淺談弱電系統(tǒng)中的防雷

樊永申

摘要:雷電可分為直擊雷、感應(yīng)雷(包括靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng))和球形雷,文章對(duì)雷電的三種表現(xiàn)形式進(jìn)行了分析,重點(diǎn)探討了直擊雷和感應(yīng)雷對(duì)弱電系統(tǒng)的危害以及預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞:直擊雷;感應(yīng)雷;弱電系統(tǒng);防雷措施;球形雷

中圖分類號(hào):TM865文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)18-0005-02

一、雷電的分類

雷電是雷云層接近大地時(shí),地面感應(yīng)出相反電荷,當(dāng)電荷積聚到一定程度,產(chǎn)生云和云之間以及云和大地之間放電,迸發(fā)出光和聲的現(xiàn)象。雷電可分為直擊雷、感應(yīng)雷(包括靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng))和球形雷。

(一)直擊雷

大氣中帶有電荷的雷云對(duì)地電壓可高達(dá)幾億伏。雷云同地面凸出物之間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣的擊穿強(qiáng)度時(shí),產(chǎn)生的放電現(xiàn)象稱為直擊雷。此時(shí)雷電的主要破壞力在于電流特性而不在于放電產(chǎn)生的高電位。大氣放電直接通過地面建構(gòu)筑物和地面設(shè)備,強(qiáng)大的雷電流經(jīng)過這些物體入地,在瞬間產(chǎn)生很大的機(jī)械振動(dòng)力和高溫高熱使物體遭到破壞。當(dāng)雷電流通過具有電阻或電感的物體時(shí)將產(chǎn)生很大的電壓降和感應(yīng)電壓,能破壞絕緣,產(chǎn)生火花,引起燃燒、爆炸,使設(shè)備部件熔化,在雷電流流過的通道上物體水分受熱汽化而劇烈膨脹,產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊性機(jī)械力。該機(jī)械力可以達(dá)到5000~6000N,因而可使人體組織,建筑物結(jié)構(gòu)、設(shè)備部件等斷裂破碎,從而導(dǎo)致人員傷亡、建筑物破壞,以及設(shè)備毀壞等。

(二)感應(yīng)雷

感應(yīng)雷是指當(dāng)雷云來臨時(shí)地面上的一切物體,尤其是導(dǎo)體,由于靜電感應(yīng),都聚集起大量的雷電極性相反的束縛電荷,在雷云對(duì)地或?qū)α硪焕自崎W擊放電后,云中的電荷就變成了自由電荷,從而產(chǎn)生出很高的靜電電壓(感應(yīng)電壓),其過電壓幅值可達(dá)到幾萬到幾十萬伏,這種過電壓往往會(huì)造成建筑物內(nèi)的導(dǎo)線,接地不良的金屬物導(dǎo)體和大型的金屬設(shè)備放電而引起電火花,從而引起火災(zāi)、爆炸、危及人身安全或?qū)╇娤到y(tǒng)造成的危害。另一種情況是,在雷電閃擊時(shí),由于雷電流的變化率大而在雷電流的通道附近就形成了一個(gè)很強(qiáng)的感應(yīng)電磁場(chǎng),對(duì)建筑物內(nèi)的電子設(shè)備造成干擾、破壞,又可能使周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而產(chǎn)生大量的熱而引起火災(zāi)。另外,當(dāng)架空線遭受直擊雷或產(chǎn)生感應(yīng)雷,高電位便會(huì)沿著導(dǎo)線電源線以及信號(hào)侵入變電站或建筑物內(nèi),這種雷電波侵入也會(huì)對(duì)電氣設(shè)備造成危害或使建筑物內(nèi)的金屬設(shè)備放電,引起破壞作用。它分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷。

1.靜電感應(yīng)雷:是由于帶電積云接近地面,在架空線路導(dǎo)線或其他導(dǎo)電凸出物頂部感應(yīng)出大量電荷引起的。它將產(chǎn)生很高的電位。

