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防雷方案参考

来源:德恩拓 发布时间:2014-1-9 10:01:28

  随着设备的高度集成化和计算机网络的发展,一方面大型电子计算机网络、程控交换机组等系统设备富含大量的CMOS半导体集成模块,耐过电流、耐雷电压的水平反而随之降低,另一方面由于信号来源路径增多,系统较以前更容易遭受雷电波的侵入,致使雷电灾害频频发生。

  1.1 雷击的分类

  直击雷击――是指雷电直接击在建筑物、构架、树木、动植物上,由于电效应、热效应和机械效应等混合力作用,直接摧毁建筑物,构筑物以及引起人员伤亡等,由于直击雷的电效应,有可能使机房微电子设备遭受浪涌过电压的危害。

  感应雷击――(又称二次雷击)是指雷云之间或雷云对地之间的放电而在附近的架空线路、埋地线路、金属管线或类似的传导上产生感应电压,该电压通过传导体传送至设备,间接摧毁微电子设备。感应雷击对微电子设备,特别是通讯设备和电子计算机网络系统的危害最大,据资料显示,微电子设备遭雷击损坏,80%以上是由感应雷引起的,

  操作过电压――是指当电流在导体上流动时,会产生磁场储存能量,电流越大,导线越长,储能越多,所以当负载(特别是电感性大负载)电器设备开关时,会产生瞬时过电压,操作过电压同感应雷击一样,可以间接损坏微电子设备。

  雷击属于浪涌的一种,浪涌也叫突波,顾名思义超出正常工作电压的瞬间过电压。

  1.2 雷电过电压对大搂内部电子设备的损害主要有以下途径:

  l 网络数据线路在远端遭受直接或感应雷击,沿网络线路进入设备

  l 有线通讯线路在远端遭受直接或感应雷击,沿通讯线路进入设备

  l 建筑物内部的各种线路,感应雷击电磁脉冲辐射,进入设备

  l 电源供电线路在远端遭受直接或感应雷击,沿供电线路进入设备

  l 地电压过高,反击进入设备

  l 天线遭受直接雷击 或 接收感应雷击

  l 避雷针引下线,在避雷针接闪泄放雷电流时,产生的LEMP电磁脉冲辐射

  l 临近建筑物或附近地面、树木等遭受雷击,同时带来LEMP 和 附近地面的跨步电压(地电压反击)

  l 95%的闪电发生在云对云之间,可以产生几百千安培的电流和极强的LEMP

  1.3 对以上途径入侵的雷电压及过电流进行防护手段

  (1) 大楼通过建筑物主钢筋,上端与接闪器,下端与地网连接,中间与各层均压网或环形均压带连接,对进入建筑物的各种金属管线实施均压等电位连接,具有特殊要求的各种不同地线进行等电位处理。

  应符合下列要求:

  l 安装的避雷针或避雷线()应使被保护的建筑物及风帽、放散管等突出屋面的物 体均处于接闪器保护范围内。

  l 所有避雷针应采用避雷带互相连接。

  l

  建筑物应装设均压环。

  l 防直击雷的接地装置应围绕建筑物敷设成环型接地体,每根引下线的冲击接地电阻不应大于10欧姆。

  2)对计算机通信网络系统在建筑物楼内的布线和接地方式有如下要求:

  l 通信电缆以及地线的布放应尽量集中在建筑物的中部。

  l 通信电缆线槽以及地线线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横粱并沿建筑物立柱或横梁布线较长的距离,通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能位于距离建筑物立柱或横梁较远的位置。

  (3)根据雷电保护区的划分要求,建筑物大楼外部是直接雷的区域,在这个区域内的设备最容易遭受损害,危险性量高,足暴露区,为0;建筑物内部及计算机房所处的位置为非暴露区,可将其分为1区、2区,越往内部,危险程度越低,雷电过电压对内部电子设备的损害主要是沿线路引入。保护区的界面通过外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成的屏敝层而形成。电气通道以及金属管则通过这些界面,穿过各级雷电保护区的金属构件必须在每一穿过点做等电位连接。

  进入建筑物大搂的电源线和通讯线应在LPZ0LP1 LPZ1LPZ2区交界处,以及终端设备的前端根据IEC1312——雷电电磁脉冲防护标准,安装上电源SPD,以及通讯网络类SPD(如图1-2)(SPD瞬态过电压保护器)SPD是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手段。

