智能樓宇電子系統(tǒng)防雷
一、概述
隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展,智能建筑物的建設(shè)向自動(dòng)化、信息化和節(jié)能化方向發(fā)展,微電子應(yīng)用技術(shù)為代表的新技術(shù)已滲透到智能建筑的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,并且不斷增大。建筑物內(nèi)微電子設(shè)備繁多而且復(fù)雜,這些微電子設(shè)備通常屬于耐過(guò)電壓等級(jí)低,防干擾要求高的弱電設(shè)備,最怕受到雷擊。遭受雷擊時(shí),一部分能量(約50%)通過(guò)建筑物外部防雷裝置泄入大地,另一部分能量則通過(guò)雷電流感應(yīng)或耦合在金屬管線上進(jìn)入建筑物內(nèi)破壞設(shè)備,因此,智能建筑的防雷保護(hù)越來(lái)越重要。
二、智能樓宇綜合防雷的主要技術(shù)措施
1攔截
信息防雷的第一道防線是攔截直擊雷。最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法仍然是避雷針(避雷帶、避雷網(wǎng))法。盡管避雷針對(duì)于電子信息設(shè)備有很多負(fù)作用,對(duì)其應(yīng)抱趨利避害、積極、穩(wěn)妥的態(tài)度,采取有效的技術(shù)措施予以抑制。
2屏蔽
屏蔽是防止任何形式電磁干擾的基本手段之一。屏蔽的目的,一是限制某一區(qū)域內(nèi)部的電磁能量向外傳播,二是防止或降低外界電磁輻射能量向被保護(hù)的空間傳播。由于電場(chǎng)、磁場(chǎng)及電磁場(chǎng)的性質(zhì)不同,因而屏蔽的機(jī)理也不同。按屏蔽的要求不同可分別采用屏蔽室(盒、管)的完整屏蔽體,或金屬網(wǎng)、波導(dǎo)管及蜂窩結(jié)構(gòu)的非完整屏蔽體。屏蔽一般分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽及電磁場(chǎng)屏蔽幾種。
?、凫o電屏蔽(電場(chǎng)屏蔽)——為了消除和抑制靜電電場(chǎng)的干擾。
②磁場(chǎng)屏蔽——為了消除或抑制由磁場(chǎng)耦合引起的干擾。磁場(chǎng)屏蔽又分為低頻屏蔽和高頻磁屏蔽兩種情況。
?、垭姶艌?chǎng)屏蔽——一般在遠(yuǎn)離干擾源的空間單純的電場(chǎng)或磁場(chǎng)是少見(jiàn)的,干擾是以電場(chǎng)、磁場(chǎng)同時(shí)存在的高頻電磁場(chǎng)輻射的形式發(fā)生的。雷電電磁脈沖在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下可看作平面電磁場(chǎng)傳播。因此,應(yīng)同時(shí)考慮電場(chǎng)和磁場(chǎng)的屏蔽。
?、苄盘?hào)傳輸電纜的全屏蔽——電纜的屏蔽是一項(xiàng)很重要的技術(shù)措施,它要求對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)、外所有架空、埋地的電纜都用金屬層屏蔽起來(lái),以防雷電電磁脈沖的干擾,這稱(chēng)作全屏蔽。當(dāng)全屏蔽電纜接觸或穿過(guò)另一金屬部分時(shí),還要采用中間接地點(diǎn)。因此,全屏蔽電纜要求多點(diǎn)接地。
3等電位連接
等電位連接就是把所有導(dǎo)體相互作良好的導(dǎo)電性連接,并與接地系統(tǒng)連通。其中非帶電導(dǎo)體直接用導(dǎo)線連接,帶電導(dǎo)體通過(guò)避雷器連接。其本質(zhì)是由可靠的接地系統(tǒng)、等電位連接用的金屬導(dǎo)線、等電位連接器(即避雷器、地線隔離器)和所有導(dǎo)體組成一個(gè)電位補(bǔ)償系統(tǒng)。該電位補(bǔ)償系統(tǒng)的作用,一是為雷電流提供低阻抗的連續(xù)通道,使其迅速導(dǎo)入大地泄放。二是使系統(tǒng)各部分不產(chǎn)生足以致?lián)p的電位差。