淺談智能建筑弱電系統防雷

王志強

[摘 要]智能建筑是將計算機技術、通信技術與建筑藝術有機結合的建筑物,是高科技與現代建筑的巧妙集成,隨著人們生活水平的不斷提高,智能建筑得到了迅猛發展,并已成為21世紀建筑業的發展主流。但布線縱橫交錯使得智能建筑中的弱電系統對浪涌較為敏感,電路的雷電承受能力進一步下降,特別是綜合布線連接的網絡交換機、服務器、計算機、監控系統、終端設備容易遭受雷電的侵害,因而這些網絡系統的各類接口應具有更好的防雷性能。本文著重論述智能建筑弱電系統的防雷與接地。

[關鍵詞]弱電系統;接地;浪涌;防雷

智能建筑受到雷擊時,沖擊電位分布和空間瞬時電磁場將關系到建筑物內人身和設備的安全。由于受沖擊時地電位升高,將影響到建筑物內外有電氣聯系的網絡系統。合理的設備布局可有效減少雷害;采用聯合接地可有效解決地電位的影響;在建筑物內終端設備的接口處安裝浪涌保護裝置,并對出入纜線采取屏蔽、接地等措施,可有效減少雷電對弱電系統的侵害。

一、智能建筑弱電系統遭受雷擊的因素

弱電系統作為整個建筑物的核心要害信息中樞,自然要預先消除任何事故誘發的因素。雷電對智能建筑的設備危害來自三個方面,首先,浪涌電流沿著纜線進入網絡系統;其次,由于地電位對網絡系統產生影響,設備的沖擊阻抗的反擊地電位通常可達數十至數千伏;另外,現代的計算機網絡對雷電極為敏感,即使幾公里以外的高空雷閃或對地雷閃都有可能導致這些設備的薄弱環節——計算CPU控制中心誤動或損壞。各個子系統的配電單元及計算機網絡與外界聯系的信號數據線、建筑物內部較長的網絡數據線、衛星小站的高頻頭、天饋線應該是雷擊的核心。雷擊時雷電流在建筑物內的分布直接影響到網絡系統設備,特別是對雷擊敏感的計算機控制單元及數字終端設備,合理的布局可將雷害的損失降低到最低限度。采用聯合接地,均壓等電位可有效解決地電位升高的影響,而在設備間、建筑群子系統、管理子系統、垂直和水平子系統、配電系統、UPS、交換機、服務器、Hub、監控系統、終端設備的接口處安裝浪涌保護裝置,并對大樓的出入纜線采取屏蔽、接地等措施,可有效減少雷電對信號及網絡系統的侵害。衛星通信及無線通信天饋線屏蔽與接地,根據饋線的長度輔以同軸雷電過電壓保護器可充分抑制雷電流通過饋線系統進入衛星收發信機的量級。

二、弱電系統電子設備防浪涌要求

1.耐壓要求。當瞬間電壓超過電子設備的絕緣耐壓值時,其安全性能會降低,甚至被毀。因而電子設備的瞬間過電壓應該小于其絕緣耐壓值,正常的工作電壓應小于保護電壓。

2.過流保護要求。電子設備的過流能力一般設計為額定電流的1.5～2倍,以此為標準選擇電子元器件。如額定電流為0.22 A的計算機其最大過流能力約為0.45A,當電流大于該值時,電子設備所選用的電子元器件將會燒壞而無法正常工作,因而應該保證到達電子設備的瞬間過電流小于其額定電流的1.5～2倍。

3.動態響應時間的要求。電子設備在設計過程中,已經采用了許多保護器件,如快熔器、壓敏電阻、空氣開關、繼電保護器件等,每種保護器件都有特有的動態響應時間(如空氣開關、繼電保護器件其動態響應時間約在200 ms左右),而每種電子設備也有其保護響應時間,因而流過電子設備的浪涌的瞬態時間應該大于電子設備的動態響應時間,避免保護器件來不及響應而使浪涌通過電子設備。

4.接地保護要求。電子設備在安裝時,應做到良好接地,否則雷電所產生的浪涌能量不能有效地對地泄放而擊毀器件。接地線在瞬間遭受浪涌以電感方式存在,其典型值為1μH/m,接地線上的壓降為U1=L×di/dt。對于1.5 m長的接地線L≈1.5μH,雷電在瞬間(如100μs)產生的幾百安培(500 A)浪涌脈沖,其di/dt=5×10 A/s,此時接地線上的壓降U1=L×di/dt=1.5×10×5×10=7.5 V,設備將承受500 A×7.5 V=3750 W的浪涌能量,該能量將可能損傷或毀壞大部分電子設備。因此,對電子設備作可靠的接地保護,能使到達電子設備外殼的電壓較小,起到安全保護的作用。但僅作接地保護是遠遠不夠的,還必須加裝浪涌保護裝置。因外界侵入的浪涌能量將首先通過電子設備再對地泄放,這樣流經電子設備的浪涌電流基本不變,其能量有可能很大,電子設備仍有可能被損壞;因此接地保護對于電子設備而言只能是一種輔助性保護。

三、弱電系統防浪涌措施

根據IEC61312標準,弱電系統應設置多級防雷保護措施,一般為三級配置。由于雷電流主要是由首次雷擊電流和后續雷擊電流所組成,因此,雷電過電壓的保護必須同時考慮到如何抑制(或分流)首次雷擊電流和后續雷擊電流。在采取多級保護措施的同時,還必須考慮各級之間的能量配合和解耦措施。弱電系統的防雷可采用兩種措施,即外部防雷和內部防雷。外部防雷可將絕大部分雷電流直接引入地下泄散;內部防雷可阻塞沿電源或信號線所引入的雷電波。這兩道防線,互相配合,各盡其職,缺一不可。

