- 防雷方案設計說明
- 直擊雷的外部防護措施
- 感應雷的防護
- 防雷設計依據(jù)
- 接閃器避雷針及其變形產品
- 將接閃器接閃的雷電流安全的導引入地
雷擊是年復一年的嚴重自然災害之一,隨著我國微電子設備內部結構高度集成化(VLSI芯片),從而造成設備耐過電壓、耐過電流的水平下降,對雷電(包括感應雷及操作過電壓)浪涌的承受能力降低。眾所周知,雷電具有極大的破壞性,其電壓高達數(shù)百萬伏,瞬間電流可高達數(shù)十萬安培。
雷擊所造成的破壞性后果體現(xiàn)于下列三種層次：
①設備損壞,人員傷亡；
②設備或元器件壽命降低；
③傳輸或儲存的信號、數(shù)據(jù)(模擬或數(shù)字)受到干擾或丟失,甚至使電子設備產生誤動作而暫時癱瘓或整個系統(tǒng)停頓。
目前,世界上各種建筑、設施大多數(shù)仍在使用傳統(tǒng)的避雷針防雷。用避雷針防止直接雷擊實踐證明是經濟和有效的。但是,隨著現(xiàn)代電子技術的不斷發(fā)展,大量精密電子設備的使用和聯(lián)網,避雷針對這些電子設備的保護卻顯得無能為力。避雷針不能阻止感應雷擊過電壓、操作過電壓以及雷電波入侵過電壓,而這類過電壓卻是破壞大量電子設備的罪魁禍首。每年各種通訊控制系統(tǒng)或網絡因雷擊而受破壞的事例屢見不鮮,其中安防監(jiān)控系統(tǒng)因受到雷擊引起設備損壞,自動化監(jiān)控失靈的事件也常有發(fā)生。安防監(jiān)控子系統(tǒng)中部分前端攝像機設計為室外安裝方式,對于雷雨多發(fā)地區(qū)必須設計安裝防雷電系統(tǒng)。
二、方案設計說明
系統(tǒng)防雷方案包括外部防雷和內部防雷兩個方面:外部防雷包括避雷針、避雷帶、引下線、接地極等等,其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲,將可能擊中建筑物的雷電通過避雷針、避雷帶、引下線等,泄放入大地。內部防雷系統(tǒng)是為保護建筑物內部的設備以及人員的安全而設置的。
通過在需要保護設備的前端安裝合適的避雷器,使設備、線路與大地形成一個有條件的等電位體。將可能進入的雷電流阻攔在外,將因雷擊而使內部設施所感應到的雷電流得以安全泄放入地,確保后接設備的安全。避雷帶、引下線(建筑物鋼筋)和接地等構成的外部防雷系統(tǒng),主要是為了保護建筑物本體免受雷擊引起的火災事故及人身安全事故,而內部防雷系統(tǒng)則是防止感應雷和其他形式的過電壓侵入設備造成損壞,這是外部防雷系統(tǒng)無法保證的。
雷電對電氣設備的影響,主要由以下四個方面造成：
①直擊雷；
②傳導雷；
③感應雷；
④開關過電壓。
直擊雷：是指帶電云層與大地上某一點之間發(fā)生迅猛的放電現(xiàn)象。直擊雷威力巨大,雷電壓可達幾萬伏至幾百萬伏,瞬間電流可達十幾萬安,在雷電通路上,物體會被高溫燒傷甚至融化。通常在建筑物頂部安裝避雷針或避雷網等來防直擊雷。直擊雷其中接近40%的能量將通過建筑物的供電系統(tǒng)分流,其中5%左右的能量通過建筑物的通信網絡線纜分流,其余的雷擊能量通建筑物的避雷針及其他金屬管道、纜線分流。這里的能量分配比例會隨著建筑物內的布線狀況和管線結構而變化。直擊雷波形為10/350us傳導雷(雷電波侵入)：在更大的范圍內(幾公里甚至幾十公里),雷電擊中電力或信息通訊線路,然后沿著傳輸線路侵入設備。其中地電位反擊也是傳導雷中的一種：雷電擊中附近建筑物或附近其他物體、地面,導致地電壓升高,并在周圍形成巨大的跨步電壓。雷電可能通過接地系統(tǒng)或建筑物間的線路入侵雷電延建筑物內部設備形成地電位反擊。
感應雷(雷電波感應)：在周圍1000公尺左右范圍內(有資料為500公尺或1500公尺,距離應隨著雷擊大小和屏蔽措施而變化)。發(fā)生雷擊時,LEMP在上述有效范圍內,在所有的導體上產生足夠強度的感應浪涌。因此分布于建筑物內外的各種電力、信息線路將會感應雷電而對設備造成危害。隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展,精密儀器,通訊設備,數(shù)據(jù)網絡的應用越來越廣泛,因而感應雷造成的雷擊事故也越來越多,除直接造成了巨大的經濟損失外,因重要設備損壞使系統(tǒng)網絡陷入癱瘓后造成間接的損失更是驚人。
三、方案設計思想
(1)直擊雷的外部防護措施
