火灾自动报警系统的雷电防护.doc

苏州工业园区科佳自动化有限公司火灾自动报警系统的雷电防护引言 近年来，随着计算机及自动控制技术日新月异，使得以先进的大规模集成电路为核心组件的监控、计算机等电子产品广泛应用于火灾自动报警系统中，这些电子设备普遍存在着绝缘强度低、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其附近区域雷击，雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过电源线、通信线、控制线、金属管道和空间辐射等途径侵入建筑物内，威胁室内电子设备的正常工作和安全运行，轻则造成火灾自动报警系统出现误报警、乱报警等非正常工作状态，重则使得系统永久性损坏，严重时还可能造成人员伤亡。 通过对消防系统雷击事故的调查研究，发现除了设备的主、备电源受损外，报警控制板、显示屏和通讯设备都遭到不同程度的损坏，如果因为火灾自动报警系统的损坏，而影响了对火灾的报警，其后果更是不堪设想。从调查的结果来看，其原因是部分火灾自动报警系统的设计者对幅值高、能量大的雷电侵害缺乏有效的防护措施，而应用者对于专业的雷电防护也是知之甚少，让本可避免雷电乘虚而入造成破坏。因此，研究解决火灾自动报警系统的雷电防护问题，是解决目前火灾自动报警系统自身安全可靠的迫切需要。1 火灾自动报警系统雷电防护措施 火灾自动报警系统雷电防护工程是一个系统工程，应按照“综合治理、层层设防”的原则，从直击雷到感应雷进行全方面的雷电防护。1.1 电源系统的防雷措施 结合消防的供配电要求，属于一类防火建筑的消防控制室、水泵、电梯、防排烟措施、自动报警、自动灭火装置、火灾事故照明、疏散指示标志和电动的防火门窗、卷帘、阀门等消防用电为一级负载，一般应有两个独立电源供电，如图1 所示。 参照上图在雷电防护设计时，按国家防雷规范和火灾自动报警系统自身的特点，一般按常规电涌保护器需要采取三级防护措施，才能达到多级分流，逐级降压的目的，实现电涌保护器的限制电压能在火灾自动报警系统设备耐受的范围之内。1.1.1 交流电源第一级的防护 变压器后端到楼宇总配电室加电源SPD 作一级防护。相关产品的技术参数要求为：在城市中雷区低压电缆引入配电室处，应具有标称放电电流不小于20kA 的限压型SPD；地处在多雷区、强雷区应具有标称放电电流不小于40kA 的限压型SPD；当建在郊区，地处中雷区以上，应安装标称放电电流大于60kA 的限压型SPD；限制电压小于4.0kV。1.1.2 交流电源第二级的防护 楼宇总配电室至消防水泵、控制室、电梯、照明等配电盘作二级防护措施。SPD 标称放电电流取值不小于20kA（8/20us），限制电压小于2.5kV。1.1.3 交流电源第三级的防护 重要的精密设备如消防控制室的控制器和显示器、计算机主机、消防通讯设备、应急广播等装置的UPS 电源前端加装三级SPD。标称放电电流取值不小于10kA（8/20us），限制电压小于1.0kV。1.1.4 直流电源的防护 对于直流供电系统的电源 SPD，其标称放电电流不小于5kA，动作电压不应小于1.5 倍直流系统额定电压。1.1.5 安装电涌保护器需注意的问题 火灾自动报警系统的主电源保护开关不应采用漏电保护器，控制器的电源引入线应直接与消防电源连接，严禁使用电源插头，因此在控制器前端不应使用电源插座型避雷器。 在双电源供电系统及备用柴油发电机组和其它应急电源，为了保证系统供电可靠性及雷电、投切过电压对电子设备的损坏，都应按上述原则装设SPD 予以保护。1.2 信号系统的防雷措施火灾自动报警系统的信号线路主要有报警线、通讯线、广播总线、电话总线、及联动控制线，为了防止雷电电磁脉冲从信号线路侵入系统，必须在线路上加装SPD 予以保护。下面以海湾安全技术有限公司的产品为例，就SPD 性能参数的选择进行分析。1.2.1 报警线路的防护 报警线路主要是将探测器感测到的信号传输到控制器供其决策，GST108 型控制器其探测回路技术参数为：输出电压：总线24V，允许范围：20V28V；静态电流：2.4mA；报警电阻范围：150470；所以 SPD 的最大持续工作电压应大于28V 的20%以上，标称放电电流大于3kA，在测试波形为6kV/3kA（8/20us）下，限制电压最优应低于2.5 倍正常工作电压，还要考虑接入电阻插损的要求。1.2.2 联动控制线路的防护 联动控制线是将控制系统发出的控制信号传递给输出控制模块，从而控制消防设备的启动或停止，同时向消防控制中心传送消防灭火设备动作与否的回答信号。由于消防控制总线较长，易感应雷电过电压；另外受控继电器的状态翻转或瞬态跳动也易产生过电压，因此输出控制模块应予以保护。