關(guān)于智能建筑中防雷設(shè)計(jì)的討論電子學(xué)論文

1、關(guān)于智能建筑中防雷設(shè)計(jì)的討論電子學(xué)論文關(guān)于智能建筑中防雷設(shè)計(jì)的討論電子學(xué)論文 摘要： 本文扼要說明了傳統(tǒng)防雷局限性以及智能建筑對防雷的要求，根據(jù)IEC的標(biāo)準(zhǔn)，論述在智能建筑中應(yīng)采取相應(yīng)的防雷措施，防止雷電的侵害。 關(guān)鍵詞： 智能建筑 直擊雷 感應(yīng)雷擊 避雷針 防雷保護(hù)區(qū) 一、前言在智能建筑中，系統(tǒng)內(nèi)的電子設(shè)備的數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，大量采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，而電子計(jì)算機(jī)、微處理器以及其他電子儀器設(shè)備普遍存在著絕緣強(qiáng)度低，過電壓耐受能力差的弱點(diǎn)，當(dāng)其受到電磁脈沖，特別是閃電電磁脈沖的襲擊，使得這些高靈敏的電子系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)程序運(yùn)行錯(cuò)誤；數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；時(shí)間錯(cuò)誤；死機(jī)；無故重新啟動(dòng)甚至造成用電設(shè)備的永久性損

2、壞，給各行各業(yè)以及人們?nèi)粘Ｉ钤斐删薮髶p失。1992年，北京氣象局16層氣象中心大樓遭受雷擊，樓內(nèi)計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備受損，損失達(dá)數(shù)十萬元，中斷通訊24小時(shí)；1994年和1995年深圳蛇口電信公司兩次遭受雷擊破壞,使得深圳蛇口地區(qū)電話系統(tǒng)分別癱瘓六小時(shí)和八小時(shí)，經(jīng)濟(jì)損失巨大；1996年深圳市氣象臺受雷擊破壞,涉及破壞范圍包括程控交換系統(tǒng)、電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、CT機(jī)等；1996年4月20日，深圳市收容站價(jià)值一百多萬元的電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、CATV系統(tǒng)因遭受雷擊而癱瘓；同年深圳中信公司證卷公司也遭受雷擊，使得電腦網(wǎng)絡(luò)卡、調(diào)制解調(diào)器受到破壞。電子元件的損壞不僅使系統(tǒng)的癱瘓，造成損

3、失，而且在修復(fù)及重新整理數(shù)據(jù)上的費(fèi)用也是巨大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅深圳市在1996年因瞬態(tài)電涌而造成的經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)6千多萬元。為此，在智能建筑中，特別是對計(jì)算機(jī)和精密的電子設(shè)備，對雷電如何采取有效的防護(hù)措施，保障其安全，已受到普遍關(guān)注。 二、雷電對智能建筑的危害雷電現(xiàn)象是指雷云之間或雷云與地之間迅猛放電的過程，在該過程中，不僅會產(chǎn)生強(qiáng)大的雷電流（可達(dá)數(shù)十至數(shù)百千安），并且會伴隨有強(qiáng)烈的閃光和巨大的聲響。雷電主要分為直擊雷擊和感應(yīng)雷擊。1 直擊雷擊是指雷云之間或雷云與地之間與建筑物的某一點(diǎn)放電。其主要危害有： 強(qiáng)大的雷電流通過被擊物體時(shí)產(chǎn)生熱效應(yīng)，這種熱效應(yīng)所產(chǎn)生巨大的熱量會使被擊物體溫度突升，甚至引

