龙腾光电防雷方案

杭州永联电气技术部PAGEPAGE5直击雷及感应雷防浪涌防护设计方案杭州永联信息电子有限公司二零零七年七月目录TOC\o"1-4"\h\z第一章前言 3雷电放电的危害 3第二章防雷原理 4一、雷击的分类 4二、雷电危害 4三、雷电防护区的划分 8四、雷电对电子设备损害途径 9五、针对此三种途径所进行的防护 9第三章设计依据 12一、设计依据 12二、方案设计原则 12第四章防雷设计方案 14一、直击雷防护 14五、工程验收…………..17六、售后服务…………..17第一章前言雷电是自然界最普遍的大气变异现象,地球每天约有四万多个雷暴中心形成，发生八百万次雷闪放电，平均每秒放电一百次左右，每次释放数百兆焦耳的能量。闪电的起源与大气电场有关。大气电场的变化使空气中的云团形成带电的雷云。雷云中不同部分之间聚集着不同极性的电荷，形成100万伏到100000万伏的高电位，当电位达到一定度时，就会在云团的不同部分之间、不同云团之间以及云团与地面之间产生很强的电场。当空中的电场强度达到2.5～3.0Kv/mm时，将引起空气分子电离，导致空气绝缘被击穿，从而在云与云之间，或云与大地之间产生瞬时强火花放电，形成闪电。雷电放电的危害雷雨云直接通过人体、建筑物、设备等对地放电的雷击现象称直接雷击，直击雷是自然界中强大的脉冲放电过程，直击雷灾害的严重性表现在它具有巨大的破坏性,雷击放电的电量大约在25～100C,雷击点的发热量大约为500～2000J,该热量可熔化50～200mm³的钢材,在雷击通道上产生强大的冲击机械力可达5000～6000N。当发生直击雷时，会对所击中物体造成直接的机械损坏，对人员造成伤亡。此外，雷电还有二次雷击，即感应雷，在一次直击雷后，会在几公里范围的导体上（电源线、信号线等）感应过电压，这些感应过电压会沿线路对建筑物内的设备造成损坏。感应雷造成的损坏虽然与直击雷相较较小，但造成的损坏面较广，近年随着我国现代化建设步伐的加快，高层建筑和微电子设备的大量增加，雷击所造成的损失越来越大。第二章防雷原理雷击是年复一年的严重自然灾害之一。随着我国现代化建设的不断提高，通信、控制等弱电设备越来越多，规模越来越大。一方面大型电子计算机网络，程控交换机组等系统设备耐过电流、耐雷电压的水平越来越低，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波的侵入，致使雷电灾害频频发生。一、雷击的分类雷击一般分为直接雷击和感应雷击。直接雷击——指雷电直接击在建筑物、构架、树木、动植物上，由于电效应、热效应和机械效应等混合力作用，直接摧毁建筑物，构筑物以及引起人员伤亡等。由于直击雷的电效应，有可能使微电子设备遭受浪涌过电压的危害。感应雷击（又称二次雷击）——指雷云之间或雷云对地之间的放电而在附近的架空线路、埋地线路、金属管线或类似的传导上产生感应电压，该电压通过传导体传送至设备，间接摧毁微电子设备。感应雷击对微电子设备，特别是通讯设备和电子计算机网络系统的危害最大，据资料显示，微电子设备遭雷击损坏，80%以上是由感应雷引起的。另外还有操作过电压，即是指当电流在导体上流动时，会产生磁场储存能量，当负载（特别是电感性大的负载）电器设备开关时，会产生瞬时过电压，操作过电压同感应雷击一样，可以间接损坏微电子设备。二、雷电危害近些年来由于高新技术的发展，尤其是电子技术的飞速发展，推动了电子用电设备的普及和应用，其中借助计算机系统进行信息处理、数据处理、自动化控制、网络通讯、设计开发等，大大提高了人们的工作质量和效率。