SPD 参数的选择应根据具体的控制模块技术参数而定， GST108 型控制器其触点输出容量1A，电压DC24V，那么SPD 的最大持续工作电压值可选30V，最大持续工作电流应大于1A，插损应小于0.5dB。1.2.3 消防电话总线的防护消防电话的主机属于精密电子产品，并在电梯机房、水泵房、配电房、电梯门口等重要的地方安装固定式分机，并在每一楼层安装一个或多个电话插座，其接线示意图如图2 所示，为了保护电话主机，在电话主机输入端应装设SPD。GST-TS-Z01A 型消防电话主机技术参数为：工作电压DC24V ，允许范围DC20VDC28V；馈电输出总线电压DC24V；最大输出电流0.25A 等。选择SPD 最大持续工作电压大于30V，最大持续工作电流大于0.3A，标称放电电流大于500A，限制电压小于60V 及插损小于0.5dB。1.2.4 消防广播线路的防护 以海湾安全技术有限公司LD-8305 编码广播切换模块为例，其用于总线制消防广播系统中正常广播和消防广播间的切换。模块对两路同时切换，可接收外来回答信号，也可在换到消防广播后进行自回答并将切换信息传回火灾报警控制器以表明切换成功。模块在总线制消防广播系统中的应用方法如图3所示。 由于广播音箱暴露于LPZ0B区并且背景广播和消防广播线都较长容易感应雷电过电压，所以应在编码广播切换模块处和广播设备主机处装设SPD予以保护，对LD-8305模块来说，其广播音箱的输入信号为120V定压输入，那么SPD的最大持续工作电压值取180V，SPD标称放电电流大于1.5kA（8/20us），插入损耗小于0. 5dB 。1.2.5计算机、通讯端口SPD参数的选择接口形式RS232，网络标称电压12V，标称放电电流500A，限制电压18V，插损0.2dB。接口型式RS485，网络标称电压6V，标称放电电流500A，限制电压9V， 插损0.2dB。1.3 屏蔽 火灾自动报警系统的电子设备中大量采用半导体器件和集成电路，这些电子和微电子元器件是十分脆弱的。雷电电磁脉冲可以在电源或信号线上感应出暂态过电压波，也可以直接辐射到这些元器件上，使电子设备工作失灵或损坏。利用屏蔽体来衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施，电子设备常用的屏蔽体有屏蔽室的外部金属网、设备的金属外壳和电缆的金属护套等。1.3.1外部屏蔽对于消防系统的心脏消防控制室一般应设在高层建筑物的低层中心部位，应首先利用建筑中的结构钢筋与金属门窗框初步构成一个带门窗开口的屏蔽笼，另外在门窗上分别加装金属网并与门窗框实施有效的电气连接，这样就成为一个完整的屏蔽笼，构成对电磁脉冲辐射的初级屏蔽，如图4所示。1.3.2设备屏蔽 消防控制室内对电磁脉冲敏感的电子设备都应采用金属外壳加以屏蔽起来，在各个设备之间的信号连线要采用屏蔽电缆,或采用穿金属管进行屏蔽，信号电缆的屏蔽层与设备的屏蔽体具有良好的电气连接，使它们构成一个完整的屏蔽体系，再将消防控制室内电子设备金属外壳用最短导线与等电位连接带连接。1.3.3 电源线和信号线屏蔽 火灾自动报警系统的电源线和消防联动控制、自动灭火控制、通讯、及应急广播等信号线路在阻燃的要求上还应采用金属屏蔽层电缆或穿铁管、槽加以屏蔽，并宜敷设在非燃烧体结构内。1.4 接地 火灾自动报警系统的接地电阻应符合下列要求：采用共用接地装置时，接地电阻不应大于1；采用专用接地装置时，接地电阻不应大于4。同时，系统应设置专用接地干线由消防控制室接地端子板引至接地极。 将火灾自动报警系统的电子设备与防雷接地共用一个接地系统是比较容易实现的，不过将电子设备与防雷接地共地，杂散电流可通过电路的耦合对电子设备形成干扰。有些消防产品生产厂商要求电子设备与防雷接地分开，采用许多复杂的隔离和绝缘措施将电子设备的接地线引出到20m 以外的地方单独接地。然而由于城市建筑物的不断扩建，在施工中很难做到分开接地。为此，笔者认为可以在电子设备单独接地的地线处用瞬间等电位连接器与建筑物的总接地网连接。当建筑物遭受雷击时，其地电位抬高导致瞬间等电位连接器放电，从而使电子设备与建筑物接地网达到大致相等的电位水平；在正常情况下，瞬间等电位连接器将两个接地分开，有利于抗干扰。2 小结 火灾自动报警系统是比较精密的电子系统，尽管有些消防厂家生产的产品具有一定的干扰抑制技术，但对于雷电这高能量、大电流来说根本无济于事，然而在进行合理的系统防雷工程设计时，还存在一些问题。像SPD 一般的保护电路如图5 所示，其中ZL 对电感有一定的要求外，其电阻部分也十分重要，即使输入电压非常缓慢的增长到电涌保护器的启动电压时，瞬态抑制二极管也不会遭到破坏。那么在进行工程设计时，是不是每个探测器及一些输入输出模块都要装设SPD 呢？火灾自动