雖然有不少專家學者在努力的研究有效的防止直擊雷的方法,但直到今天我們還是無法阻止雷擊的發(fā)生。實際上現(xiàn)在公認的防直擊雷的方法仍然是200年前富蘭克林先生發(fā)明的避雷針。
A.接閃器避雷針及其變形產品
避雷線、避雷帶、避雷網等統(tǒng)稱為接閃器。歷史上對接閃器防雷原理的認識產生過誤解。當時認為：避雷針防雷是因為其尖端放電中和了雷云電荷從而避免了雷擊發(fā)生,所以當時要求避雷針頂部一定要是尖端,以加強放電能力。
后來的研究表明：一定高度的金屬導體會使大氣電場畸變,這樣雷云就容易向該導體放電,并且能量越大的雷就越易被金屬導體吸引。這樣接閃器的防雷是因為將雷電引向自身而防止了被保護物被雷電擊中?，F(xiàn)在認為任何良好接地的導體都可能成為有效的接閃器,而與它的形狀沒有什么關系。為了降低建筑被雷擊的概率,宜優(yōu)先采用避雷網、作為建筑物的接閃器,如果屋面有天線等通信設施可在局部加裝避雷針保護,這樣接閃器的高度不會太高,不會增大建筑的雷擊概率。避雷網的網格尺寸應不大于10mＸ10m,避雷針應與避雷網可靠連接。
B.引下線
引下線的作用是將接閃器接閃的雷電流安全的導引入地,引下線不得少于兩根,并應沿建筑物四周對稱均勻的布置,引下線的間距不大于18米,引下線接長必須采用焊接,引下線應與各層均壓環(huán)焊接,引下線采用10毫米的圓鋼或相同面積的扁鋼。對于框架結構的建筑物,引下線應利用建筑物內的鋼筋作為防雷引下線。采用多根引下線不但提高了防雷裝置的可靠性,更重要的是多根引下線的分流作用可大大降低每根引下線的沿線壓降,減少側擊的危險。其目的是為了讓雷電流均勻入地,便于地網散流,以均衡地電位。同時,均勻對稱布置可使引下線瀉流時產生的強電磁場在引下線所包圍的電信建筑物內相互抵消,減小雷擊感應的危險。
C接地體
接地體是指埋在土壤中起散流作用的導體,接地體應采用：鋼管直徑大于50毫米,壁厚大于3.5毫米；角鋼不小于50×50×5毫米扁鋼不小于40×4毫米。應將多根接地體連接成地網,地網的布置應優(yōu)先采用環(huán)型地網,引下線應連接在環(huán)型地網的四周,這樣有利于雷電流的散流和內部電位的均衡。垂直接地體一般長為1.5-2.5米,埋深0.8米,地極間隔5米,水平接地體應埋深1米,其向建筑物外引出的長度一般不大于50米?？蚣芙Y構的建筑應采用建筑物基礎鋼筋做接地體。
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(2)直擊雷電流
在電源系統(tǒng)的分配：根據(jù)GB50057-94的標準對直擊雷電流分類：第一類200KA10/350us第二類150KA10/350us第三類100KA10/350us請登陸:輸配電設備網瀏覽更多信息一個能量為200KA的直擊雷,由整個系統(tǒng)的電源、管線、地網、通信網絡線來分擔。以一棟建筑的防雷來講,電源部分承擔其中近45%(100KA),以三相四線為例,每線承擔大約有25KA(10/350us)的雷電流。通信站基本無管道系統(tǒng),不計。地網和通信線路承擔剩余55%的雷電流。由此可見,電源系統(tǒng)對直擊雷的防護非常關鍵。由此可見,直擊雷的內部防護措施應選用10/350us沖擊雷電流的開關型SPD產品。另外,對于個別架空線引入的傳導雷,也應采用上述一級防護措施。
(3)感應雷的防護
前面已提到感應雷是因為直擊雷放電而感應到附近的金屬導體中的,其實感應雷可通過兩種不同的感應方式侵入導體,一是靜電感應：在雷云中的電荷積聚時,附近的導體也會感應上相反的電荷,當雷擊放電時,雷云中的電荷迅速釋放,而導體中原來被雷云電場束縛住的靜電也會沿導體流動尋找釋放通道,就在電路中形成電脈沖。
二是電磁感應：在雷云放電時,迅速變化的雷電流在其周圍產生強大的瞬變電磁場,在其附近的導體中產生很高的感生電動勢。研究表明：靜電感應方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應引起的浪涌。感應雷可以通過電力電纜、視頻線、網絡線和天饋線等侵入,由于電力電纜的距離長且對雷電波的傳輸損耗小,所以由電源侵入的感應雷造成的危害十分突出,按原郵電部的統(tǒng)計約占了雷擊事故的80%。
因此,對建筑物內的系統(tǒng)設備進行感應雷防護時,電源是重點。感應雷還可以通過空間感應侵入通信站的內部線路,雖然經過建筑物和機殼的屏蔽衰減后其能量大為減小,但站內許多電信設備的抗過壓能力也很弱,如果處理不當也可能造成設備故障。