即在瞬態(tài)現(xiàn)象存在的極短時(shí)間里,通過(guò)這個(gè)電位補(bǔ)償系統(tǒng)可以迅速地在被保護(hù)系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)電部件之間建立起五個(gè)等電位區(qū)域。這個(gè)區(qū)域相對(duì)于外界可能存在著數(shù)十千伏的電位差。重要的是在需要保護(hù)的系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)部,所有導(dǎo)電部件之間不能存在顯著的電位差,從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備和人身安全的目的。
需要等電位連接的物體主要有:a、不帶電金屬物體。如各種金屬管道,線纜屏蔽層,設(shè)備的金屬底座、金屬外殼等。b、帶電金屬物體。如電源線、各種信號(hào)傳輸線等。
4分流
是將雷電流能量向大地泄放過(guò)程中應(yīng)符合層次性原則。層次性就是按照所劃分的防雷保護(hù)區(qū)對(duì)雷電能量分級(jí)瀉放。盡可能多、盡可能迅速將多余能量在引入信息系統(tǒng)之前泄放入地。由于雷電過(guò)電壓的能量很大,單一的措施或一道防線都無(wú)法消除雷電過(guò)電壓的侵害,必須采取多級(jí)防護(hù)措施才能將侵入的雷電過(guò)電壓限制在安全的、設(shè)備能夠承受的范圍之內(nèi)。
5接地
接地是分流和瀉放直擊雷和雷電電磁干擾能量的最有效的手段之一,也是電位均衡補(bǔ)償系統(tǒng)的基礎(chǔ)。目的是使雷電流通過(guò)低阻抗接地系統(tǒng)向大地泄放,從而保護(hù)建筑物、人員和設(shè)備的安全。沒(méi)有良好的接地系統(tǒng)或者接地不良的避雷設(shè)施會(huì)成為引雷入室的禍患;避雷裝置接地不好,還提供了雷電電磁脈沖對(duì)電氣和電子設(shè)備產(chǎn)生電感性、電容性耦合干擾的機(jī)會(huì)。
三、智能樓宇綜合防雷設(shè)計(jì)方案
1直擊雷防護(hù)
對(duì)于直擊雷的防護(hù),可采取分流的措施,利用接閃桿、接閃帶、接閃網(wǎng)將雷電流沿引下線導(dǎo)入大地,防止直擊雷擊中建筑物或設(shè)備上。
建筑物屋面應(yīng)采用接閃帶、接閃網(wǎng)或接閃桿作為接閃器。接閃網(wǎng)(帶)應(yīng)沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè),并應(yīng)在整個(gè)屋面組成不應(yīng)大于10m×10m或12m×8m的接閃網(wǎng)格。利用建筑物鋼筋混凝土屋頂、梁、柱、基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋作為引下線,使整個(gè)大樓為一框架籠式結(jié)構(gòu)。接閃網(wǎng)(帶)應(yīng)采用Φ12鍍鋅圓鋼或—40×4mm鍍鋅扁鋼。專(zhuān)設(shè)引下線不應(yīng)少于兩根,應(yīng)沿建筑物四周均勻或?qū)ΨQ(chēng)布置,其平均間距不應(yīng)大于18m。
2供電系統(tǒng)的防雷
由于雷電產(chǎn)生了強(qiáng)大的過(guò)電壓、過(guò)電流,無(wú)法一次性在瞬間完成泄流和限壓,所以電源系統(tǒng)必須采取多級(jí)的防雷保護(hù),至少必須采取泄流和限壓前后兩級(jí)防雷保護(hù)。按照我國(guó)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范要求規(guī)定,電源系統(tǒng)應(yīng)該采取多級(jí)雷電防護(hù)。即在電源線路由LPZ0B區(qū)入戶進(jìn)入LPZ1區(qū)處加裝一級(jí)防雷器,以及在電源線路由LPZ1區(qū)進(jìn)入LPZ2區(qū)處安裝第二級(jí)防雷器,在需要保護(hù)的設(shè)備電源及UPS電源輸入端安裝第三級(jí)防雷器,并設(shè)置電源精密保護(hù)。通過(guò)使用多級(jí)電源防雷措施,徹底泄放雷電過(guò)電流、限制過(guò)電壓,從而盡可能地防止雷電通過(guò)電力線路竄入電子信息系統(tǒng),損害系統(tǒng)設(shè)備。