但先进的电子设备包括电子计算机耐受过电压、过电流的能力相对较低，同时也缺乏必要的雷害防护技术措施，另外，在现代高新技术电子产品的生产中大量采用了大规模及超大规模的电子集成电路制造技术，当今电子设备、计算机系统的网络化程度越来越高，如通讯系统、视频、信号、工业自动化控制网络、计算机网络系统等，它们的传输线路，特别是暴露在室外的长距离输送线，以及动力电源输送线路等，都有可能遭受雷击，产生雷击过电压，并侵入设备，将设备击毁。1971年美国通用研究公司R·D希尔用仿真试验建立模式证明：由于雷电干扰，对无屏蔽的计算机当磁感应强度Bm=0.07GS时，计算机会误动作；当Bd=2.4GS时，计算机设备会永久性损坏。人类在1973年将1万个元件安置在1cm2面积上，这标志着进入信息时代，这个面积数值一直在逐渐变小。特别是电子技术从本世纪六十年代的电子管元器件发展到八十年代大型集成电路以来，元件的耐受能量已由0.1~10J降至10―8~10―6J，因而设备损坏率骤然升高。各种设备、元件摧毁能量参见图1。图1由上图可见，尽管雷击干扰数十年变化不大，但电子设备的抗冲击水平在下降，间接导致雷击干扰灾难系数增加。一位奥地利人对其所在地区自1960年~1992年间雷击损失保险理赔件数进行过统计，发现在这33年中，该地区因直接雷击造成的事故（火灾、建筑物破坏等）每年都约为100起左右，而电子设备的损坏却由1960年的931起上升到1992年的23768起！[图2]图2图3图3是慕尼黑TELA保险公司的损害分析，说明雷害损失从1978年到1994年的17年中上升了400%。而德国法兰克福ELELTRA保险公司的统计说明在1994年的灾害赔偿中雷击过电压损失占33.8%，为第一位（图4）。图4这种雷击灾害的损失与我国近年来的情况基本相同。我国城市中的雷击电子设备损害可占雷电灾害总损失的80%以上。鉴于上述原因，IEC61312-1（《雷电电磁脉冲的防护通则》）标准中“引言”称“鉴于各种类型的电子系统，包括计算机、电信设备、控制系统等（在本标准中称之为信息系统）的应用在不断增加，使本国际标准的制定成为必需。这样的信息系统用于商业及工业的许多部门，包括高资金投入、大规模及高度复杂的工业控制系统，对这样的系统从代价和安全方面考虑非常不希望由雷电导致系统运转的停顿。”从传统的避雷观念和认识上也容易把人们对雷害防护的认识引向一个误区。在传统观念上人们普遍认为只要按照国家的建筑物防雷设计规范做好建筑物的防雷措施，如安装好建筑物的防雷装置(避雷针、引下线和接地装置的总称)均压环等，建筑物内外的所有防雷工作就“万事大吉”了。但当雷击现象发生时，建筑物的防直击雷装置非但不能保护好建筑物内的各种用电设备免遭雷击，反而使其遭受雷击的可能性增大，而且建筑物的避雷装置接闪能力越强，遭雷击侵入的可能性就越大。这是因为当雷电击中建筑物避雷装置的避雷针上或击中附近其它建筑物的避雷针时，避雷针引下线就承担起了使雷击入侵电流入地释放的作用，在雷击电流快速的由引下线导入大地时，瞬时间内在引下线上自上而下的产生了一强力的变化磁场，处在这个强力变化磁场作用范围内的所有用电器、信号、电源及它们的传输线路都因相对地切割了这个强力变化磁场的磁力线而产生出感应高压，进而在与地线的低电位之间产生电压差，从而迅速将用电设备击毁。同时，当强大的雷电流导入地网时，由于地网本身有电阻（地电阻），会产生地电位，形成地电位反击，从而击毁设备，在下图中建筑物的内部会受到地电位抬升以及雷电感应的干扰。图5三、雷电防护区的划分按照IEC61312-1及GB50057-94（2000）要求，将要保护的空间划分为不同的防雷区，以规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和指明各区交界处的等电位连接点的位置。