智能建筑信息系统防雷击电磁脉冲浅析

智能建筑信息系统防雷击电磁脉冲浅析2004-9-21万晓雷击电磁脉冲是指雷电直接击在建筑物防雷装置和建筑物附近所引起的效应。它是一种干扰源，绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流、被雷击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰。这种干扰是一种能量脉冲，它既可以以过电压形式出现，也可以以过电流或电磁辐射形式出现。因此，雷击电磁脉冲不完全是过电压问题，而是一种能量冲击，因此又将其称为“电涌”(Surge)或“浪涌”，它对供配电系统中电气设备的绝缘威胁不大，但对用电设备中的信息系统设备的正常工作影响甚大。随着建筑智能化趋势的迅猛发展，大量先进的电子信息设备正日益广泛地应用于各类建筑物内。由于电子设备中集成电路器件对雷电暂态过电压的耐受能力很低，对雷电电磁干扰极为敏感，它们在遭受雷击电磁脉冲效应的侵害后，很容易发生工作失灵或永久性损坏，从而严重威胁到信息系统的安全可靠运行。因此，切实做好智能建筑信息系统雷击电磁脉冲的防护工作，就显得尤为迫切。我国《建筑物防雷设计规范》(GB50057—94)(2000年版)中第六章已全新增补了该部分内容。一、雷击电磁脉冲侵害信息系统的主要途径及危害从实际雷害事故的调查情况来看，雷直接击中信息网络的可能性不大，危害信息系统安全可靠运行的主要原因是雷击电磁脉冲效应。这种雷击电磁脉冲效应所产生的暂态高电位和电磁脉冲能够以传导、耦合感应和辐射等方式沿多种途径侵人室内信息系统。就具体情况而官，雷击电磁脉冲侵害信息系统的主要途径有以下几种：1)直接击中信息系统所在建筑物防雷装置，引起防雷装置各部位(引下线及接地体)暂态电位的急剧升高，导致对电子信息设备的反击。2)雷击电磁脉冲在输电线路上产生感应过电压，并沿电源线侵人信息系统。3)雷击电磁脉冲在信号线路上产生感应过电压，并沿信号线侵入信息系统。4)雷击电磁脉冲从空中直接辐射至电子信息设备。实验及理论研究都表明，无屏蔽架空线上的感应电压可达10-20kV，即使在相距3km处发生对地雷击，在一般的通信线上也可能产生出高于lkV的感应过电压。埋设在地下的电缆也同样会出现雷电感应过电压，例如当人地雷电流为5kA时，在入地点附近5-10m处的无屏蔽电缆上，一般可以感应出5-7．5kV的高电压。国外的研究还发现，对雷击时出现的空间脉冲磁场，当其磁感应强度达到0．07×10-4T时，无屏蔽措施的计算机即发生误动；当其磁感应强度超过2．4×10-4T时，无屏蔽措施的计算机即发生损坏。也就是说，按简单的安培环路定律来估算(考虑位移电流的影响)，在距离无屏蔽计算机800m处落一个100kA的雷时，该计算机会发生误动；在距离该计算机83m处落同样的雷时，该计算机就会被损坏。二、智能建筑防雷击电磁脉冲的系统措施在建筑物内，由于信息系统中各电子设备的重要性不同，它们所处的电磁环境不同，对它们所采取的具体防雷击电磁脉冲措施也应是有差别的。一个信息系统是否需要防雷击电磁脉冲，需要采取哪些措施，应在完成直接、间接损失评估和建设、维护投资预测后认真分析综合考虑，做到安全、适用、经济。防雷击电磁脉冲的系统措施有屏蔽、接地、等电位连接和设置电涌保护器等。前两者属于主动性(或预防性)措施，其作用在于消除电涌的发生或减轻电涌发生的程度；而后两者属于被动性措施，是在电涌已经发生的情况下减轻电涌的危害。1．屏蔽屏蔽是减少电磁干扰的基本措施。根据电磁场理论，屏蔽是利用屏蔽体来阻挡和减小电磁能量传输的一种技术。这种屏蔽体可做成板式、网状式以及金属编织带式等，其材料可以是导电的、导磁的和介质的，也可以是带有金属吸收填料的。为减少电磁干扰的感应效应，应在需屏蔽的建筑物或房间外部设屏蔽措施，并以合适的路径敷设线路和进行线路屏蔽。以下是一些基本的屏蔽措施：1．1建筑物的自然屏蔽建筑物(特别是现代高层建筑物)的钢筋结构中含有许多金属构件，如金属屋面、金属网格、混凝土钢筋、金属门窗和护栏等，在建造建筑物时，将这些自然金属构件在电气上连接在一起，就可以对建筑物构成一个立体屏蔽网。这种自然屏蔽网虽然是格栅稀疏的，但毕竟能对外部侵入的雷击电磁脉冲形成初级屏蔽，使之受到一定程度的衰减，从而有助于减缓对内部信息系统屏蔽要求的压力。