智能建筑信息系统防雷击电磁脉冲浅析

1、智能建筑信息系统防雷击电磁脉冲浅析2004-9-21万晓雷击电磁脉冲是指雷电直接击在建筑物防雷装置和建筑物附近所引 起的效应。它是一种干扰源，绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷 电流或部分雷电流、被雷击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰。 这种干扰是一种能量脉冲， 它既可以以过电压形式出现， 也可以以过 电流或电磁辐射形式出现。 因此，雷击电磁脉冲不完全是过电压问题， 而是一种能量冲击，因此又将其称为“电涌” (Surge) 或“浪涌”， 它对供配电系统中电气设备的绝缘威胁不大， 但对用电设备中的信息 系统设备的正常工作影响甚大。 随着建筑智能化趋势的迅猛发展， 大 量先进的电子 信息设备正日

2、益广泛地应用于各类建筑物内。 由于电子设备中集成电 路器件对雷电暂态过电压的耐受能力很低，对雷电电磁干扰极为敏 感，它们在遭受雷击电磁脉冲效应的侵害后， 很容易发生工作失灵或 永久性损坏，从而严重威胁到信息系统的安全可靠运行。因此，切实 做好智能建筑信息系统雷击电磁脉冲的防护工作，就显得尤为迫切。 我国建筑物防雷设计规范 (GB5005794)(2000 年版) 中第六章已 全新增补了该部分内容。一、雷击电磁脉冲侵害信息系统的主要途径及危害 从实际雷害事故的调查情况来看，雷直接击中信息网络的可能性不 大，危害信息系统安全可靠运行的主要原因是雷击电磁脉冲效应。 这 种雷击电磁脉冲效应所产生的暂态

3、高电位和电磁脉冲能够以传导、 耦 合感应和辐射等方式沿多种途径侵人室内信息系统。就具体情况而 官，雷击电磁脉冲侵害信息系统的主要途径有以下几种：1) 直接击中信息系统所在建筑物防雷装置，引起防雷装置各部位 (引 下线及接地体 ) 暂态电位的急剧升高，导致对电子信息设备的反击。2) 雷击电磁脉冲在输电线路上产生感应过电压， 并沿电源线侵人信息 系统。3) 雷击电磁脉冲在信号线路上产生感应过电压， 并沿信号线侵入信息 系统。4) 雷击电磁脉冲从空中直接辐射至电子信息设备。 实验及理论研究都表明，无屏蔽架空线上的感应电压可达10-20kV，即使在相距3km处发生对地雷击，在一般的通信线上也可能产生出

4、高 于 lkV 的感应过电压。 埋设在地下的电缆也同样会出现雷电感应过电 压，例如当人地雷电流为5kA时，在入地点附近5-10m处的无屏蔽电 缆上，一般可以感应出5-7 . 5kV的高电压。国外的研究还发现，对 雷击时出现的空间脉冲磁场，当其磁感应强度达到0. 07X 10-4T时, 无屏蔽措施的计算机即发生误动；当其磁感应强度超过2. 4X 10-4T时，无屏蔽措施的计算机即发生损坏。也就是说，按简单的安培环路 定律来估算(考虑位移电流的影响)，在距离无屏蔽计算机800m处落 一个100kA的雷时，该计算机会发生误动；在距离该计算机83m处落 同样的雷时，该计算机就会被损坏。二、智能建筑防雷

5、击电磁脉冲的系统措施在建筑物内， 由于信息系统中各电子设备的重要性不同， 它们所处的 电磁环境不同，对它们所采取的具体防雷击电磁脉冲措施也应是有差 别的。一个信息系统是否需要防雷击电磁脉冲，需要采取哪些措施， 应在完成直接、 间接损失评估和建设、 维护投资预测后认真分析综合 考虑，做到安全、适用、经济。防雷击电磁脉冲的系统措施有屏蔽、 接地、等电位连接和设置电涌保 护器等。前两者属于主动性 （或预防性 ）措施，其作用在于消除电涌的 发生或减轻电涌发生的程度； 而后两者属于被动性措施， 是在电涌已 经发生的情况下减轻电涌的危害。1屏蔽屏蔽是减少电磁干扰的基本措施。 根据电磁场理论， 屏蔽是利用屏

6、蔽 体来阻挡和减小电磁能量传输的一种技术。这种屏蔽体可做成板式、 网状式以及金属编织带式等， 其材料可以是导电的、 导磁的和介质的， 也可以是带有金属吸收填料的。 为减少电磁干扰的感应效应， 应在需 屏蔽的建筑物或房间外部设屏蔽措施， 并以合适的路径敷设线路和进 行线路屏蔽。以下是一些基本的屏蔽措施：11 建筑物的自然屏蔽 建筑物（特别是现代高层建筑物 ） 的钢筋结构中含有许多金属构件， 如 金属屋面、金属网格、混凝土钢筋、金属门窗和护栏等，在建造建筑 物时，将这些自然金属构件在电气上连接在一起， 就可以对建筑物构 成一个立体屏蔽网。 这种自然屏蔽网虽然是格栅稀疏的， 但毕竟能对 外部侵入的雷