(4)接地匯集線的布置接地匯集線(匯流排)應布置在靠近避雷器的地方,以使避雷器的接地連接線最短,各樓層的分匯集線應直接與樓底的總匯集線相連,這樣能保證實現(xiàn)單點接地方式,當樓層高于30米時,高于30米部分的分匯集線應與建筑物均壓環(huán)相連,以防止側擊。近年來IEC的研究認為：接地匯集線的多重互連是有益的,但部標尚未采納。
(5)等電位連接各種系統(tǒng)的防雷要求種類很多,但其防雷思想是一致的,就是努力實現(xiàn)等電位。絕對的等電位只是一個理想,實際中只能盡量逼近,目前是綜合采用分流、屏蔽、箝位、接地等方法來近似實現(xiàn)等電位
(6)電源避雷器的選擇和應用原則考慮到電源負荷電流容量較大,為了安全起見及使用和維護方便,數(shù)據(jù)通信電源系統(tǒng)的多級防雷,原則上均選用并聯(lián)型電源避雷器。電源避雷器的保護模式有共模和差模兩方式。共模保護指相線-地線(L-PE)、零線-地線(N-PE)間的保護；差模保護指相線-零線(L-N)、相線-相線(L-L)間的保護。對于低壓側第二、三、四級保護,除選擇共模的保護方式外,還應盡量選擇包括差模在內的保護。
殘壓特性是電源。但考慮到我國電網電壓普遍不穩(wěn)定、波動范圍大的實際情況,在盡量選擇殘壓較低的電源避雷器的同時。還必須考慮避雷器有足夠高的最大連續(xù)工作電壓。如果最大連續(xù)工作電壓偏低,則易造成避雷器自毀。電源系統(tǒng)低壓側有一、二、三級不同的保護級別,應根據(jù)保護級別的不同,選作合適標稱放電電流(額定通流容量)和電壓保護水平的電源避雷器,并保證避雷器有足夠的耐雷電沖擊能力。
原則上,每一級的交流電源之間連接導線超過25m以上,都應做該級相應的保護。電源低壓側保護用的電源避雷器,應該選擇有失效警告指示、并能提供遙測端口功能的電源避雷器,以方便監(jiān)控、管理和日后維護。電源避雷器必須具有阻燃功能,在失效、或自毀時不能起火。電源避雷器必須具有失效分離裝置,在失效時,能自動與電源系統(tǒng)斷開,而不影響通信電源系統(tǒng)的正常供電。電源避雷器的連接端子,必須至少能適應25mm2的導線連接。安避避雷器時的引線應采用截面積不小于25mm2的多股銅導線,建議使用25mm2的多股銅導線,并盡可能短(引線長度不宜超過1.0m)。當引線長度超過1.0m時,應加大引線的截面積;引線應緊湊并排或綁扎布放。電源避雷器的接地：接地線應使用不小于25~35mm2的多股銅導線,并盡可能就近與交流保護地匯流排、或總匯流排、接地網直接可靠連接。
四、防雷設計依據(jù)
(1)建筑物防雷設計規(guī)范GB50057-94
(2)電子計算機機房設計規(guī)范GB50174-93
(3)民用建筑電氣設計規(guī)范JGJ/T16-92
(4)計算站場地安全要求GB9361-88
(5)計算站場地技術文件GB2887-89
(6)計算機信息系統(tǒng)防雷保安器GA173-1998
(7)雷電電磁脈沖的防護IECI312
(8)微波站防雷與接地設計規(guī)范YD2011－93
(9)通信局(站)接地設計暫行技術規(guī)定YDJ26E9
五、綜合防雷方案設計
a)前端設備有室外和室內安裝兩種情況,安裝在室內的設備一般不會遭受直擊雷擊,但需考慮防止雷電過電壓對設備的侵害,而室外的設備則同時需考慮防止直擊雷擊。
b)前端設備如攝像頭應置于接閃器(避雷針或其它接閃導體)有效保護范圍之內。當攝像機獨立架設時,避雷針最好距攝像機3－4米的距離。如有困難避雷針也可以架設在攝像機的支撐桿上,引下線可直接利用金屬桿本身或選用Φ8的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應,沿桿引上攝像機的電源線和信號線應穿金屬管屏蔽。
c)為防止雷電波沿線路侵入前端設備,應在設備前的每條線路上加裝合適的避雷器,如電源線(220V或DC12V)、視頻線、信號云臺控制線。
d)攝像機的電源一般使用AC220V或DC12V。攝像機由直流變壓器供電的,單相電源避雷器應串聯(lián)或并聯(lián)在直流變壓器前端,如直流電源傳輸距離大于15米,則攝像機端還應串接低壓直流避雷器。
e)信號線傳輸距離長,耐壓水平低,極易感應雷電流而損壞設備,為了將雷電流從信號傳輸線傳導入地,信號過電壓保護器須快速響應,在設計信號傳輸線的保護時必須考慮信號的傳輸速率、信號電平,啟動電壓以及雷電通量等參數(shù)。
f)室外的前端設備應有良好的接地,接地電阻小于4Ω,高土壤電阻率地區(qū)可放寬.
