弱電系統(tǒng)防雷分析與設(shè)計(jì)

程敏

（湖北省蘄春縣氣象局 湖北黃岡 435300）

1 前言

雷電發(fā)生在因強(qiáng)對流而形成的雷雨云中，是一種云地之間強(qiáng)烈瞬間放電現(xiàn)象。目前我國雷電發(fā)生的頻率特征是：陸地多于海洋，夏季多于春秋季。雷電產(chǎn)生的電壓可高達(dá)數(shù)百萬伏，瞬間電流可高達(dá)數(shù)十萬安培[1～2]。因此，一次雷電發(fā)生的時(shí)間雖然非常短，但其卻能釋放出威力巨大的能量。雷擊分為直接雷擊和感應(yīng)雷擊兩類。直接雷擊聲光并發(fā)，電閃雷鳴，它是直接擊在大地、建筑物、防雷裝置或其它物體上，產(chǎn)生顯著的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力，造成被擊中物體的破壞和傷亡，尤其對建筑物、輸電線、人、畜等影響巨大。而感應(yīng)雷擊則不能被人直觀察覺，但后果嚴(yán)重，它是由于雷雨云放電時(shí)的電磁感應(yīng)作用或靜電感應(yīng)，使建筑物上的金屬物件，如管道、鋼筋、電線等感應(yīng)出與雷雨云電荷相反的電荷，造成金屬部件間的放電現(xiàn)象，其主要通過電源線、信號線、天饋線或地電位反擊等方式進(jìn)入室內(nèi)造成用電設(shè)備的損壞或工作人員的傷亡[3]。本文對雷電產(chǎn)生破壞的原理和造成危害的主要途徑進(jìn)行了分析。結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉⒌匦?、環(huán)境和弱電系統(tǒng)防雷現(xiàn)狀等多種因素對蘄春縣水利大樓做了一個完整的防雷設(shè)計(jì)，給出了最佳的設(shè)計(jì)方案。

2 弱電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

2.1 弱電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)的重要意義

隨著城市化的發(fā)展，高層建筑和電器設(shè)備的增多，弱電系統(tǒng)往往受到能量巨大的雷電侵襲時(shí)損失巨大，所以弱電系統(tǒng)防雷受到越來越多的關(guān)注[4]。特別是蘄春地區(qū)雷雨頻繁，且蘄春縣水利大樓四周空曠，地勢相對較高，進(jìn)戶電源、信號線路未做任何屏蔽、接地措施，所以很容易造成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等遭受雷擊損壞，蘄春縣水利大樓每年都會因?yàn)槔讚羰鹿试斐梢恍p失，所以對弱電系統(tǒng)做好防雷設(shè)計(jì)有非常重要的意義。

2.2 弱電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 直擊雷的防護(hù)

直擊雷的防護(hù)是保護(hù)建筑物或者其他物體本身不受到雷電的損害，將強(qiáng)大的雷電流沿著防雷設(shè)備或者建筑物框架泄入大地。防直擊雷主要采用避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷線等傳統(tǒng)避雷裝置，只要按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)施工，就能對直擊雷進(jìn)行有效的防御。

2.2.2 感應(yīng)雷防護(hù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，儀器設(shè)備遭受雷擊傷害的60～80%是由雷電波侵入電源線竄入設(shè)備而引起的，因此，對電子儀器設(shè)備的供電系統(tǒng)進(jìn)行防雷保護(hù)顯得十分重要。國標(biāo)GB50057-94（2000年版）規(guī)定，當(dāng)電源采用TN系統(tǒng)時(shí)，從建筑物內(nèi)總配電盤（箱）開始引出的配電線路和分支線必須采用TN-S系統(tǒng)[5]。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定當(dāng)供電為TN-C系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)將TN-C系統(tǒng)改造為TN-C-S系統(tǒng)，低壓供電系統(tǒng)入戶后，N線和PE線必須分開。

在供電系統(tǒng)變壓器的低壓電進(jìn)入分配電柜前端以及重要設(shè)備前端安裝相應(yīng)的浪涌保護(hù)器，能有效預(yù)防雷電波從電源系統(tǒng)侵入，從而保護(hù)供電、用電設(shè)備。第2、3…N級同時(shí)還能有效的抑制感性負(fù)載的操作過電壓，起到一定的電源凈化作用，這對于設(shè)備的安全運(yùn)行和延緩設(shè)備老化有著積極的意義。

3 現(xiàn)場勘察及雷擊環(huán)境分析

歷史氣象資料統(tǒng)計(jì)表明：蘄春縣屬于濕度較大地區(qū)，年雷暴日為47天，屬于雷電多發(fā)地帶，為多雷區(qū)（GB50343-2004定義）。