各区以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征。防雷区宜按以下分区：1、LPZOA区：直击雷非防护区，本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；本区内的电磁场没有衰减。2、LPZOB区：直击雷防护区，本区内的各物体不可能遭到直接雷击，但本区内的电磁场没有衰减。3、LPZ1区：屏蔽防护区，本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZOB更小；本区内的电磁场可能衰减，这取决于屏蔽措施。4、LPZ2区等：后续防雷区，当需要进一步减小导入的电流和电磁场时，应引入后续雷区，并按照需要保护的系统所要求的环境选择后续防雷区的要求条件。通常，防雷区的数越高，电磁环境的参数越低。在两个防雷区的界面上应将所有通过界面的金属物做等电位连接，并宜采用屏蔽和防浪涌措施。信息系统建筑物防雷区划分一般原则详见图1。四、雷电对电子设备损害途径主要有三个途径：直击雷经过接闪器（如避雷针、避雷带、避雷网等）而直放入地，导致地网地电位上升。高电压由设备接地线引入电子设备造成地电位反击。雷电流沿引下线入地时，在引下线周围产生磁场，引下线周围的各种金属管（线）上经感应而产生过电压。进出大楼或机房的电源线和通信线等在大楼外受直击雷或感应雷而加载的雷电压及过电流沿线窜入，入侵电子设备。五、针对此三种途径所进行的防护1、接闪与接地：大楼通过铁搭钢筋，上端与接闪器，下端与地网连接，中间与各层均压网或环形均压带连接，对进入建筑物的各种金属管线实施均压等电位连接，具有特殊要求的各种不同地线进行等电位处理。这样就形成一个法拉第笼式接地系统。它是消除地电位反击有效的措施。2、均压连接与屏蔽：安装均压环，同时通信电缆线槽及地线线槽需用金属屏蔽线槽，且做等电位连接。其布放应尽量远离建筑物立柱或横梁，通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能与建筑物立柱或横梁交叉。3、分流：进入建筑物大楼的电源线和通讯线应在不同的防雷区交界处，以及终端设备的前端根据IEC61312——雷电电磁脉冲防护标准，安装上不同类别的电源类SPD以及通讯网络类SPD（SPD瞬态过电压保护器）。SPD是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手段。雷电防护是一个全方位工程，其全面防护参见图3。图3：雷电全方位保护第三章设计依据一、设计依据依据国际电工委员会IEC标准、法国NFC标准、德国VDE标准和中国GB标准与部委颁发的设计规范的要求，大楼和大楼内之计算机房、程控机机房等设备都必须有完整完善之防浪涌保护措施，保证该系统能正常运作。这包括电源供电系统、不间断供电系统，电脑网络、卫星通信设备等装置，均应有SPD防护装置保护。设计依据包括有：GB50057-94(2000)《建筑物防雷设计规范》GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB3482-3483-83《电子设备雷击实验》GB50054-95《低压配电设计规范》DL-T613-1997《进口交流无间隙金属氧化物避雷器技术规范》IEC61024-1:1990《标准建筑物防雷》IEC61312-1:1995《雷电电磁脉冲的防护通则》IEC61643《SPD电源防雷器》IEC61644《SPD通讯网络防雷器》VDE0675《过电压保护器》二、方案设计原则严格按照国标颁部标准以及相关的国际标准实施防雷工程。