7、击电磁脉冲形成初级屏蔽，使之受到一定程度的衰减， 从而有助于减缓对内部信息系统屏蔽要求的压力。 例如，将建筑物中 的布线井四壁内的结构钢筋每隔一定距离（一般不大于10m）故一圈电 气连接，就可起到对布置在井中的线路的初级屏蔽作用。12 电源线和信号线的屏蔽 从防雷角度来看，在建筑物内的所有低压电源线和信号线都应采用有 金属屏蔽层的电缆，没有屏蔽的导线应穿过钢管， 即用钢管屏蔽起来。 建筑物防雷设计规范 （2000 年版）第 631 条规定“在分开的 各建筑物之间的非屏蔽电缆应敷设在金属管道内”。13 仪器和设备的屏蔽 通常，凡是含有对电磁脉冲干扰敏感的微电子设备和仪器， 特别是那 些高精尖的信

8、息处理设备， 都应采用连续的金属层加以封闭起来， 进 入仪器及设备的电源线和信号线以及它们之间的传输线均应采用屏 蔽电缆或穿金属管进行屏蔽。 对于那些起关键性作用的仪器或设备群 应考虑放在屏蔽室里， 这些设备应避免靠近顶角布置， 该屏蔽室应避 免靠近顶层。2接地建筑物防雷设计规范 （2000 年版）第 633条规定：“每幢建 筑物本身应采用共用接地系统”； “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，”。同时应保证接地 电阻值符合规范要求。3等电位连接在防止建筑物内信息设备遭受雷电暂态高电位反击方面， 等电位连接 起着十分重要的作用。 建筑物防雷设计规范 (200

9、0 年版)第 634 条规定：“穿过防雷区界面的所有导电物、电力线、通信线均应在界 面处做等电位连接”。4电涌保护器的设置电涌保护器 (SPDSurgeProteetiveDeviee) 又称浪涌保护器 ( 以前曾 被称为浪涌过电压保护器 ) ，是一种限制暂态过电压并分走电涌电流 的器件，主要在低压配电系统和信息系统中，用于对雷电过电压、操 作过电压、雷击电磁脉冲或电磁干扰 (M1) 脉冲的防护。41 电涌保护器的主要参数4. 1. 1最大持续运行电压Uc：它等于电涌保护器的额定电压。412 通流容量：它是一组参数，包括标称放电电流 In 、冲击电流limp、"级分类试验的最大放电电

10、流Imax等。4. 1. 3电压保护水平Up： Up又称残压，它应低于被保护设备的冲 击电压。4. 1. 4漏电流IL : IL表明了在正常工作时通过 SPD世露能量的程度，一般SPD的 IL应被控制在50-100uA。4. 1. 5响应时间：是指在标准试验条件下，从电涌激励开始至 SPD 响应为止之间的时间，一般为 ns 级。4. 1. 6使用寿命：是指通过标称放电电流 In 而不致损坏的次数 N1，和通过最大放电电流Imax而不致损坏的次数N24. 2 电涌保护器的分类421 从用途分类：从用途上可分为三大类：保护电源系统用SPD、保护信号系统用SPD和保护天馈线系统用SPD保护电源用SP

11、D-般 并联在系统中，而保护信号和天馈线的 SPD常会串联在系统中。422 从工作原理和性能上分：也分为三类，即电压开关型SPD、限压型SPD和组合型SPD电压开关型SPD放电能力强，残压较高， 测试该器件一般用 10350us 的模拟雷电冲击电流波形， 它满足建 筑物防雷设计规范 第 64.7 条的有关规定，一般安装在建筑物 LPZ0 与 LPZl 区的交界处作一级保护，可最大限度疏导 10350us 的雷电 冲击电流。限压型SPD的残压较低，测试该器件一般用8/20us的模 拟雷电冲击电流波形， 它一般安装在 IPZl 及后续区域中。组合型 SPD 的特点是响应快，但能承受的标称放电电流较低，只有1020kA。43 电涌保护器设置的一般原则4. 3. 1在电源总进线处应安装 SPD即在LPZO印与IPZI区交界处， 若有线路从室外引来，应安装符合I级分类试验的SPD因为I级分 类试验采用了雷电冲击电流limp(10 /350us)，而此处SPD的作用主 要是泄放雷电能量。H级分类试验的产品未采用 limp作试验，不能 用于泄放较大的雷电冲击电流。4. 3. 2按上述要求设置SPD后,若有设备因距离SPD安装位置较远， 使得SPD保护水平加上引线电感电压再考虑行波及反射的情况下不 能对其有效保护时，应在该设备处再安