智能樓宇電子系統防雷
一、概述
隨著信息技術的迅速發展,智能建筑物的建設向自動化、信息化和節能化方向發展,微電子應用技術為代表的新技術已滲透到智能建筑的各個應用領域,并且不斷增大。建筑物內微電子設備繁多而且復雜,這些微電子設備通常屬于耐過電壓等級低,防干擾要求高的弱電設備,最怕受到雷擊。遭受雷擊時,一部分能量(約50%)通過建筑物外部防雷裝置泄入大地,另一部分能量則通過雷電流感應或耦合在金屬管線上進入建筑物內破壞設備,因此,智能建筑的防雷保護越來越重要。
二、智能樓宇綜合防雷的主要技術措施
1.攔截
信息防雷的第一道防線是攔截直擊雷。最經濟、最有效的方法仍然是避雷針(避雷帶、避雷網)法。盡管避雷針對于電子信息設備有很多負作用,對其應抱趨利避害、積極、穩妥的態度,采取有效的技術措施予以抑制。
2.屏蔽
屏蔽是防止任何形式電磁干擾的基本手段之一。屏蔽的目的,一是限制某一區域內部的電磁能量向外傳播,二是防止或降低外界電磁輻射能量向被保護的空間傳播。由于電場、磁場及電磁場的性質不同,因而屏蔽的機理也不同。按屏蔽的要求不同可分別采用屏蔽室(盒、管)的完整屏蔽體,或金屬網、波導管及蜂窩結構的非完整屏蔽體。屏蔽一般分為電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁場屏蔽幾種。
①靜電屏蔽(電場屏蔽)——為了消除和抑制靜電電場的干擾。
②磁場屏蔽——為了消除或抑制由磁場耦合引起的干擾。磁場屏蔽又分為低頻屏蔽和高頻磁屏蔽兩種情況。
③電磁場屏蔽——一般在遠離干擾源的空間單純的電場或磁場是少見的,干擾是以電場、磁場同時存在的高頻電磁場輻射的形式發生的。雷電電磁脈沖在遠場條件下可看作平面電磁場傳播。因此,應同時考慮電場和磁場的屏蔽。
④信號傳輸電纜的全屏蔽——電纜的屏蔽是一項很重要的技術措施,它要求對機房內、外所有架空、埋地的電纜都用金屬層屏蔽起來,以防雷電電磁脈沖的干擾,這稱作全屏蔽。當全屏蔽電纜接觸或穿過另一金屬部分時,還要采用中間接地點。因此,全屏蔽電纜要求多點接地。
3.等電位連接
等電位連接就是把所有導體相互作良好的導電性連接,并與接地系統連通。其中非帶電導體直接用導線連接,帶電導體通過避雷器連接。其本質是由可靠的接地系統、等電位連接用的金屬導線、等電位連接器(即避雷器、地線隔離器)和所有導體組成一個電位補償系統。該電位補償系統的作用,一是為雷電流提供低阻抗的連續通道,使其迅速導入大地泄放。二是使系統各部分不產生足以致損的電位差。即在瞬態現象存在的極短時間里,通過這個電位補償系統可以迅速地在被保護系統所處區域內的所有導電部件之間建立起五個等電位區域。這個區域相對于外界可能存在著數十千伏的電位差。重要的是在需要保護的系統所處區域內部,所有導電部件之間不能存在顯著的電位差,從而達到保護設備和人身安全的目的。
需要等電位連接的物體主要有:a、不帶電金屬物體。如各種金屬管道,線纜屏蔽層,設備的金屬底座、金屬外殼等。b、帶電金屬物體。如電源線、各種信號傳輸線等。
4.分流
是將雷電流能量向大地泄放過程中應符合層次性原則。層次性就是按照所劃分的防雷保護區對雷電能量分級瀉放。盡可能多、盡可能迅速將多余能量在引入信息系統之前泄放入地。由于雷電過電壓的能量很大,單一的措施或一道防線都無法消除雷電過電壓的侵害,必須采取多級防護措施才能將侵入的雷電過電壓限制在安全的、設備能夠承受的范圍之內。
5.接地
接地是分流和瀉放直擊雷和雷電電磁干擾能量的最有效的手段之一,也是電位均衡補償系統的基礎。目的是使雷電流通過低阻抗接地系統向大地泄放,從而保護建筑物、人員和設備的安全。沒有良好的接地系統或者接地不良的避雷設施會成為引雷入室的禍患;避雷裝置接地不好,還提供了雷電電磁脈沖對電氣和電子設備產生電感性、電容性耦合干擾的機會。
三、智能樓宇綜合防雷設計方案
1.直擊雷防護
對于直擊雷的防護,可采取分流的措施,利用接閃桿、接閃帶、接閃網將雷電流沿引下線導入大地,防止直擊雷擊中建筑物或設備上。
