就能对雷电进行有效的防护。7、我们既要防止直击雷，依靠合格的避雷针、带、网系统；也要防止雷电雷电感应高电压及雷电电磁脉冲，二者有机结合，相互补充，构成一套完整的现代综合防雷体系，才能有效地防止雷击事故,减少雷击灾害，保护建筑物、设备和人身安全。第二节 国内外防雷技术概况一、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。当雷击发生时，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。从实践中总结出一套综合防雷理论指导防雷工程工作、使我国防雷技术在世界上处于领先地位，达到一个新的水平。将雷电灾害的损失降低到最低限度，达到保护人身安全以及建筑物、电子、微电子设备之目的。四川中光公司于1993年在重庆召开的首届全国雷电防护工作会议上率先提出：“综合防雷理论”。经过全国防雷界十多年的实践和不断完善，现在以被我国乃至国际防雷界认可和指导防雷工程工作。实践正明“综合防雷理论”是雷电防护学最重要、最科学的总结。三、国内外防雷产品：1、防直击雷产品；各类避雷针装置；2、防雷电感应产品；电源、天馈、信号线系列浪涌保护器（SPD）；3、接地产品；低电阻接地模块、电解质接地棒、金属接地极等；四、产品工作原理：国内外产品基本原理相同。1、过电压保护；2、过电流保护；五、国内防雷市场上主要销售的产品有：1、国外：美国、德国、英国、法国等主要国家的产品；2、国内：主要有中光等公司生产的避雷针、SPD系列产品和接地产品。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、技术先进、优化设计、多重保护、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、设计安装浪涌保护器（SPD）的技术等六大综合防护技术进行设计。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、多雷区、高雷区、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：多雷区。3、 年雷暴日平均值在40天以上60天以下的地区定为：高雷区。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。见表4.1（雷击风险评估方法见附录A）。表4.1 电子信息设备对LEMP防护等级的选择LEMP防护等级电 子 信 息 设 备A级国家级、省部级、国际通信枢纽以及其他重要的信息系统的电子信息设备如：大型计算中心、移动基站、通信枢纽、大型医疗电子设备B级省部级以下各部门、各行业设置的比较重要的电子信息设备如：智能建筑物内通信、安全监管，火灾自动报警与消防联动等中型医疗电子设备C级对LEMP比较敏感、价值较高的电子信息设备如：建筑物内有线广播、闭路电视、家用电器等D级除上述A、B、C级以外一般用途的电子信息设备第五节 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、 建筑物按综合防雷措施要求设置防雷系统，如下图1所示。图1：建筑物综合防雷系统外 部 防 雷 措 施内 部 防 雷 措 施屏 蔽屏 蔽 （ 隔 离 ）浪涌 保 护 器（SPD）GB5005794 IEC61312 IEC60634 相关国家及行业标准 IEC61643 IEC61024 接闪器（针、网、带、线）引 下 线接 地 装 置合 理 布 线等 电 位 连 接共 用 接 地 系 统1、 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，确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。第六节 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。2、防直击雷装置，在使用时应严格执行国标建筑物防雷设计规范的要求，避雷针必须按滚球法计算保护范围和高度。二、 一类防雷建筑，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、高度一类超过30m，二类超过45m，三类超过60m应采取防侧击雷措施。六、直击雷防护可优先选用中光优化避雷针，优化避雷针有降低雷电流幅值、陡度衰减倍率K33、减小感应雷击的作用。第七节 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外，埋设人工垂直接地体和水平环形接地体。7、 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要求的最小值确定。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0.8m。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、当信息系统机房所在地土壤电阻率大于1000m时，宜在建筑物散水坡外埋设环形人工辅助接地网，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，宜采用多支线外延加长接地装置，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。接地装置应优先选择中光低电阻非金属接地摸块，低电阻非金属接地摸块非常适合高土壤电阻率的土壤、腐蚀性较强的土壤、高寒冻土地区使用。第八节 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。（磁场衰减计算见附录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，并进行等电位连接接地。3）、建筑物之间的互连电缆，应敷设在金属管道内。金属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）、建筑物电气线路的主干线，应敷设在建筑物的电气竖井内，并应避开作为防雷引下