?、僭陔娫淳€路由LPZ0B區(qū)入戶進(jìn)入LPZ1區(qū)的電源總配電柜處可選用B+C/4(limp=25kA,ln=25KA,Up=1.8KV,Uc=385V)電源三相電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類(lèi)別為Ⅰ類(lèi)試驗(yàn)。前端串接63A電源斷路器,作為電源系統(tǒng)的第一級(jí)防雷保護(hù)。
?、谠陔娫捶峙潆姽裉幙蛇x用40-385/4(ln=20KA,Up=1.8KV,Uc=385V)電源三相電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)試驗(yàn),前端串接32A電源斷路器,作為電源系統(tǒng)的第二級(jí)防雷保護(hù)。
?、墼谛枰Wo(hù)設(shè)備電源配電箱及UPS電源進(jìn)線端處可選用20-275/4(ln=10KA,Up=1.2KV,Uc=275V)電源三相電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)。前端串接32A電源斷路器,作為電源系統(tǒng)的第三級(jí)防雷保護(hù)。
?、茉谥绷髌撂幙蛇x用40-75VDC(ln=20KA,Up=0.5KV,Uc=75VDC)直流電源電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)試驗(yàn),作為直流電源系統(tǒng)的防雷保護(hù)。
⑤在機(jī)房設(shè)備電源處可采用PDU(ln=5KA,Up=1.2KV,Uc=275V)型電源分配單元電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)試驗(yàn),作為電源系統(tǒng)的末端防雷保護(hù)。
3信號(hào)線的防雷
現(xiàn)代建筑物內(nèi)的信息網(wǎng)絡(luò)不再是一個(gè)信息孤島,它必須是一個(gè)互連互通的開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò),來(lái)滿足人們信息交換的需求。各建筑物之間以及建筑物與外部網(wǎng)絡(luò)之間都需要物理介質(zhì)的連接,內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)連接的通信方式有多種,有通過(guò)普通電話雙絞線為通信介質(zhì)實(shí)現(xiàn)互連的,如PSTN(撥號(hào)接入)、ISDN技術(shù)、DDN技術(shù)、ADSL技術(shù)等等;有通過(guò)5類(lèi)非屏蔽雙絞線、光纖為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)通信連接的。
在上述幾種通信方式中,除光纖介質(zhì)外(光纖內(nèi)部金屬在入戶處也應(yīng)做等電位連接),其它介質(zhì)都可能因遭受直接雷或感應(yīng)雷而侵害兩端連接的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),。
為了避免因通信電纜引入雷電侵害的可能性,通常采用的技術(shù)是在電纜接入網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備前首先接入信號(hào)避雷器(信號(hào)SPD),即在鏈路中串入一個(gè)瞬態(tài)過(guò)電壓保護(hù)器,它可以防護(hù)電子設(shè)備遭受雷電閃擊及其它干擾造成的傳導(dǎo)電涌過(guò)電壓,阻斷過(guò)電壓及雷電波的侵入,盡可能降低雷電對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的沖擊。由于信號(hào)避雷器串接在通信線路中,所以信號(hào)避雷器除了滿足防雷性能特征外,還必須滿足信號(hào)傳輸帶寬等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)的要求。因而選擇相關(guān)產(chǎn)品時(shí),應(yīng)充分考慮防雷性能指標(biāo)及網(wǎng)絡(luò)帶寬、傳輸損耗、接口類(lèi)型等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。