建筑物屋面應采用接閃帶、接閃網或接閃桿作為接閃器。接閃網(帶)應沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設,并應在整個屋面組成不應大于10m×10m或12m×8m的接閃網格。利用建筑物鋼筋混凝土屋頂、梁、柱、基礎內的鋼筋作為引下線,使整個大樓為一框架籠式結構。接閃網(帶)應采用Φ12鍍鋅圓鋼或—40×4mm鍍鋅扁鋼。專設引下線不應少于兩根,應沿建筑物四周均勻或對稱布置,其平均間距不應大于18m。
2.供電系統的防雷
由于雷電產生了強大的過電壓、過電流,無法一次性在瞬間完成泄流和限壓,所以電源系統必須采取多級的防雷保護,至少必須采取泄流和限壓前后兩級防雷保護。按照我國現行的相關規范要求規定,電源系統應該采取多級雷電防護。即在電源線路由LPZ0B區入戶進入LPZ1區處加裝一級防雷器,以及在電源線路由LPZ1區進入LPZ2區處安裝第二級防雷器,在需要保護的設備電源及UPS電源輸入端安裝第三級防雷器,并設置電源精密保護。通過使用多級電源防雷措施,徹底泄放雷電過電流、限制過電壓,從而盡可能地防止雷電通過電力線路竄入電子信息系統,損害系統設備。
①在電源線路由LPZ0B區入戶進入LPZ1區的電源總配電柜處可選用PB25-385/B+C/4(limp=25kA,ln=25KA,Up=1.8KV,Uc=385V)電源三相電涌保護器,試驗類別為Ⅰ類試驗。前端串接63A電源斷路器,作為電源系統的第一級防雷保護。
②在電源分配電柜處可選用PC40-385/4(ln=20KA,Up=1.7KV,Uc=385V)電源三相電涌保護器,試驗類別為Ⅱ類試驗,前端串接32A電源斷路器,作為電源系統的第二級防雷保護。
③在需要保護設備電源配電箱及UPS電源進線端處可選用PD20-275/4(ln=10KA,Up=1.2KV,Uc=275V)電源三相電涌保護器,試驗類別為Ⅱ類試驗。前端串接32A電源斷路器,作為電源系統的第三級防雷保護。 ④在直流屏處可選用PC40-85VDC(ln=20KA,Up=0.5KV,Uc=85VDC)直流電源電涌保護器,試驗類別為Ⅱ類試驗,作為直流電源系統的防雷保護。
⑤在機房設備電源處可采用PDU1-J1G08/16(ln=5KA,Up=1.2KV,Uc=275V)型電源分配單元電涌保護器,試驗類別為Ⅱ類試驗,作為電源系統的末端防雷保護。
3.信號線的防雷
現代建筑物內的信息網絡不再是一個信息孤島,它必須是一個互連互通的開放性網絡,來滿足人們信息交換的需求。各建筑物之間以及建筑物與外部網絡之間都需要物理介質的連接,內網與外網連接的通信方式有多種,有通過普通電話雙絞線為通信介質實現互連的,如PSTN(撥號接入)、ISDN技術、DDN技術、ADSL技術等等;有通過5類非屏蔽雙絞線、光纖為介質實現通信連接的。
在上述幾種通信方式中,除光纖介質外(光纖內部金屬在入戶處也應做等電位連接),其它介質都可能因遭受直接雷或感應雷而侵害兩端連接的網絡系統。
為了避免因通信電纜引入雷電侵害的可能性,通常采用的技術是在電纜接入網絡通信設備前首先接入信號避雷器(信號SPD),即在鏈路中串入一個瞬態過電壓保護器,它可以防護電子設備遭受雷電閃擊及其它干擾造成的傳導電涌過電壓,阻斷過電壓及雷電波的侵入,盡可能降低雷電對系統設備的沖擊。由于信號避雷器串接在通信線路中,所以信號避雷器除了滿足防雷性能特征外,還必須滿足信號傳輸帶寬等網絡性能指標的要求。因而選擇相關產品時,應充分考慮防雷性能指標及網絡帶寬、傳輸損耗、接口類型等網絡性能指標。
信號線路防雷可選用SNH-RJ45/16(ln=3KA,Up≤25V,Uc=6V)型網絡信號電涌保護器,試驗類別為Ⅱ類試驗。作為網絡信號系統上的防雷保護。
4.天饋系統的防雷
天饋系統是微波中繼通信的重要組成部分之一,天線起著將饋線中傳輸的電磁波轉換為自由空間傳播的電磁波,或將自由空間傳播的電磁波轉換為饋線中傳輸的電磁波的作用。而饋線則是電磁波的傳輸通道。當饋線采用同軸電纜時,應在同軸電纜引進機房入口處安裝標稱放電電流不小于5KA的同軸SPD,同軸SPD接地端子的接地引線應從天饋線入口處外側的接地線、接閃帶或地網引接。