  1.4有外部防雷措施更需要内部防雷措施

  我们知道外部防雷措施中避雷设施的引下线在避雷设施接闪以后,会有很大的瞬变电流通过,也就是说在周围会产生很大的瞬变电磁场(LEMP)。因此,安装了外部避雷措施不能代替内部防雷措施。再者,我们都知道,避雷针的工作原理是引雷,所以在概率上来说,安装了避雷针以后,建筑物的避雷系统遭受雷击的可能性会增大,也就是说LEMP发生的几率会变大和产生点的距离会缩短(引下线处),所以安装了外部避雷措施的含有电脑网络等系统的大厦更加需要内部防雷措施

  1.5 电源系统保护

  为尽量降低侵入电源的的过压,可如图一样在电力线上分区加装避雷器,通过多级避雷措施后可将侵入设备的残压限制到一个合理的水平。

  进行三级防雷是因为能量需要逐级泄放和传输线路会感应LEMP(雷击电磁脉冲辐射)

  l 第一级防雷的目的: 防止直接的传导雷进入 LPZ 1区,将上万至数十万付的浪涌电压限制到2500-3000

  l 第二级防雷的目的: 进一步将通过第一级防雷器的残余浪涌电压或限制到1500-2000伏,对LPZ1 - LPZ 2 实施等电位连接。

  l 第三级防雷的目的: 最终保护设备的手段,将残余浪涌电压的值降低到1000伏以内,使浪涌的能量不致损坏设备。

  1.6 网络通讯系统的保护

  信息传输线的雷电防护原理与电源线是基本相同的,只不过通过信息传输线的雷电流和工作电流均较小,这样放电器、耦合阻抗的体积都较小,可以在一个避雷器内实现多级防雷措施。另外无线传输网络的天线工作在LPZ0A区,电磁环境恶劣,应加装天线避雷器。为方便安装和保证网络信息传送通畅,应根据网络的工作参数和连接方式选用合适的网络避雷器。

  总的来说,采用避雷器还应注意:

  1. 防雷保护器必须经过接地端以尽可能短的路径接地

  2. 各种接地尽可能统一,构成等电位,防止地电流反击

  3. 信号防雷器连接必须与数据进线方向一致

  4. 不同类型的数据传输线应选用不同类型的保护器

  5. 受保护设备应远离进线

  6. 电源、信号多级保护(在进线处、户内线距较长、线与线间的反串)

  1.7 等电位连接

  在IEC标准中指出等电位连接是内部防雷措施的一部分,其目的在于减少雷电流所引起的电位差。等电位,是用连接导线或过电压(电涌)保护器,将处在需要防雷空间内的防雷装置和建筑物的金属构架、金属装置、外来导线、电气装置、电信装置等连接起来,形成一个等电位连接网络,以实现均压等电位。

  所有从室外进入的金属导体(包括水管、气管,电缆屏蔽层或电缆屏蔽管)应在进入防雷区的交界处就近直接接地,不能直接接地的导体(如电力线、传输线等)应通过避雷器接地,电力、通信电缆应穿金属管并埋地进入机房,穿管埋地的距离应大于25。室内设备的金属部分应可靠接地,所有的接地必须实在同一个接地基准点上,这个基准点在工程上称为汇流排或均压环,这样就能保证室内设备不会因为地电位升高而产生电位差。

  实行等电位连接的主体应为:

  l 设备所在建筑物的主要金属构件和进入建筑物的金属管道;

  l 供电线路含外露可导电部分;

  l 防雷装置;

  l 由电子设备构成的信息系统。

  信息系统的等电位连接:

  当采用S型等电位连接网络时,该信息系统的所有金属组件,除等电位连接点外,应与共用接地系统的各组件有足够的绝缘(>10kV 1.2/50μs)。本网络应仅通过唯一的一点(即接地基准点 ERP)组合到共用接地系统中去。在此情况下,在各设备之间的所有线路和电缆应按照星形结构与各等电位连接线平行敷设,以避免产生感应环路。由于采用唯一的一点进行等电位连接,故不会有与雷电有关联的低频电流进入信息系统,而信息系统内的低频干扰源也不会产生大地电流。做等电位连接的这唯一的点也是接电涌保护器以限制传导来的过电压的理想连接点。