2.電磁感應(yīng)雷:是由于雷電放電時(shí),巨大的沖擊雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)磁場(chǎng)引起的。這種迅速變化的磁場(chǎng)能在鄰近的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)。雷電感應(yīng)引起的電磁能量若不及時(shí)泄入地下,可能產(chǎn)生放電火花,引起火災(zāi)、爆炸或造成觸電事故。

(三)球形雷

球形雷通常認(rèn)為是一個(gè)熾熱的等離子體,溫度極高,并發(fā)生紅色、橙色的球形發(fā)光體,直徑在10～20cm以上。球雷常沿著地面滾動(dòng)或在空氣中飄動(dòng),可從煙囪、門窗或其他縫隙進(jìn)入建筑物內(nèi)部,有時(shí)也自行消失,或傷害人身和破壞物體。

現(xiàn)在智能建筑主要由建筑自動(dòng)化系統(tǒng)(BAS)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)(OAS)、信息通信系統(tǒng)(CAS)三個(gè)系統(tǒng)組成,并利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)將此三個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成。即將智能建筑管理系統(tǒng),以語言、數(shù)據(jù)、視頻、監(jiān)控等不同信號(hào)的配線系統(tǒng)經(jīng)過統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計(jì),綜合成一套標(biāo)準(zhǔn)的布線系統(tǒng),作為建筑物內(nèi)部之間的傳輸網(wǎng)絡(luò)的綜合布線系統(tǒng)(GCS),又名弱電系統(tǒng),可分為建筑物內(nèi)綜合布線、建筑物群內(nèi)部之間的綜合布線。

從以上關(guān)于智能建筑的有關(guān)構(gòu)成中可以看出,智能建筑線纜密布、系統(tǒng)設(shè)備繁多、微電子裝備復(fù)雜,且過電壓防護(hù)能力薄弱,為保證系統(tǒng)、設(shè)備安全正常運(yùn)行,必須采取專門、特殊的措施加以保護(hù),而防雷、接地則是重要必備和有效的保護(hù)措施之一。

直擊雷的防護(hù)系統(tǒng)主要是為了保護(hù)建筑物免受直接雷擊引起火災(zāi)事故及人身安全事故,須從接閃裝置、引下線、接地裝置等三個(gè)方面綜合考慮。

接閃裝置就是我們常說的避雷針、避雷帶、避雷線或避雷網(wǎng),接閃就是讓在一定程度范圍內(nèi)出現(xiàn)的閃電放電不能任意地選擇放電通道,而只能按照人們事先設(shè)計(jì)的防雷系統(tǒng)的規(guī)定通道,將雷電能量泄放到大地中去。

接地裝置就是讓已經(jīng)引入防雷系統(tǒng)的閃電電流順利地流入大地,而不能讓雷電能量集中在防雷系統(tǒng)的某處對(duì)被保護(hù)物體產(chǎn)生破壞作用,良好的接地才能有效地泄放雷電能量,降低引下線上的電壓,避免發(fā)生反擊。

引下線就是把接閃裝置和接地裝置連接起來。

對(duì)于直擊雷重要的一點(diǎn)就是做到均壓,接閃裝置在接閃雷電時(shí),引下線立即產(chǎn)生高電位,會(huì)對(duì)防雷系統(tǒng)周圍的尚處于地電位的導(dǎo)體產(chǎn)生旁側(cè)閃絡(luò),并使其電位升高,進(jìn)而對(duì)人員和設(shè)備構(gòu)成危害。為了減少這種閃絡(luò)危險(xiǎn),最簡單的辦法是采用均壓環(huán),將處于地電位的導(dǎo)體等電位連接起來,一直到接地裝置。室內(nèi)的金屬設(shè)施、電氣裝置和電子設(shè)備,如果其與防雷系統(tǒng)的導(dǎo)體,特別是接閃裝置的距離達(dá)不到規(guī)定的安全要求時(shí),則應(yīng)該用較粗的導(dǎo)線把它們與防雷系統(tǒng)進(jìn)行等電位連接。這樣在閃電電流通過時(shí),室內(nèi)的所有設(shè)施立即形成一個(gè)“等電位島”,保證導(dǎo)電部件之間不產(chǎn)生有害的電位差,不發(fā)生旁側(cè)閃絡(luò)放電。完善的等電位連接還可以防止閃電電流入地造成的地電位升高所產(chǎn)生的反擊。