4、起火災(zāi)。達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百千安雷電流通道，會使空氣急劇膨脹，并以超生速向四周擴(kuò)散，其外圍附近的冷空氣被強(qiáng)烈壓縮，形成“激波”，它會破壞其附近的建筑物、人員、樹木等。雷電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的雷電電磁場，產(chǎn)生電動(dòng)力效應(yīng)，會使處在其中的導(dǎo)體受力變形甚至折斷。2 感應(yīng)雷擊是指雷電通過靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)對被擊物體的損壞。雷電流有50是直接流入大地，還有50是流入各電氣道（如電源線、信號線和金屬管道等）。當(dāng)雷閃放電發(fā)生或雷擊輸電線路時(shí)，強(qiáng)大的雷電流會產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場。它通過直接或電容耦合方式在輸電線路上形成暫態(tài)過電壓以流動(dòng)波形式沿線路傳播，一般在以雷擊中心1 52km范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生危險(xiǎn)過電壓,損壞電路上的設(shè)備。

5、據(jù)統(tǒng)計(jì)： 在整個(gè)瞬變脈沖事故中雷擊產(chǎn)生過電壓約占20左右。感應(yīng)雷擊其主要危害有： 在雷云出現(xiàn)后，雷云下的建筑物由于靜電感應(yīng)作用而帶上大量相反電荷，雷擊過后，雷云所帶的電荷與地很快中和，而地上某些局部上的感應(yīng)電荷，由于與大地間電阻較大，而且不能在同樣短的時(shí)間內(nèi)相互消失，形成了局部地區(qū)高的感應(yīng)電壓，該電壓達(dá)數(shù)十千伏至數(shù)百千伏，這樣高的的電壓可使接地不良的電氣系統(tǒng)遭受破壞。根據(jù)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50057-94中的公式，防雷裝置地上高度hx處的電位： 式中 UR雷電流流過防雷裝置時(shí)接地裝置上的電阻電壓降（kV）； UL雷電流流過防雷裝置時(shí)引下線的電感電壓降（kV）；I 雷電流幅值；二類防雷建筑

6、取100kA；RI 沖擊接地電阻，對于采用共用接地極的建筑，一般取其等于1雷電產(chǎn)生電磁感應(yīng)的破壞。由于雷電有極大的峰值和徒度，在其周圍形成強(qiáng)大的變化的電磁場，處在變化電磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出較大的電壓，該電壓由導(dǎo)線可傳至較遠(yuǎn)電氣設(shè)備。根據(jù)美國AD報(bào)告研究表明： 當(dāng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0 03GS時(shí)，計(jì)算機(jī)會產(chǎn)生誤動(dòng)作，當(dāng)B為2 4GS時(shí)，計(jì)算機(jī)芯片會產(chǎn)生永久性損壞。式中 B電磁感應(yīng)強(qiáng)度（GS）； I 雷電流幅值 （kA）；r 雷擊半徑 雷電產(chǎn)生地電位反擊的破壞。智能建筑內(nèi)計(jì)算機(jī)及微電子設(shè)備均要求有“干凈”的地，如果在建筑不同接地系統(tǒng)被泄入雷電流時(shí)，引起電位不均，高電位的地會反擊地電位的地，導(dǎo)致電氣設(shè)

7、備損壞。 三、防雷保護(hù)區(qū)域的劃分針對信息系統(tǒng)的防雷特殊性，作為防雷標(biāo)準(zhǔn)IEC-1024-1標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充，1995年IEC出版了1312-1標(biāo)準(zhǔn)。對防雷保護(hù)區(qū)域進(jìn)行了劃分，一個(gè)欲保護(hù)的區(qū)域，從電磁兼容的觀點(diǎn)來看，由外到內(nèi)可分為幾級保護(hù)區(qū)，（圖1 所示）最外層是LPZ0區(qū)雷閃電磁場原區(qū)。在該區(qū)域內(nèi)雷閃電磁場未產(chǎn)生衰減。雷閃電磁場按大氣狀態(tài)下自然分布。在該區(qū)域又分為LPZOA和LPZOB兩個(gè)區(qū)域。圖1 建筑物防雷區(qū)域（LPZ）的劃分 LPZOA區(qū)是直接雷擊區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)各物體都可能受到直接雷擊，產(chǎn)生全雷電流，雷閃電磁場未產(chǎn)生衰減，從防雷保護(hù)角度看，該區(qū)域?qū)儆诒Ｗo(hù)以外區(qū)域。LPZOB區(qū)是不受直接雷擊區(qū)