例如，将建筑物中的布线井四壁内的结构钢筋每隔一定距离(一般不大于10m)做一圈电气连接，就可起到对布置在井中的线路的初级屏蔽作用。1．2电源线和信号线的屏蔽从防雷角度来看，在建筑物内的所有低压电源线和信号线都应采用有金属屏蔽层的电缆，没有屏蔽的导线应穿过钢管，即用钢管屏蔽起来。《建筑物防雷设计规范》(2000年版)第6．3．1条规定“在分开的各建筑物之间的非屏蔽电缆应敷设在金属管道内”。1．3仪器和设备的屏蔽通常，凡是含有对电磁脉冲干扰敏感的微电子设备和仪器，特别是那些高精尖的信息处理设备，都应采用连续的金属层加以封闭起来，进入仪器及设备的电源线和信号线以及它们之间的传输线均应采用屏蔽电缆或穿金属管进行屏蔽。对于那些起关键性作用的仪器或设备群应考虑放在屏蔽室里，这些设备应避免靠近顶角布置，该屏蔽室应避免靠近顶层。2．接地《建筑物防雷设计规范》(2000年版)第6．3．3条规定：“每幢建筑物本身应采用共用接地系统”；“当互相邻近的建筑物之间有电力和通信电缆连通时，宜将其接地装置互相连接，”。同时应保证接地电阻值符合规范要求。3．等电位连接在防止建筑物内信息设备遭受雷电暂态高电位反击方面，等电位连接起着十分重要的作用。《建筑物防雷设计规范》(2000年版)第6．3．4条规定：“穿过防雷区界面的所有导电物、电力线、通信线均应在界面处做等电位连接”。4．电涌保护器的设置电涌保护器(SPD—SurgeProteetiveDeviee)又称浪涌保护器(以前曾被称为浪涌过电压保护器)，是一种限制暂态过电压并分走电涌电流的器件，主要在低压配电系统和信息系统中，用于对雷电过电压、操作过电压、雷击电磁脉冲或电磁干扰(M1)脉冲的防护。4．1电涌保护器的主要参数4．1．1最大持续运行电压Uc：它等于电涌保护器的额定电压。4．1．2通流容量：它是一组参数，包括标称放电电流In、冲击电流Iimp、Ⅱ级分类试验的最大放电电流Imax等。4．1．3电压保护水平Up：Up又称残压，它应低于被保护设备的冲击电压。4．1．4漏电流IL：IL表明了在正常工作时通过SPD泄露能量的程度，一般SPD的IL应被控制在50-100uA。4．1．5响应时间：是指在标准试验条件下，从电涌激励开始至SPD响应为止之间的时间，一般为ns级。4．1．6使用寿命：是指通过标称放电电流In而不致损坏的次数N1，和通过最大放电电流Imax而不致损坏的次数N2。4．2电涌保护器的分类4．2．1从用途分类：从用途上可分为三大类：保护电源系统用SPD、保护信号系统用SPD和保护天馈线系统用SPD。保护电源用SPD一般并联在系统中，而保护信号和天馈线的SPD常会串联在系统中。4．2．2从工作原理和性能上分：也分为三类，即电压开关型SPD、限压型SPD和组合型SPD。电压开关型SPD放电能力强，残压较高，测试该器件一般用10／350us的模拟雷电冲击电流波形，它满足《建筑物防雷设计规范》第6．4.7条的有关规定，一般安装在建筑物LPZ0与LPZl区的交界处作一级保护，可最大限度疏导10／350us的雷电冲击电流。限压型SPD的残压较低，测试该器件一般用8／20us的模拟雷电冲击电流波形，它一般安装在IPZl及后续区域中。组合型SPD的特点是响应快，但能承受的标称放电电流较低，只有10—20kA。4．3电涌保护器设置的一般原则4．3．1在电源总进线处应安装SPD。即在LPZO印与IPZl区交界处，若有线路从室外引来，应安装符合I级分类试验的SPD，因为I级分类试验采用了雷电冲击电流limp(10／350us)，而此处SPD的作用主要是泄放雷电能量。Ⅱ级分类试验的产品未采用limp作试验，不能用于泄放较大的雷电冲击电流。4．3．2按上述要求设置SPD后，若有设备因距离SPD安装位置较远，使得SPD保护水平加上引线电感电压再考虑行波及反射的情况下不能对其有效保护时，应在该设备处再安装SPD，其标称放电电流In不宜小于8／20us、3kA。4．3．3当SPD之间设有配电盘时，若第一级SPD的电压保护水平加上其两端引线的电感电压保护不了该配电盘内的设备，应在该配电盘内安装第二级SPD，其标称放电电流In不宜小于8／20us、5kA。参考文献1雍静供配电系统，机械工业出版社20032张小青建筑防雷与接地技术中国电力出版社2003