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摘 要:本文着重对接地系统和电子设备防雷系统设计作了详细的阐述, 以确保智能建筑系统设备的可靠运行。
关键词: 智能建筑; 防雷设计; 接地系统; 浪涌保护器;
Abstract: This paper is described docking system design and electronic equipment lightning protection system in detail, in order to ensure reliable operation of intelligent building system equipment.
Keywords: intelligent building; lightning protection; grounding system; surge protector;
中圖分类号： F407.9文献标识码：文章编号：
1、引言
智能建筑的最大特点是内部配备了大量的弱电系统,这些弱电系统分别是计算机网络系统、CATV与卫星电视接收系统、闭路电视系统、电话通信系统、安全防范与公共管理系统、火灾自动报警与自动化控制系统、综合布线系统等。由于弱电设备普遍存在着绝缘程度低,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发生雷击,雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过供电线、综合布线系统、金属管道和空间辐射等多种途径侵入建筑物内,威胁室内弱电设备的正常工作和安全运行。如果保护措施不当,这些雷害轻则使弱电设备工作失灵,重则使弱电设备永久性损坏,严重时还可能造成人员伤亡。智能建筑的防雷保护成为一个越来越重要的课题摆在我们面前。
2、防雷接地系统设计
该系统主要包括两个部分: 接地系统和电子设备防雷系统。
2.1、接地系统
2.1.1、地线的种类
弱电系统的接地包含直流接地、交流工作接地、安全保护接地、防雷保护接地、防静电接地和屏蔽接地等几种, 下面分别介绍。
（1） 直流接地。系统的直流地又称逻辑地, 为了使电子设备正常工作, 是零电位参考点,但不一定是大地电位。如果把该接地系统经低阻通路接至大地上, 则称为接大地。如该接地系统不与大地相接, 而是与大地绝缘, 则称为直流地悬浮。通常是经过适当的处理后再接地, 即采用串联接地(多点接地)、并联接地(单点接地)、网络接地等几种情况。为了达到接地电阻, 人为埋入地中的金属件如2500mm×50mm ×50mm 角钢等称为人工接地体; 兼作接地体用的直接与大地接触的各金属构件、金属井管、钢筋混凝土构筑物的基础,金属管道和设备等称为自然接地体。与接地体连接并引至机房内的金属电线称为接地线, 接地体和接地线总称为接地装置。电子设备的直流地要求达到R≤1Ω, 越小越好。
（2）交流工作接地。交流工作地是在电力系统中运行需要的接地(如中性点接地)。与变压器或发电机直接接地的中性点连接的中性线称为零线; 将零线上的一点或多点与地再次做电气连接称为重复接地。交流工作地是中性点可靠地接地。当中性点不接地时, 若一相碰地而人又触及另一相时, 人体所受到的接触电压将超过相电压；而当中性点接地时, 且中性点的接地电阻很小, 则人体受到的电压相当于相电压；同时, 若中性点不接地时, 由于中性点对地的杂散阻抗很大, 因此接地电流很小，相应的保护设备不能迅速切断电源, 对人及设备产生危害。交流工作地要求R≤4Ω。
（3）安全保护接地。安全保护地是指弱电机房内所有系统设备的外壳及电动机、空调机等辅助设备的机体(外壳)与地之间做良好接地。当机房内各类电器设备的绝缘体损坏时, 将会对设备操作及维修人员的安全构成威胁。所以, 应使设备的外壳可靠接地。安全保护地要求R≤4Ω。
（4）防雷保护接地。防雷保护地即整个大楼的防雷系统的接地, 一般以水平连线和垂直接地桩埋设地下, 主要把雷电电流由受雷装置引到接地装置。防雷保护地要求R≤10Ω。
（5）防静电接地。防静电接地是为了消除生产过程中产生的静电而设的接地。防静电接地要求R≤30Ω。
