浅谈智能建筑弱电系统防雷

王志强

[摘 要]智能建筑是将计算机技术、通信技术与建筑艺术有机结合的建筑物,是高科技与现代建筑的巧妙集成,随着人们生活水平的不断提高,智能建筑得到了迅猛发展,并已成为21世纪建筑业的发展主流。但布线纵横交错使得智能建筑中的弱电系统对浪涌较为敏感,电路的雷电承受能力进一步下降,特别是综合布线连接的网络交换机、服务器、计算机、监控系统、终端设备容易遭受雷电的侵害,因而这些网络系统的各类接口应具有更好的防雷性能。本文着重论述智能建筑弱电系统的防雷与接地。

[关键词]弱电系统;接地;浪涌;防雷

智能建筑受到雷击时,冲击电位分布和空间瞬时电磁场将关系到建筑物内人身和设备的安全。由于受冲击时地电位升高,将影响到建筑物内外有电气联系的网络系统。合理的设备布局可有效减少雷害;采用联合接地可有效解决地电位的影响;在建筑物内终端设备的接口处安装浪涌保护装置,并对出入缆线采取屏蔽、接地等措施,可有效减少雷电对弱电系统的侵害。

一、智能建筑弱电系统遭受雷击的因素

弱电系统作为整个建筑物的核心要害信息中枢,自然要预先消除任何事故诱发的因素。雷电对智能建筑的设备危害来自三个方面,首先,浪涌电流沿着缆线进入网络系统;其次,由于地电位对网络系统产生影响,设备的冲击阻抗的反击地电位通常可达数十至数千伏;另外,现代的计算机网络对雷电极为敏感,即使几公里以外的高空雷闪或对地雷闪都有可能导致这些设备的薄弱环节——计算CPU控制中心误动或损坏。各个子系统的配电单元及计算机网络与外界联系的信号数据线、建筑物内部较长的网络数据线、卫星小站的高频头、天馈线应该是雷击的核心。雷击时雷电流在建筑物内的分布直接影响到网络系统设备,特别是对雷击敏感的计算机控制单元及数字终端设备,合理的布局可将雷害的损失降低到最低限度。采用联合接地,均压等电位可有效解决地电位升高的影响,而在设备间、建筑群子系统、管理子系统、垂直和水平子系统、配电系统、UPS、交换机、服务器、Hub、监控系统、终端设备的接口处安装浪涌保护装置,并对大楼的出入缆线采取屏蔽、接地等措施,可有效减少雷电对信号及网络系统的侵害。卫星通信及无线通信天馈线屏蔽与接地,根据馈线的长度辅以同轴雷电过电压保护器可充分抑制雷电流通过馈线系统进入卫星收发信机的量级。

二、弱电系统电子设备防浪涌要求

1.耐压要求。当瞬间电压超过电子设备的绝缘耐压值时,其安全性能会降低,甚至被毁。因而电子设备的瞬间过电压应该小于其绝缘耐压值,正常的工作电压应小于保护电压。

2.过流保护要求。电子设备的过流能力一般设计为额定电流的1.5～2倍,以此为标准选择电子元器件。如额定电流为0.22 A的计算机其最大过流能力约为0.45A,当电流大于该值时,电子设备所选用的电子元器件将会烧坏而无法正常工作,因而应该保证到达电子设备的瞬间过电流小于其额定电流的1.5～2倍。

3.动态响应时间的要求。电子设备在设计过程中,已经采用了许多保护器件,如快熔器、压敏电阻、空气开关、继电保护器件等,每种保护器件都有特有的动态响应时间(如空气开关、继电保护器件其动态响应时间约在200 ms左右),而每种电子设备也有其保护响应时间,因而流过电子设备的浪涌的瞬态时间应该大于电子设备的动态响应时间,避免保护器件来不及响应而使浪涌通过电子设备。

4.接地保护要求。电子设备在安装时,应做到良好接地,否则雷电所产生的浪涌能量不能有效地对地泄放而击毁器件。接地线在瞬间遭受浪涌以电感方式存在,其典型值为1μH/m,接地线上的压降为U1=L×di/dt。对于1.5 m长的接地线L≈1.5μH,雷电在瞬间(如100μs)产生的几百安培(500 A)浪涌脉冲,其di/dt=5×10 A/s,此时接地线上的压降U1=L×di/dt=1.5×10×5×10=7.5 V,设备将承受500 A×7.5 V=3750 W的浪涌能量,该能量将可能损伤或毁坏大部分电子设备。因此,对电子设备作可靠的接地保护,能使到达电子设备外壳的电压较小,起到安全保护的作用。但仅作接地保护是远远不够的,还必须加装浪涌保护装置。因外界侵入的浪涌能量将首先通过电子设备再对地泄放,这样流经电子设备的浪涌电流基本不变,其能量有可能很大,电子设备仍有可能被损坏;因此接地保护对于电子设备而言只能是一种辅助性保护。

三、弱电系统防浪涌措施

根据IEC61312标准,弱电系统应设置多级防雷保护措施,一般为三级配置。由于雷电流主要是由首次雷击电流和后续雷击电流所组成,因此,雷电过电压的保护必须同时考虑到如何抑制(或分流)首次雷击电流和后续雷击电流。在采取多级保护措施的同时,还必须考虑各级之间的能量配合和解耦措施。弱电系统的防雷可采用两种措施,即外部防雷和内部防雷。外部防雷可将绝大部分雷电流直接引入地下泄散;内部防雷可阻塞沿电源或信号线所引入的雷电波。这两道防线,互相配合,各尽其职,缺一不可。