1.外部防雷與接地。外部防雷主要指建筑物的防雷,一般是防護直擊雷,它是防雷技術革新的主要組成部分,其技術措施可分接閃器(避雷針、避雷帶、避雷網等金屬接閃器)、引下線、接地體和法拉第籠等。接地電阻應符合相關標準,一般為4Ω。對某些設備制造廠商有特殊接地要求,將直流地與其它接地類型分開以避免電磁干擾和零地電位升高。但當有雷電對地泄放時,高電壓將通過直流地反擊設備。因此對于這種情況宜在防雷地和直流地之間加裝地電位均衡器,避免反擊現象。

2.內部防雷。內部防雷系統主要是對建筑物內易受過電壓破壞的設備加裝過壓保護裝置,在設備受到過電壓侵襲時,保護裝置能快速動作泄放能量,從而保護設備免受損壞。內部防雷分為電源防雷和信號防雷。

(1)電源防雷系統。電源防雷系統主要是防止雷電波通過電源線路對計算機及相關設備造成危害。為避免高電壓經過防雷器對地泄放后的殘壓或因更大的雷電流在擊毀防雷器后繼續毀壞后續設備,以及防止線纜遭受二次感應,依照有關防雷工程試行草案,應采取分級保護、逐級泄流的原則。一是在電源的總進線處安裝放電電流較大的一級電源防雷器,二是在重要樓層或重要設備電源的進線處加裝二級或三級電源防雷器。為了確保遭受雷擊時,高電壓首先經過一級電源防雷器,然后再經過二級電源防雷器,一級電源防雷器和二級電源防雷器之間的距離要大于10～15 m,如果兩者間距不夠,可采用帶線圈的防雷箱,這樣可以避免二級電源防雷器首先遭受雷擊而損壞。

(2)信號防雷系統。由于雷電波在線路上能感應出較高的瞬時沖擊能量,因此要求弱電系統通信設備能夠承受較高能量的瞬時沖擊,而目前大部分設備由于電子元器件的高度集成化而使耐過電壓、耐過電流水平下降,必須在網絡通信接口處加裝必要的防雷保護裝置以確保弱電系統的安全運行。對通信系統進行防雷保護,選取適當保護裝置非常重要,應充分考慮防雷產品與通信系統匹配。對于信息系統,應分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據所屬保護區的級別確定,精細保護要根據電子設備的敏感度來進行確定。

四、防雷產品在智能建筑中的應用

弱電系統雷電及浪涌防護產品是針對特定的要求來設計的,技術指標繁多,在選用時需要認真分析。目前在弱電系統中使用的主要防護設備有:用于2MHz以下音頻通信線路的MDF保安單元,用于15MHz以下接入網線路的xDSL浪涌保護器,用于百兆局域網的寬帶網絡浪涌保護器,用于控制系統、低速網絡的數據線浪涌保護器,用于天饋回路的天饋防雷器等。

智能建筑雷電防護是一個系統性的工程,需要分別針對不同的系統采取不同的防護方法,使用不同的防護產品,根據現場情況作好方案設計是十分重要的。“系統性”要求在整個防雷工程保護范圍內作全面地考慮,僅僅針對重點設備或以往發生過事故的設備做一些局部的防護是不夠的。有的用戶反映在完成防雷工程后,損壞的頻率增多發生的位置也更不確定,部分原因便與防護工程存在“系統性”的缺陷有關。當一個沒有安裝防護設備的網絡受到對地浪涌電壓沖擊時,電壓往往作用于傳輸線路與地之間的絕緣結構上,如果某一線路的這個結構可以承受數千伏的沖擊而不出現擊穿現象當然也不會產生浪涌電流,可能不會產生任何損傷。但在傳輸線路上的某個位置安裝了一套防護設備后,由于保護電壓很低,因此在同樣的浪涌電壓產生時會產生浪涌電流,進一步的將在傳輸線路和地線上產生浪涌電壓,引起電壓反擊,從而對網絡上連接的所有設備都造成一定的影響。因此必須同時考慮所有設備、線路的防護要求。

弱電系統通信網絡的主要功能是進行大量的信息傳送,特別是高速通信系統對網絡的傳輸性能有很高的要求,通信網絡上使用的防護設備必須同時具備良好的防護性能和優異的傳輸指標。從傳輸的角度來看,防護設備連接在通信網絡上相當于增加了網絡的分散參數,增加了線路損耗,對傳輸性能會造成一定的影響。如安裝的防護設備傳輸性能較差,勢必降低網絡傳輸速率,影響網絡穩定性,所造成的損失可能比遭雷電破壞還大得多。因此,在選擇通信網絡防護設備時需要根據防護要求和信號傳輸要求綜合選擇。在接入網線路中除了正常通信信號以外,還可能存在遠供電源的電壓,防護設備需要設計有一個電壓動作區間。此外,出局線路可能與電力線相碰觸,防護器件需要同時具備防護工頻電壓、電流的能力。

總之雷電及浪涌傷害事故存在許多不確定的因素,原因是復雜的,有了合適的優質防雷產品,配合合理的系統設計,就能達到明顯的防雷效果。在防雷工程的設計和施工中有許多經驗是需要認真學習的。只要我們以科學認真的精神通過不斷地學習、實踐、總結,必然能夠將防雷工作做得更好。

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(編輯/永安)