以弱電系統(tǒng)的防雷而言,除雷電直擊外,最具有破壞作用的是二次效應(yīng),也就是靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷,由于雷電具有高電位、大沖擊電流、瞬時(shí)性的特點(diǎn),強(qiáng)大的閃電產(chǎn)生靜電場(chǎng)、交變電磁場(chǎng)和電磁輻射,以雷電波侵入、地電位反擊等形成雷電電磁脈沖LEMP,產(chǎn)生強(qiáng)大的變電磁場(chǎng)、使周圍的金屬產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和感應(yīng)電流。

隨著微電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用,雷電浪涌是引起人們極大重視的一種雷電危害,同時(shí)其防護(hù)方式也不斷完善。最常見的電子設(shè)備危害不是由于直接雷擊引起的,而是由于雷擊發(fā)生時(shí)在電源和通訊線路中感應(yīng)的電流浪涌引起的。一方面由于電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化,從而造成設(shè)備耐壓、耐過電流的水平下降,對(duì)雷電(包括感應(yīng)雷及操作過電壓浪涌)的承受能力下降,另一方面由于信號(hào)來源路徑增多,系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波侵入。雷電浪涌對(duì)弱電設(shè)備的危害主要分為電源浪涌和信號(hào)系統(tǒng)浪涌兩方面。電源浪涌屬于強(qiáng)電的范疇,不在本文討論之中。

信號(hào)系統(tǒng)浪涌電壓的主要來源是感應(yīng)雷擊、電磁干擾、無線電干擾和靜電干擾。金屬物體(如傳輸線)受到這些干擾信號(hào)的影響,會(huì)使傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼,影響傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和傳輸速率。排除這些干擾將會(huì)改善網(wǎng)絡(luò)的傳輸狀況。

屏蔽防雷措施的目的是阻擋空間電磁波感應(yīng)、過電壓以及磁場(chǎng)能量侵入被保護(hù)的通信設(shè)備,起到抑制、消除電磁場(chǎng)的干擾和危害。建筑通信機(jī)房時(shí),房屋的六面應(yīng)敷設(shè)金屬屏蔽網(wǎng);進(jìn)出機(jī)房的電力線、信號(hào)線如無屏蔽層,從室外引入前必須穿管埋地;架空音頻電纜的牽引鋼絲兩端應(yīng)進(jìn)行接地,最大限度衰減從各種導(dǎo)線上引入雷電高電壓,以減少雷電電磁干擾。

隔離措施:由弱電自動(dòng)化裝置構(gòu)成的控制系統(tǒng)中必須解決好接口信號(hào)的隔離,抑制傳輸過程中產(chǎn)生的各種干擾,才能使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。電源部分可以安裝交流電源隔離變壓器;對(duì)于數(shù)字輸入信號(hào),大部分都利用光電隔離器或者串接各種信號(hào)防雷設(shè)備,也有一些使用脈沖變壓器隔離和運(yùn)算放大器隔離;對(duì)于數(shù)字輸出信號(hào)也是主要采用光電隔離器或者串接各種信號(hào)防雷設(shè)備。對(duì)于模擬量輸入信號(hào),可采用安裝音視頻隔離變壓器、光隔離器等進(jìn)行隔離。對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口,可以采用專用的網(wǎng)絡(luò)防雷器,距離較遠(yuǎn)時(shí)可采用光纖進(jìn)行傳輸。

二、結(jié)語

弱電設(shè)備的防雷問題是一個(gè)綜合性的工作,隨著對(duì)雷電認(rèn)識(shí)的深入,越來越多的人利用科學(xué)知識(shí)來減少雷電對(duì)弱電設(shè)備的損壞,防患勝于救災(zāi),多一道防護(hù)就多一層安全。

參考文獻(xiàn)

[1]王道洪,郄秀書,郭昌明.雷電與人工引雷[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2000.

[2]虞昊,等.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1995.

[3]建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50057-94)[S].2000.