1.外部防雷与接地。外部防雷主要指建筑物的防雷,一般是防护直击雷,它是防雷技术革新的主要组成部分,其技术措施可分接闪器(避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器)、引下线、接地体和法拉第笼等。接地电阻应符合相关标准,一般为4Ω。对某些设备制造厂商有特殊接地要求,将直流地与其它接地类型分开以避免电磁干扰和零地电位升高。但当有雷电对地泄放时,高电压将通过直流地反击设备。因此对于这种情况宜在防雷地和直流地之间加装地电位均衡器,避免反击现象。

2.内部防雷。内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的设备加装过压保护装置,在设备受到过电压侵袭时,保护装置能快速动作泄放能量,从而保护设备免受损坏。内部防雷分为电源防雷和信号防雷。

(1)电源防雷系统。电源防雷系统主要是防止雷电波通过电源线路对计算机及相关设备造成危害。为避免高电压经过防雷器对地泄放后的残压或因更大的雷电流在击毁防雷器后继续毁坏后续设备,以及防止线缆遭受二次感应,依照有关防雷工程试行草案,应采取分级保护、逐级泄流的原则。一是在电源的总进线处安装放电电流较大的一级电源防雷器,二是在重要楼层或重要设备电源的进线处加装二级或三级电源防雷器。为了确保遭受雷击时,高电压首先经过一级电源防雷器,然后再经过二级电源防雷器,一级电源防雷器和二级电源防雷器之间的距离要大于10～15 m,如果两者间距不够,可采用带线圈的防雷箱,这样可以避免二级电源防雷器首先遭受雷击而损坏。

(2)信号防雷系统。由于雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量,因此要求弱电系统通信设备能够承受较高能量的瞬时冲击,而目前大部分设备由于电子元器件的高度集成化而使耐过电压、耐过电流水平下降,必须在网络通信接口处加装必要的防雷保护装置以确保弱电系统的安全运行。对通信系统进行防雷保护,选取适当保护装置非常重要,应充分考虑防雷产品与通信系统匹配。对于信息系统,应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定,精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。

四、防雷产品在智能建筑中的应用

弱电系统雷电及浪涌防护产品是针对特定的要求来设计的,技术指标繁多,在选用时需要认真分析。目前在弱电系统中使用的主要防护设备有:用于2MHz以下音频通信线路的MDF保安单元,用于15MHz以下接入网线路的xDSL浪涌保护器,用于百兆局域网的宽带网络浪涌保护器,用于控制系统、低速网络的数据线浪涌保护器,用于天馈回路的天馈防雷器等。

智能建筑雷电防护是一个系统性的工程,需要分别针对不同的系统采取不同的防护方法,使用不同的防护产品,根据现场情况作好方案设计是十分重要的。“系统性”要求在整个防雷工程保护范围内作全面地考虑,仅仅针对重点设备或以往发生过事故的设备做一些局部的防护是不够的。有的用户反映在完成防雷工程后,损坏的频率增多发生的位置也更不确定,部分原因便与防护工程存在“系统性”的缺陷有关。当一个没有安装防护设备的网络受到对地浪涌电压冲击时,电压往往作用于传输线路与地之间的绝缘结构上,如果某一线路的这个结构可以承受数千伏的冲击而不出现击穿现象当然也不会产生浪涌电流,可能不会产生任何损伤。但在传输线路上的某个位置安装了一套防护设备后,由于保护电压很低,因此在同样的浪涌电压产生时会产生浪涌电流,进一步的将在传输线路和地线上产生浪涌电压,引起电压反击,从而对网络上连接的所有设备都造成一定的影响。因此必须同时考虑所有设备、线路的防护要求。

弱电系统通信网络的主要功能是进行大量的信息传送,特别是高速通信系统对网络的传输性能有很高的要求,通信网络上使用的防护设备必须同时具备良好的防护性能和优异的传输指标。从传输的角度来看,防护设备连接在通信网络上相当于增加了网络的分散参数,增加了线路损耗,对传输性能会造成一定的影响。如安装的防护设备传输性能较差,势必降低网络传输速率,影响网络稳定性,所造成的损失可能比遭雷电破坏还大得多。因此,在选择通信网络防护设备时需要根据防护要求和信号传输要求综合选择。在接入网线路中除了正常通信信号以外,还可能存在远供电源的电压,防护设备需要设计有一个电压动作区间。此外,出局线路可能与电力线相碰触,防护器件需要同时具备防护工频电压、电流的能力。

总之雷电及浪涌伤害事故存在许多不确定的因素,原因是复杂的,有了合适的优质防雷产品,配合合理的系统设计,就能达到明显的防雷效果。在防雷工程的设计和施工中有许多经验是需要认真学习的。只要我们以科学认真的精神通过不断地学习、实践、总结,必然能够将防雷工作做得更好。

参考文献:

[1]周志敏,等 .电子信息系统防雷接地技术[K].

[2]张小青.建筑防雷与接地技术[K].

[3]国家标准建筑物防雷设计规范(GB50057—94)[s].

[4]IEC 防雷及相关技术标准[S]. □

(编辑/永安)