8、域，在該區(qū)域內(nèi)各物體不可能受到直接雷擊，但雷閃電磁場未產(chǎn)生衰減，該區(qū)域受防雷裝置保護(hù)。LPZ1區(qū)是不受直接雷擊區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)各物體不可能受到直接雷擊，在該區(qū)域內(nèi)，所有導(dǎo)體上的雷電流比LPZOB區(qū)減少，其減少程度取決于屏蔽措施和等電位聯(lián)結(jié)做法。如果需要進(jìn)一步減少雷電流和雷閃電磁場，應(yīng)按需要保護(hù)系統(tǒng)的要求，選擇后續(xù)防雷區(qū)域（LPZ 2、 3、4）。 四、智能建筑中的防雷措施防雷工程通常分為直擊雷和感應(yīng)雷兩部分。直擊雷防御系統(tǒng)是捕捉雷電閃擊保護(hù)建筑物及設(shè)備。感應(yīng)雷防御系統(tǒng)是為了降低雷擊時(shí)的沖擊電位差和電磁脈沖。傳統(tǒng)的防雷技術(shù)一般是在建筑物屋面裝設(shè)接閃器，由接閃器和引下線將雷電流導(dǎo)入接地極，流向大地

9、，并在電網(wǎng)中加裝避雷器等防雷措施，采用這些措施，雖然可以有效防止直擊雷和消弱電壓波的強(qiáng)度，減少雷擊的破壞程度，但這些措施并不能完全消除電網(wǎng)中的又雷擊引起的暫態(tài)過電壓，感應(yīng)雷電脈沖一般都在千伏以上，普通的電氣設(shè)備一般可允許閃電脈沖電壓6000V,但對于計(jì)算機(jī)設(shè)備，其信號電壓很低，一般只有100V左右，最小僅有10V左右，當(dāng)其閃電脈沖電壓為在幾十伏或到幾百伏就會見計(jì)算機(jī)損壞。IEC標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)雷電日雷電日將地區(qū)雷電級別分為3級。 （1） Q1級： 此級別雷電日不超過25天，可不設(shè)置雷電過電壓保護(hù)。 （2） AQ2級： 此級別雷電日超過25天，應(yīng)考慮是否設(shè)置架空線路引入的感應(yīng)雷電過電壓保護(hù)。 （3） A

10、Q3級： 同上，但還應(yīng)考慮架空線路引入的直接雷擊的過電壓保護(hù)。 1 對電源系統(tǒng)和信息系統(tǒng)分級保護(hù)一般電子設(shè)備的電源系統(tǒng)分級保護(hù)參見圖2所示，為了有效防止暫態(tài)過電壓的災(zāi)害， IEC664-1中提出，對電源系統(tǒng)分為、級防護(hù)，將過電壓數(shù)值降低到設(shè)備可以承受的水平。表1給出了IEC664-1瞬變過電壓水平等級的劃分。 IEC664-1瞬變過電壓水平等級的劃分 表1供電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓（）由標(biāo)稱電壓派生的交流或直流相電壓（）額定脈沖電壓（）三相單相過電壓等級分類 503305008001500 10050080015002500 120240150800150025004000230400277480 30

11、01500250040006000400690 60025004000600080001000 10004000600080001201X 圖2 電子設(shè)備的電源系統(tǒng)分級保護(hù)雷電及其它瞬態(tài)浪涌沖擊現(xiàn)象，對精密電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備（包括UPS電源），造成很大的危害。采用電源過電壓保護(hù)器可以利用快速響應(yīng)模塊，通過其優(yōu)良的非線性伏安特性，來實(shí)現(xiàn)抑制暫態(tài)過電壓的。在正常工作時(shí)，模塊呈高阻抗特性，泄漏電流很低，不影響正常工作。當(dāng)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓時(shí)，模塊呈低阻抗特性，使暫態(tài)過電流迅速泄放，抑制暫態(tài)過電壓，維持電壓穩(wěn)定。信息系統(tǒng)保護(hù)分粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)。粗保護(hù)量級系根據(jù)所從屬的保護(hù)區(qū)的級別確定，精細(xì)保護(hù)則需要根據(jù)