信號(hào)線路防雷可選用RJ45/16(ln=3KA,Up≤25V,Uc=6V)型網(wǎng)絡(luò)信號(hào)電涌保護(hù)器,試驗(yàn)類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)。作為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)上的防雷保護(hù)。
4天饋系統(tǒng)的防雷
天饋系統(tǒng)是微波中繼通信的重要組成部分之一,天線起著將饋線中傳輸?shù)碾姶挪ㄞD(zhuǎn)換為自由空間傳播的電磁波,或?qū)⒆杂煽臻g傳播的電磁波轉(zhuǎn)換為饋線中傳輸?shù)碾姶挪ǖ淖饔谩6伨€則是電磁波的傳輸通道。當(dāng)饋線采用同軸電纜時(shí),應(yīng)在同軸電纜引進(jìn)機(jī)房入口處安裝標(biāo)稱(chēng)放電電流不小于5KA的同軸SPD,同軸SPD接地端子的接地引線應(yīng)從天饋線入口處外側(cè)的接地線、接閃帶或地網(wǎng)引接。
天饋線的防雷器根據(jù)接口形式可采用F、N等天饋線路防雷器,標(biāo)稱(chēng)放電電流ln=10KA,電壓保護(hù)水平Up≤600V,插入損耗≤3dB,駐波比≤1.2,作為天饋線路上的防雷保護(hù)。
5監(jiān)控系統(tǒng)防雷
監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)備有室外和室內(nèi)兩種,安裝在室內(nèi)的設(shè)備一般不會(huì)遭受直擊雷,而安裝于室外的設(shè)備,多數(shù)處于相對(duì)的開(kāi)闊地帶,直擊雷風(fēng)險(xiǎn)較大,則必須考慮直擊雷防護(hù)問(wèn)題。安防監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)備,如攝像頭等,應(yīng)置于接閃器(接閃桿或其它接閃導(dǎo)體)有效保護(hù)范圍之內(nèi)。對(duì)于已經(jīng)處于其它接閃器或高層建筑原有接閃系統(tǒng)保護(hù)范圍之內(nèi)的前端設(shè)備,一般可以不再另行考慮直擊雷防護(hù);對(duì)于未處于任何接閃系統(tǒng)保護(hù)范圍之內(nèi)的前端設(shè)備,則均應(yīng)考慮直擊雷防護(hù)問(wèn)題。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)的角度考慮,前端設(shè)備直擊雷防護(hù)安裝獨(dú)立接閃桿不具備可行性,一般都采用將接閃桿架設(shè)在攝像機(jī)的支撐桿上,引下線可直接利用金屬桿本身(也可采用Φ8的鍍鋅圓鋼或30×3mm鍍鋅扁鋼),但為了防止電磁感應(yīng),沿桿引上攝像機(jī)的電源線和信號(hào)線應(yīng)穿金屬管敷設(shè),金屬管應(yīng)可靠接地。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料表明,安防監(jiān)控系統(tǒng)80%以上的雷害事故都是因?yàn)榕c系統(tǒng)相連的線路上感應(yīng)的雷電侵入波過(guò)電壓造成的。因此,做好與系統(tǒng)相連的線路防護(hù)是整體防雷中不容忽視的一環(huán)。在入戶端將電纜金屬外皮、金屬管與防雷接地有效連接。所有傳輸線路的兩端均應(yīng)安裝相應(yīng)的防雷器。
在監(jiān)控主機(jī)前端安裝BNC(ln=3KA,Up≤40V,Uc=12V)視頻信號(hào)防雷器,試驗(yàn)類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)試驗(yàn)。作為監(jiān)控系統(tǒng)傳輸線路上的雷電防護(hù);