天饋線的防雷器根據接口形式可采用PR-F、PR-N等天饋線路防雷器,標稱放電電流ln=10KA,電壓保護水平Up≤600V,插入損耗≤3dB,駐波比≤1.2,作為天饋線路上的防雷保護。
5.監控系統防雷
監控系統前端設備有室外和室內兩種,安裝在室內的設備一般不會遭受直擊雷,而安裝于室外的設備,多數處于相對的開闊地帶,直擊雷風險較大,則必須考慮直擊雷防護問題。安防監控系統前端設備,如攝像頭等,應置于接閃器(接閃桿或其它接閃導體)有效保護范圍之內。對于已經處于其它接閃器或高層建筑原有接閃系統保護范圍之內的前端設備,一般可以不再另行考慮直擊雷防護;對于未處于任何接閃系統保護范圍之內的前端設備,則均應考慮直擊雷防護問題。從技術經濟的角度考慮,前端設備直擊雷防護安裝獨立接閃桿不具備可行性,一般都采用將接閃桿架設在攝像機的支撐桿上,引下線可直接利用金屬桿本身(也可采用Φ8的鍍鋅圓鋼或30×3mm鍍鋅扁鋼),但為了防止電磁感應,沿桿引上攝像機的電源線和信號線應穿金屬管敷設,金屬管應可靠接地。
統計數據資料表明,安防監控系統80%以上的雷害事故都是因為與系統相連的線路上感應的雷電侵入波過電壓造成的。因此,做好與系統相連的線路防護是整體防雷中不容忽視的一環。在入戶端將電纜金屬外皮、金屬管與防雷接地有效連接。所有傳輸線路的兩端均應安裝相應的防雷器。
在監控主機前端安裝SV-BNC(ln=3KA,Up≤40V,Uc=12V)視頻信號防雷器,試驗類別為Ⅱ類試驗。作為監控系統傳輸線路上的雷電防護; 在攝像機前安裝OP-SV3/24三合一電涌保護器,電源部分參數為(ln=5KA,Up≤900V,Uc=275V),控制信號部分參數為(ln=3KA,Up≤40V,Uc=12V),試驗類別為Ⅱ類試驗,作為對攝像機的電源線路、信號線路及控制線路防雷保護。
6.等電位連接
所有進入建筑物的水管或其他金屬管道在進入建筑物時進行有效接地并與每層的等電位預留接頭電氣連通。連接采用16mm2多股銅線。建筑物內的所有金屬構件和不帶電金屬外殼必須用6mm2銅線相互連通,并與接地匯流排可靠連接。按照GB50057-2010的要求,一個電子系統的各種箱體、殼體、機架等金屬組件與建筑物接地系統的等電位連接網絡做功能性等電位連接應采用S型星形結構或M型網形結構連接,因此在機房采用40mm×4mm紫銅排沿機房四周敷設,并將機房外側大樓八個構造柱的主鋼筋一一與接地匯流排電氣連通。機房內的所有金屬部件一一就近與接地匯流排連接。
7.屏蔽
建筑物內的所有金屬導線,包括電力電纜、通信電纜和信號線均采用屏蔽線和穿金屬管屏蔽,在機房地墻壁上,金屬門、窗等應和接地預留件進行有效的焊接,使整個機房形成一個法拉第籠,用來防止外來的電磁脈沖干擾機房內設備。
8.合理的布線設計
防御雷電電磁脈沖對室內布線的要求非常嚴格。由于用作引下線的鋼筋混凝土柱內的鋼筋和整個建筑物的屏蔽網都在外墻處,雷電流需經此處的鋼筋分流到接地裝置上,所以外墻處的電流密度大,電磁場強。機房內的電源和通信等線路的主干線應設置在中心部位的電梯井的近旁,并且建筑物內的各種電氣饋線都穿金屬管保護或采用雙層屏蔽電纜(或同軸電纜)。
9.接地系統設計
根據掌握的土壤電阻和土質分布等基本資料,按科學合理,經濟節約的原則,應按均壓、等電位的原理,采用聯合接地系統,防雷接地、低壓配電系統(保護)接地、工作接地、屏蔽接地、等電位接地等共用一個接地系統。建筑物宜利用其鋼筋混凝土基礎作為地網。其工頻接地電阻不應大于1歐姆。如果土壤電阻率較高,接地電阻難以滿足要求,可以通過增加人工接地體并使用降阻材料來降阻。
在建筑物入戶處設置總等電位端子,并與接地裝置相連。將所有進入建筑物的金屬管道及纜線的接地與之相連,如天饋線接地、光纜加強芯的接地、供電線屏蔽管道的接地等。
接地裝置材料選擇,金屬接地體應采用熱鍍鋅材料,在各個焊接點由于已破壞了原來的熱鍍鋅層,因此一定要做防腐蝕處理。垂直接地體長度為1.5~2.5m,垂直接地體間隔為其自身長度的1.5~2倍。接地體上端距地面不小于0.7m,且應在凍土層之下。垂直接地體可采用∟50*50*5mm的角鋼或接地銅棒等材料,水平接地體和接地引入線可采用—40*4mm扁鋼以及接地模塊,并添加降阻劑等材料降低接地電阻。