（6）屏蔽接地。为了防止电磁感应, 对电力设备的金属外壳、屏蔽罩、屏蔽线的外皮或建筑物金属屏蔽体等进行屏蔽接地。一般项目中机房墙身采用铝合金微孔扣板, 天花板采用铝合金微孔扣板, 地面采用全钢抗静电活动地板, 在一定程度上形成了全封闭的金属体, 使机房内的各种设备免受电磁干扰。屏蔽接地要求R≤4Ω。
2.1.2、接地系统在建设中要注意以下几点:
(1) 接地要采取联合接地的原则, 做到等电位联结。
(2) 避雷器的接地要就近连接到接地汇集排上, 接地线要尽量短。
(3) 接地汇集排与各类接地线的连接要可靠, 要检测接触电阻。
(4) 防静电地板支撑架要可靠接地。
(5) 信号电路和电源电路、高压电路和低压电路不应使用共地回地。
(6) 灵敏电路的接地应各自隔离或屏蔽, 以防止地回流和静电感应而产生干扰。
2.2、电子设备防雷系统
系统雷电防护的应用涉及很多行业和专业,在这里重点描述智能化系统的雷电防护设计原则。雷电防护设计是一项系统工程, 从系统论的角度讲, 系统结构越合理, 系统的各个部分(要素)之间的有机结合就越合理, 相互之间的作用就越协调, 从而才能使整个系统在总体上达到最佳的运行状态。
2.2.1、防感应雷击部分
雷击时由于传导雷击、电磁感应等原因沿线路产生的瞬态过电压经常击坏建筑物内电子设备, 应采用防雷器(瞬态过电压保护器, SPD )。SPD 是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其他干扰所形成的浪涌过电压的有效电气设备。根据IEC 61312－1《雷电电磁脉冲的防护》标准, 需在大楼的电源线和通信线在外区与内区、内区与中心区的交界处安装不同等级的电源SPD及通信类SPD, 如图1所示。
图1 TN－S系统SPD安装示意图
当金属导体从建筑物外延伸到建筑物内, 在跨区间的地方(如由0 区到1区, 或由1区到2区)安装上一端接地的SPD, 其作用为出现瞬间过电压时, SPD两端瞬间出现短路接地使雷电过电压迅速减低, 从而保护设备。对于任何一个防雷系统, 不论采取何种手段、何种防雷产品进行防雷保护, 都必须遵守防雷的基本原则, 即控制雷电能量的泄放与转换,为其提供一条合理低阻抗路径。
2.2.2、电源系统的保护
电源系统的防雷主要防雷电感应和传导电波的侵入, 其主要目的是释放雷电高电压, 降低残压, 避免对用电设备和人身造成危害。
(1)大楼总配电房。架空电力线上的雷击电流远高于埋地或室内线路感应电流, 这样的雷电流破坏性非常大。其防护目的是抑制和削弱电力线路上的瞬时直击雷进入大楼配电系统。因发生在电力线上的感应雷电峰值高, 雷电通过电力线路侵入建筑物, 足以损坏建筑物内所有设备。其防护目的是用于抑制电力线路上的瞬时雷电压进入大楼, 它能对高达6kV的雷电压快速抑制至600V以下,充分保护整个大楼内用电设备的安全。
(2)楼层配电箱、计算机中心、电信机房等场所的配电箱内。当电源进线处安装的电涌保护器的电压保护水平加上其两端引线的感应电压保护不了该配电箱供电的设备时，应在该级配电箱内安装电涌保护器，作为对计算机及网络通信设备机房内设备的二次保护。
(3)机房电子设备前。大楼内大型用电设备开关动作所产生的过电压、高压脉冲或其他不明线路的干扰, 通过电力线路侵入机房用电设备。其防護目的是主要用于保护机房内重要设备(如小型计算机及网络通信设备)免受大楼内大型用电设备开关动作所产生的过电压、高压脉冲或其他不明线路的干扰通过电力线路而产生的危害。对机房重要设备进行三次保护:
①第一级防雷保护: 在总配电柜内加装一级防雷器, 并入总配电柜开关出口。由于采用的是并入方式, 所以不会影响供电容量。此级防雷装置有强大的通流量参数, 主要起迅速对地网泄放强大雷电流的作用。
② 第二级防雷保护: 在各楼层分配电箱设置第二级防雷器。此级防雷器主要起限压作用, 以消除前级的残压和后续电路再次感应的浪涌电压。
③第三级防雷保护: 在重要的设备机房配电箱再设第三级防雷器。由于电子设备的高速、高密, 微小的过电压和浪涌电压以及线路的二次感应都会引起脆弱的电路损坏。此级防雷器同样对电路起严格的限压保护作用, 彻底消除后续电路的浪涌电压。在整个多级防雷器配合工作的过程中, 在瞬间完成雷击高能量和设备低耐压矛盾的能量控制处理, 这要求防雷设备需要高品质的一致性、灵敏性和可靠性, 才能长期保证。在现代防雷工程中, 防雷器系统配合至关重要, 因此, 防雷设备的选择和设计非常关键。