在攝像機(jī)前安裝三合一電涌保護(hù)器,電源部分參數(shù)為(ln=5KA,Up≤900V,Uc=275V),控制信號(hào)部分參數(shù)為(ln=3KA,Up≤40V,Uc=12V),試驗(yàn)類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)試驗(yàn),作為對(duì)攝像機(jī)的電源線路、信號(hào)線路及控制線路防雷保護(hù)。
6等電位連接
所有進(jìn)入建筑物的水管或其他金屬管道在進(jìn)入建筑物時(shí)進(jìn)行有效接地并與每層的等電位預(yù)留接頭電氣連通。連接采用16mm2多股銅線。建筑物內(nèi)的所有金屬構(gòu)件和不帶電金屬外殼必須用6mm2銅線相互連通,并與接地匯流排可靠連接。按照GB50057-2010的要求,一個(gè)電子系統(tǒng)的各種箱體、殼體、機(jī)架等金屬組件與建筑物接地系統(tǒng)的等電位連接網(wǎng)絡(luò)做功能性等電位連接應(yīng)采用S型星形結(jié)構(gòu)或M型網(wǎng)形結(jié)構(gòu)連接,因此在機(jī)房采用40mm×4mm紫銅排沿機(jī)房四周敷設(shè),并將機(jī)房外側(cè)大樓八個(gè)構(gòu)造柱的主鋼筋一一與接地匯流排電氣連通。機(jī)房?jī)?nèi)的所有金屬部件一一就近與接地匯流排連接。
7屏蔽
建筑物內(nèi)的所有金屬導(dǎo)線,包括電力電纜、通信電纜和信號(hào)線均采用屏蔽線和穿金屬管屏蔽,在機(jī)房地墻壁上,金屬門(mén)、窗等應(yīng)和接地預(yù)留件進(jìn)行有效的焊接,使整個(gè)機(jī)房形成一個(gè)法拉第籠,用來(lái)防止外來(lái)的電磁脈沖干擾機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備。
8合理的布線設(shè)計(jì)
防御雷電電磁脈沖對(duì)室內(nèi)布線的要求非常嚴(yán)格。由于用作引下線的鋼筋混凝土柱內(nèi)的鋼筋和整個(gè)建筑物的屏蔽網(wǎng)都在外墻處,雷電流需經(jīng)此處的鋼筋分流到接地裝置上,所以外墻處的電流密度大,電磁場(chǎng)強(qiáng)。機(jī)房?jī)?nèi)的電源和通信等線路的主干線應(yīng)設(shè)置在中心部位的電梯井的近旁,并且建筑物內(nèi)的各種電氣饋線都穿金屬管保護(hù)或采用雙層屏蔽電纜(或同軸電纜)。
9接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)掌握的土壤電阻和土質(zhì)分布等基本資料,按科學(xué)合理,經(jīng)濟(jì)節(jié)約的原則,應(yīng)按均壓、等電位的原理,采用聯(lián)合接地系統(tǒng),防雷接地、低壓配電系統(tǒng)(保護(hù))接地、工作接地、屏蔽接地、等電位接地等共用一個(gè)接地系統(tǒng)。建筑物宜利用其鋼筋混凝土基礎(chǔ)作為地網(wǎng)。其工頻接地電阻不應(yīng)大于1歐姆。如果土壤電阻率較高,接地電阻難以滿足要求,可以通過(guò)增加人工接地體并使用降阻材料來(lái)降阻。
在建筑物入戶處設(shè)置總等電位端子,并與接地裝置相連。將所有進(jìn)入建筑物的金屬管道及纜線的接地與之相連,如天饋線接地、光纜加強(qiáng)芯的接地、供電線屏蔽管道的接地等。
接地裝置材料選擇,金屬接地體應(yīng)采用熱鍍鋅材料,在各個(gè)焊接點(diǎn)由于已破壞了原來(lái)的熱鍍鋅層,因此一定要做防腐蝕處理。垂直接地體長(zhǎng)度為1.5~2.5m,垂直接地體間隔為其自身長(zhǎng)度的1.5~2倍。接地體上端距地面不小于0.7m,且應(yīng)在凍土層之下。垂直接地體可采用∟50*50*5mm的角鋼或接地銅棒等材料,水平接地體和接地引入線可采用—40*4mm扁鋼以及接地模塊,并添加降阻劑等材料降低接地電阻。