12、電子設(shè)備的敏感度來選擇。退耦元件應(yīng)能無損壞地承受電壓降和不影響數(shù)據(jù)的正常傳輸。信息系統(tǒng)采用的保護(hù)器主要是過電壓限制器，其系統(tǒng)保護(hù)分級原理如圖3所示。 圖3 信息系統(tǒng)的分級保護(hù)高頻信號保護(hù)器主要防止天線的雷擊和感應(yīng)雷擊，因?yàn)樘炀€受雷擊或雷電感應(yīng)時(shí)，天線對偶極子上都將形成對地的暫態(tài)過電壓，天饋線上兩極導(dǎo)線上的暫態(tài)過電壓是對共同地的，即形成共模暫態(tài)電壓。高頻信號保護(hù)器其內(nèi)部采用特制的電感線圈，線圈兩頭并接于饋線上，中心抽頭接地。在正常工作時(shí)，由于信號頻率高，并接在信號線兩端電感線圈呈高阻抗，不影響正常工作。當(dāng)出現(xiàn)暫態(tài)過電壓時(shí)，形成的暫態(tài)過電流經(jīng)電感線圈兩端到電感中心入地，線圈兩半處于并聯(lián)工作狀態(tài)。由

13、于暫態(tài)過電流流過兩半線圈時(shí)，在兩半線圈中產(chǎn)生的磁通量相互抵消，暫態(tài)過電流對地呈低阻抗，從而有效地限制信號線對地的共模暫態(tài)電壓幅值。高頻信號保護(hù)器主用于防護(hù)雷擊或雷電感應(yīng)引起的天饋線對地的共模暫態(tài)電壓幅值，從而保護(hù)通信設(shè)備免受暫態(tài)過電壓侵害。 2采用等電位聯(lián)接 防止雷電的侵害的一項(xiàng)關(guān)鍵措施，即采用等電位聯(lián)接。等電位聯(lián)結(jié)的目的在于減小需要防雷的空間內(nèi)，各種金屬部件和各種系統(tǒng)之間的電位差，而實(shí)施的導(dǎo)體聯(lián)結(jié)。電源線、信號線、金屬管道等都要通過過壓保護(hù)器進(jìn)行等電位聯(lián)接。總等電位聯(lián)接（如圖3所示），就是將所有進(jìn)出保護(hù)范圍的金屬管道（包括水管、供熱管道等）以及所有電源線和所有信號線（包括載流導(dǎo)體），當(dāng)閃電電

14、流流經(jīng)這些導(dǎo)體時(shí)，等電位聯(lián)接可以用來安全地承載涌流。 圖3總等電位聯(lián)接示意圖 3加強(qiáng)傳統(tǒng)防雷裝置 （1） 傳統(tǒng)避雷針在引雷后會引發(fā)地電位反擊和二次雷擊效應(yīng)。為了減少雷電流精度徒度和電磁輻射場，應(yīng)選用阻抗型的避雷針和接閃器等。或者采用提前放電式避雷針, 如采用提前放電式避雷針PULSAR。它的主要原理是將一個(gè)高脈沖電壓系列加在普通避雷針尖端（大約10000伏），來引發(fā)自發(fā)電暈效果，形成上行先導(dǎo)，從而吸引雷電流使其更準(zhǔn)確地通過避雷針形成的泄放通道泄放雷電流。由于提前放電式避雷針在雷電泄放前提前放電，形成上行先導(dǎo)，所以，它將傳統(tǒng)避雷針的被動(dòng)吸引雷電流變?yōu)橹鲃?dòng)吸引雷電流。也就克服了傳統(tǒng)避雷針的缺陷，相當(dāng)于加長了傳統(tǒng)避雷針的高度，自然在同等高度下也就加大了避雷針的保護(hù)角，使其提供的保護(hù)范圍更大、更加可靠