2.2.3、信号系统的保护
根据防雷施工规范及YD 5098- 2001《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》要求, 出入局(站)的网络金属数据线应穿金属管道或采用屏蔽电缆后, 再从地下引入其他机房, 金属管与铠装电缆的金属护层两端应就近与地网焊接。出入通信局(站)的光缆或电缆应在进线室将金属铠装外护层做接地处理。另外, 光缆应将缆内的金属构件在终端处接地。因为只有这样, 线路上遭受直接雷击或传导雷时, 就会通过接地线泄入大地, 并且对雷电电磁脉冲起很大的衰减, 此时通过在线路上安装过电压保护器, 即可保护设备安全。
2.2.4、机房均压等电位系统
在中心机房、监控机房、程控交换机房等通信机房内安装均压环, 机房内设备外壳、门窗、UPS外壳、机架、光缆加强光筋、SPD 接地线、静电地板龙骨等金属构件接在均压环上。对于子配线间可安装接地汇流排, 网络设备的外壳及信号防雷器的地线均与接地汇流排相连。机房内防静电地板下敷设机房电源线、地线及沿立柱敷设网线的金属线槽, 其驳接点必须采用6mm2 接地线跳接, 保持电路的畅通, 并且应采取多点连接的方式与机房静电地板下的均压环相连, 才能充分发挥其屏蔽效果。按防雷要求机房内设备的接地线必须做到短、平、直。因此, 在静电地板下安装接地均压环尤显重要。均压环的制作采用40 mmⅩ4 mm的紫铜排绕机房一周置于静电地板下, 机房所有金属导体外壳均应采用6 mm2 接地线, 以最短的距离和均压环相连, 使机房内所有设备处于等电位状态。均压环两侧与建筑物主钢筋相连, 并与机房专用地线相连, 形成联合接地。均压环安装示意图如图2所示。
图2 均压环安装示意图
3、结语
近年来, 现代防雷技术高速发展, 但目前仍没有十全十美的防雷措施。人们对雷电的认识是一个不断发展和完善的过程, 目前能做到的就是综合运用各种防雷手段, 最大限度地防御和减轻雷电灾害造成的危害和损失。
关键词: 智能建筑; 防雷设计; 接地系统; 浪涌保护器;
Abstract: This paper is described docking system design and electronic equipment lightning protection system in detail, in order to ensure reliable operation of intelligent building system equipment.
Keywords: intelligent building; lightning protection; grounding system; surge protector;
中圖分类号： F407.9文献标识码：文章编号：
1、引言
智能建筑的最大特点是内部配备了大量的弱电系统,这些弱电系统分别是计算机网络系统、CATV与卫星电视接收系统、闭路电视系统、电话通信系统、安全防范与公共管理系统、火灾自动报警与自动化控制系统、综合布线系统等。由于弱电设备普遍存在着绝缘程度低,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发生雷击,雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过供电线、综合布线系统、金属管道和空间辐射等多种途径侵入建筑物内,威胁室内弱电设备的正常工作和安全运行。如果保护措施不当,这些雷害轻则使弱电设备工作失灵,重则使弱电设备永久性损坏,严重时还可能造成人员伤亡。智能建筑的防雷保护成为一个越来越重要的课题摆在我们面前。
2、防雷接地系统设计
该系统主要包括两个部分: 接地系统和电子设备防雷系统。
2.1、接地系统
2.1.1、地线的种类
弱电系统的接地包含直流接地、交流工作接地、安全保护接地、防雷保护接地、防静电接地和屏蔽接地等几种, 下面分别介绍。