  如果采用M型等电位连接网络,则该信息系统的各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘。M型等电位连接网络应通过多点组合到共用接地系统中去。通常,本网络用于延伸较大和开环的系统,而且在设备之间敷设许多线路和电缆,服务性设施和电缆在几个点进入该信息系统。本网络用于各种高频也能得到一个低阻抗网络。这种网络所具有的多重短路环路对磁场将起到衰减环路的作用,从而在信息系统的邻近区使初始磁场减弱。

  在复杂系统中,两种型式(M型和 S)的优点可组合在一起。

  第二章、设计依据及设计目标

  本方案设计依据以下规范:

  1.《建筑物防雷设计规范》 GB50057-94

  2.《电子计算机机房设计规范》 GB50174-93

  3.《建筑物防雷设施安装》 99D562

  4.《防雷器的选择》 IEC61312-3

  5.《雷击电磁脉冲的防护》 IEC61024-1

  6.《低压防雷器》 IEC 61643-1-1

  7.《低压防雷器的安装》 IEC61643-1-2

  8.《低压线路上的过电压》 IEC62066

  9.《通信防雷器》 IEC61644-2-1

  防雷工程是一个系统工程,必须综合考虑,将外部防雷措施和内部防雷措施(接闪功能、分流影响、均衡电位、屏敝作用、合理布线、加装过电压保护器等多项重要因素)作为整体来统一考虑防雷措施。

  本设计本着遵循整体防御、综合治理、多重保护、层层设防的方针,依据以上防雷规范,力求最大限度地避免由于雷击造成重要设备损害。

  设计方案

  本方案供仅参考

  本方案只包括中控室与前端摄像机电源系统、信息系统等方面的雷电过电压的防护。不包括直击雷防护。

  工程相关叙述:

  前端设备:一共36台摄像机,其中井下15台固定式摄像机,地上21(包括12个带云台控制摄像机,9个固定式摄像机)

  传输设备:视频、控制全部采用线缆连接。电源由主控制中心集中供电,传输AC220伏至前端变压成DC12伏和DC9伏。

  终端设备:模拟矩阵控制,数字记录,电视墙显示。

  方案的具体内容

  1电源系统的防护

  经实践经验证明,由电源系统耦合进入的感应雷击造成设备的损坏占雷击灾害损失概率的70%以上。因此对电源系统的防雷保护是整个防雷工程中必不可少的一个环节。

  电源防雷器并联安装于供电线路上,因此,在选择防雷器时要保证防雷器能够起到保护作用,同时还要考虑到防雷器对雷电流的通流能力,所以在防雷器的选型上应注意下列问题。

  对不同的供电接地系统选用不同的防雷器;

  最大持续工作电压的选择;

  残压的选择;

  报警功能的选择;

  空气开关的选择;

  能量配合的选择;

  按照国际电工标准IEC1312-1技术要求,应将大楼需要保护的空间划分为不同的防雷区,以确定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和相应的防护对策。

  根据实际情况和要求及防雷原理,因此本方案电源系统建议进行CD级防雷保护,将过电压引入大地,采用逐级降的原则,使过电压降到对设备无害的值。

  电源系统实行CD级防雷防过电压保护,阐述如下:

  C级:其主要作用是将大部分的雷电流泄放入地。

  在控制中心的电源总进线处安装一台单相电源防雷箱作为中控室电源系统雷电过电压防护的初级保护。防雷箱与防雷模块均采用并联连接方式,对供电容量不引起丝毫的影响。防雷器相、零线用不小于10mm2多股铜线连接,地线用不小于16mm2多股铜线连接。

  尽管在外接引入的电源线路上已安装了电源防雷保护装置,作为信息系统的各种信号线也是一个引雷的主要途径。因此,必须考虑信号线路的防雷保护。

根据国家相关标准,信号线路超过30就要在前端与后端设备都安装相匹配的防雷器。由于信号线路在距离超过30或更长距离、雷电很可能感应在架空线路的中间。雷电流呈抖动状态、感应走向是朝线路的两端窜入将设备击坏,如果在线路超过30的情况下只在某一端安装避雷器,那么雷电很可能将另一端设备击坏。因此也就起不到两端的雷电过电压防护。

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