蘄春縣水利大樓位于蘄春縣漕河鎮(zhèn)，最高八層?，F(xiàn)從蘄春縣水利大樓地理位置、供電系統(tǒng)、直擊雷保護(hù)環(huán)境來分析：①建筑物四周空曠，相對較高，且建筑物設(shè)避雷帶進(jìn)行直擊雷防護(hù)，進(jìn)戶電源、信號線路未做任何屏蔽、接地措施，所以總進(jìn)線控制柜遭受多次雷擊是必然的；②沒有在供電線路總線使用電涌保護(hù)器進(jìn)行防護(hù)；③辦公用局域網(wǎng)的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、集線器等沒有電涌保護(hù)措施和等電位連接措施；④監(jiān)控系統(tǒng)未做接地措施，未安裝電涌保護(hù)器，且曾受過雷擊損壞。

4 防雷的保護(hù)措施

根據(jù)蘄春縣水利大樓所處的氣候、地形、周圍環(huán)境以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行綜合分析，辦公樓位于城市主干道地段，建造在多雷地區(qū)（年雷暴日≥40d/a）。應(yīng)在其屋頂女兒墻上安裝避雷帶進(jìn)行接閃。利用截面積為80mm2扁鋼作引下線，盡可能多的布置引下線（平均間距不大于25m），均勻布置在辦公樓四周，使雷電流分多路引導(dǎo)泄入大地，降低雷電在附近導(dǎo)體或電線、電纜上的感應(yīng)電勢或電流，同時(shí)與接地網(wǎng)進(jìn)行良好的焊接。整棟樓的接地，包括避雷帶接地、浪涌保護(hù)器、防靜電接地等宜共用接地網(wǎng)，其接地電阻值不大于4Ω。接地網(wǎng)應(yīng)在大樓四周作環(huán)形閉合接地處理，在每根引下線處，布置2～3根垂直接地極，垂直接地極長2.5m，埋深0.5m以下，作用是降低沖擊接地電阻及固定環(huán)形閉合裝置[6]。

根據(jù)現(xiàn)場勘測情況，遵循防雷設(shè)計(jì)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合防雷工程經(jīng)驗(yàn)，若要切實(shí)有效地實(shí)現(xiàn)水利大樓的防雷保護(hù)，減少雷擊災(zāi)害的損失，以下幾點(diǎn)是尤其應(yīng)該予以重視的：在水利大樓低壓總配電箱出線端安裝第一級電源避雷器，用于整個水利大樓所有用電設(shè)備的第一級電源防護(hù)。在辦公機(jī)房電源配電箱內(nèi)或辦公機(jī)房電源配電箱外的附加配電箱內(nèi)安裝第二級電源避雷器，用于辦公機(jī)房內(nèi)所有用電設(shè)備的第二級電源防護(hù)。在精密設(shè)備的電源插座處使用插座式電源避雷器。對監(jiān)控系統(tǒng)安裝相對應(yīng)的電源、信號避雷器。

5 計(jì)算機(jī)中心機(jī)房等電位連接

由于蘄春縣水利大樓的建筑物為鋼筋框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-94）對屏蔽、接地和等電位連接的要求，直接利用建筑物自然接地體（建筑物主梁鋼筋）作為計(jì)算機(jī)中心機(jī)房雷電過電壓防護(hù)裝置的泄流通道。為了防止地電位反擊現(xiàn)象，在計(jì)算機(jī)中心機(jī)房的靜電地板底下做接地均壓環(huán)，使用銅排在機(jī)房特定的地方做成田字網(wǎng)格，至少兩點(diǎn)與大梁主鋼筋相連，也可以利用等電位匯流排把所有系統(tǒng)的接地全部就近連接到均壓環(huán)上或匯流排上，消除地電位反擊現(xiàn)象的發(fā)生。要求接地電阻值R≤4Ω，對整個機(jī)房進(jìn)行屏蔽，采用不銹鋼材料組成1m×1m網(wǎng)格。

6 小結(jié)

防雷工作不再是簡單的避雷帶和電源避雷器的施工安裝，而是一項(xiàng)對方方面面有著高要求的系統(tǒng)工程，應(yīng)本著高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求、高可靠性同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的原則，在遵照執(zhí)行國家有關(guān)的防雷規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還需結(jié)合建筑物所在地的氣候、地形、環(huán)境等多種因素，設(shè)計(jì)出效果最佳的防雷系統(tǒng)，對建筑物起到有效的防雷保護(hù)。在弱電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)中，必須緊密結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，不斷收集和積累各項(xiàng)數(shù)據(jù)和資料，經(jīng)常總結(jié)防雷防護(hù)工作中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出新的更加有效的保護(hù)技術(shù)措施，以滿足不斷發(fā)展的弱電系統(tǒng)防雷的需要。