（1） 直流接地。系统的直流地又称逻辑地, 为了使电子设备正常工作, 是零电位参考点,但不一定是大地电位。如果把该接地系统经低阻通路接至大地上, 则称为接大地。如该接地系统不与大地相接, 而是与大地绝缘, 则称为直流地悬浮。通常是经过适当的处理后再接地, 即采用串联接地(多点接地)、并联接地(单点接地)、网络接地等几种情况。为了达到接地电阻, 人为埋入地中的金属件如2500mm×50mm ×50mm 角钢等称为人工接地体; 兼作接地体用的直接与大地接触的各金属构件、金属井管、钢筋混凝土构筑物的基础,金属管道和设备等称为自然接地体。与接地体连接并引至机房内的金属电线称为接地线, 接地体和接地线总称为接地装置。电子设备的直流地要求达到R≤1Ω, 越小越好。
（2）交流工作接地。交流工作地是在电力系统中运行需要的接地(如中性点接地)。与变压器或发电机直接接地的中性点连接的中性线称为零线; 将零线上的一点或多点与地再次做电气连接称为重复接地。交流工作地是中性点可靠地接地。当中性点不接地时, 若一相碰地而人又触及另一相时, 人体所受到的接触电压将超过相电压；而当中性点接地时, 且中性点的接地电阻很小, 则人体受到的电压相当于相电压；同时, 若中性点不接地时, 由于中性点对地的杂散阻抗很大, 因此接地电流很小，相应的保护设备不能迅速切断电源, 对人及设备产生危害。交流工作地要求R≤4Ω。
（3）安全保护接地。安全保护地是指弱电机房内所有系统设备的外壳及电动机、空调机等辅助设备的机体(外壳)与地之间做良好接地。当机房内各类电器设备的绝缘体损坏时, 将会对设备操作及维修人员的安全构成威胁。所以, 应使设备的外壳可靠接地。安全保护地要求R≤4Ω。
（4）防雷保护接地。防雷保护地即整个大楼的防雷系统的接地, 一般以水平连线和垂直接地桩埋设地下, 主要把雷电电流由受雷装置引到接地装置。防雷保护地要求R≤10Ω。
（5）防静电接地。防静电接地是为了消除生产过程中产生的静电而设的接地。防静电接地要求R≤30Ω。
（6）屏蔽接地。为了防止电磁感应, 对电力设备的金属外壳、屏蔽罩、屏蔽线的外皮或建筑物金属屏蔽体等进行屏蔽接地。一般项目中机房墙身采用铝合金微孔扣板, 天花板采用铝合金微孔扣板, 地面采用全钢抗静电活动地板, 在一定程度上形成了全封闭的金属体, 使机房内的各种设备免受电磁干扰。屏蔽接地要求R≤4Ω。
2.1.2、接地系统在建设中要注意以下几点:
(1) 接地要采取联合接地的原则, 做到等电位联结。
(2) 避雷器的接地要就近连接到接地汇集排上, 接地线要尽量短。
(3) 接地汇集排与各类接地线的连接要可靠, 要检测接触电阻。
(4) 防静电地板支撑架要可靠接地。
(5) 信号电路和电源电路、高压电路和低压电路不应使用共地回地。
(6) 灵敏电路的接地应各自隔离或屏蔽, 以防止地回流和静电感应而产生干扰。
2.2、电子设备防雷系统
系统雷电防护的应用涉及很多行业和专业,在这里重点描述智能化系统的雷电防护设计原则。雷电防护设计是一项系统工程, 从系统论的角度讲, 系统结构越合理, 系统的各个部分(要素)之间的有机结合就越合理, 相互之间的作用就越协调, 从而才能使整个系统在总体上达到最佳的运行状态。
2.2.1、防感应雷击部分
雷击时由于传导雷击、电磁感应等原因沿线路产生的瞬态过电压经常击坏建筑物内电子设备, 应采用防雷器(瞬态过电压保护器, SPD )。SPD 是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其他干扰所形成的浪涌过电压的有效电气设备。根据IEC 61312－1《雷电电磁脉冲的防护》标准, 需在大楼的电源线和通信线在外区与内区、内区与中心区的交界处安装不同等级的电源SPD及通信类SPD, 如图1所示。
图1 TN－S系统SPD安装示意图
当金属导体从建筑物外延伸到建筑物内, 在跨区间的地方(如由0 区到1区, 或由1区到2区)安装上一端接地的SPD, 其作用为出现瞬间过电压时, SPD两端瞬间出现短路接地使雷电过电压迅速减低, 从而保护设备。对于任何一个防雷系统, 不论采取何种手段、何种防雷产品进行防雷保护, 都必须遵守防雷的基本原则, 即控制雷电能量的泄放与转换,为其提供一条合理低阻抗路径。