根据电子及电气设备的不同功能及不同受保护程度确定防护要点，作分类保护。第四章防雷设计方案一、直击雷防护根据参考中国气象局及杭州气象局资料，其年平均雷暴日为37.4d/a，根据中华人民共和国国家标准GB50343-2004第3.1条地区雷暴日等级划分；3.1.1地区雷暴日等级应根据年平均雷暴日数划分。3.1.2地区雷暴日等级宜划分为少雷区、多雷区、高雷区，并符合下列规定：1少雷区：年平均雷暴日在20天及以下的地区；2多雷区：年平均雷暴日20大于天，不超过40天的地区；3高雷区：年平均雷暴日大于40天，不超过60天的地区；4强雷区：年平均雷暴日超过60天以上的地区。杭州属多雷区，因此有必要进行全面的防雷击保护，且按三类防雷防护做设计。防雷防护设计分析：防雷级别：三类防雷等级。该水箱为全钢结构，最高点为6M,屋顶长度为20M左右，宽度1、防直击雷的设备及材料应满足的技术参数对直击雷的防范主要是减弱雷电流I的强度和降低雷电流随时间的变化率dI/dt（感应过电压的强度与I×dI/dt成正比）。入地电流应减少到安全水平以下，且无绕击、侧击现象，以有效的场内人员和设备的安全。直击雷防护系统设计方案建筑物防雷可采用直击雷防护装置，它由接闪部分、引下线和接地装置组成，是防止直击雷的有效措施。它们将雷电流经引下线导入地下，从而保护在其覆盖范围内的电气设备、线路和建筑物免遭直击雷击。2、雷电对衡器的破坏雷电的现象是指雷云之间或雷云与地之间迅猛放电的过程，在迅猛的放电过程中，仅会产生强大的雷电流（可达数十至数百KA），还会伴随有强烈的闪光和巨大的声响。这种雷电流具有发生时间短（微秒级的突变）幅值高的特点（几百KA），其瞬间的功率是巨大的，有其特殊的破坏力。2.1直击雷破坏作用直击雷是指雷云之间或雷云对地与地上建筑物的某一点放电。这种雷击的破坏作用主要有：雷电流热效应的破坏作用。强大的雷电流通过被击物时产生巨大的热量，使被击物的温度升高，高达摄氏数千度，致使金属融化，引起火灾。雷电流冲击波的破坏作用。通电导体在电磁场中会受到电磁力的作用，强大的雷电电磁场可使处在其中的导体受力而变形甚至折断。2.2感应雷击的破坏作用感应雷击是指雷电通过静电感应或电磁感应而破坏被击物，主要表现在：2.2.12.2.2由于雷电有极大的峰值和陡度，在其周围形成强大的变化电磁场，处在变化的电磁场中的导体会感应出较大的电压，此感应电压由导线传至较远的电气设备，这种感应电压一般在数千伏级，足以将一些弱电子设备破坏。根据建筑物特征宜采用混合接闪的方式，即ESE型避雷针（提前放电避雷针）与避雷带相结合的方式。提前放电避雷针原理及目的：在雷闪形成以前，即雷云的下行先导向建筑逼近时，提前产生向上行的离子流，拦截雷云下行先导，将雷云中的电荷泄放入地，（即提前接闪）使引下的雷电流大大减小，可保护楼层顶部的电器设备（如天线、卫星接收器等等），同时由于引下电流的减弱，可有效减小由于雷闪造成的空间电磁脉冲对顶层的微电子设备（如电梯机房的控制部分）的影响，及楼层内部微电子设备的影响（如计算机网络及楼宇自动化系统）的影响。避雷带的目的：避雷带为传统的接闪方式，在混合接闪的组合中，设在楼层顶部的女儿墙之避雷带可有效地防止侧击。据根据现场情况接闪方式选用LDY-A6000型避雷针一支。如图避雷针的布置：考虑到整体建筑物的美观性。因此，设计将然基础作接地体，利用立利主钢筋作引下线，可省去大量的钢材及资避雷针安装在主楼中间安装一根避雷针，其支撑高度3m，用无缝钢管支撑。地网：利用大楼的钢筋，而且效果十分理想，根据规范，接地电阻应不大于10Ω（≤10Ω）。分流、接地分流：提前放电避雷针的引下线，至少应与三根上建筑物之防雷主引下线联接