2.2.2、电源系统的保护
电源系统的防雷主要防雷电感应和传导电波的侵入, 其主要目的是释放雷电高电压, 降低残压, 避免对用电设备和人身造成危害。
(1)大楼总配电房。架空电力线上的雷击电流远高于埋地或室内线路感应电流, 这样的雷电流破坏性非常大。其防护目的是抑制和削弱电力线路上的瞬时直击雷进入大楼配电系统。因发生在电力线上的感应雷电峰值高, 雷电通过电力线路侵入建筑物, 足以损坏建筑物内所有设备。其防护目的是用于抑制电力线路上的瞬时雷电压进入大楼, 它能对高达6kV的雷电压快速抑制至600V以下,充分保护整个大楼内用电设备的安全。
(2)楼层配电箱、计算机中心、电信机房等场所的配电箱内。当电源进线处安装的电涌保护器的电压保护水平加上其两端引线的感应电压保护不了该配电箱供电的设备时，应在该级配电箱内安装电涌保护器，作为对计算机及网络通信设备机房内设备的二次保护。
(3)机房电子设备前。大楼内大型用电设备开关动作所产生的过电压、高压脉冲或其他不明线路的干扰, 通过电力线路侵入机房用电设备。其防護目的是主要用于保护机房内重要设备(如小型计算机及网络通信设备)免受大楼内大型用电设备开关动作所产生的过电压、高压脉冲或其他不明线路的干扰通过电力线路而产生的危害。对机房重要设备进行三次保护:
①第一级防雷保护: 在总配电柜内加装一级防雷器, 并入总配电柜开关出口。由于采用的是并入方式, 所以不会影响供电容量。此级防雷装置有强大的通流量参数, 主要起迅速对地网泄放强大雷电流的作用。
② 第二级防雷保护: 在各楼层分配电箱设置第二级防雷器。此级防雷器主要起限压作用, 以消除前级的残压和后续电路再次感应的浪涌电压。
③第三级防雷保护: 在重要的设备机房配电箱再设第三级防雷器。由于电子设备的高速、高密, 微小的过电压和浪涌电压以及线路的二次感应都会引起脆弱的电路损坏。此级防雷器同样对电路起严格的限压保护作用, 彻底消除后续电路的浪涌电压。在整个多级防雷器配合工作的过程中, 在瞬间完成雷击高能量和设备低耐压矛盾的能量控制处理, 这要求防雷设备需要高品质的一致性、灵敏性和可靠性, 才能长期保证。在现代防雷工程中, 防雷器系统配合至关重要, 因此, 防雷设备的选择和设计非常关键。
2.2.3、信号系统的保护
根据防雷施工规范及YD 5098- 2001《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》要求, 出入局(站)的网络金属数据线应穿金属管道或采用屏蔽电缆后, 再从地下引入其他机房, 金属管与铠装电缆的金属护层两端应就近与地网焊接。出入通信局(站)的光缆或电缆应在进线室将金属铠装外护层做接地处理。另外, 光缆应将缆内的金属构件在终端处接地。因为只有这样, 线路上遭受直接雷击或传导雷时, 就会通过接地线泄入大地, 并且对雷电电磁脉冲起很大的衰减, 此时通过在线路上安装过电压保护器, 即可保护设备安全。
2.2.4、机房均压等电位系统
在中心机房、监控机房、程控交换机房等通信机房内安装均压环, 机房内设备外壳、门窗、UPS外壳、机架、光缆加强光筋、SPD 接地线、静电地板龙骨等金属构件接在均压环上。对于子配线间可安装接地汇流排, 网络设备的外壳及信号防雷器的地线均与接地汇流排相连。机房内防静电地板下敷设机房电源线、地线及沿立柱敷设网线的金属线槽, 其驳接点必须采用6mm2 接地线跳接, 保持电路的畅通, 并且应采取多点连接的方式与机房静电地板下的均压环相连, 才能充分发挥其屏蔽效果。按防雷要求机房内设备的接地线必须做到短、平、直。因此, 在静电地板下安装接地均压环尤显重要。均压环的制作采用40 mmⅩ4 mm的紫铜排绕机房一周置于静电地板下, 机房所有金属导体外壳均应采用6 mm2 接地线, 以最短的距离和均压环相连, 使机房内所有设备处于等电位状态。均压环两侧与建筑物主钢筋相连, 并与机房专用地线相连, 形成联合接地。均压环安装示意图如图2所示。
图2 均压环安装示意图
3、结语
近年来, 现代防雷技术高速发展, 但目前仍没有十全十美的防雷措施。人们对雷电的认识是一个不断发展和完善的过程, 目前能做到的就是综合运用各种防雷手段, 最大限度地防御和减轻雷电灾害造成的危害和损失。