防雷系统设计方案.doc

防雷系统设计方案
防雷系统发展
电的普遍使用促进了防雷产品的发展，当高压输电网为千家万户提供动力和照明时，雷电也大量危害高压输变电设备。高压线架设高、距离长、穿越地形复杂，容易被雷击中。避雷针的保护范围不足以保护上千公里的输电线，因此避雷线作为保护高压线的新型接闪器就应运而生。在高压线获得保护后，与高压线连接的发、配电设备仍然被过电压损坏，人们发现这是由于 “感应雷”在作怪。（感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的，感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体，一是静电感应：当雷云中的电荷积聚时，附近的导体也会感应上相反的电荷，当雷击放电时，雷云中的电荷迅速释放，而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道，就会在电路中形成电脉冲。二是电磁感应：在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，在其附近的导体中产生很高的感生电动势。研究表明：静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。雷电在高压线上感应起电涌，并沿导线传播到与之相连的发、配电设备，当这些设备的耐压较低时就会被感应雷损坏，为抑制导线中的电涌，人们发明了线路避雷器。
早期的线路避雷器是开放的空气间隙。空气的击穿电压很高，约500kV/m，而当其被高电压击穿后就只有几十伏的低压了。利用空气的这一特性人们设计出了早期的线路避雷器，将一根导线的一端连在输电线上，另一根导线的一端接地，两根导线的另一端相隔一定距离构成空气间隙的两个电极，间隙距离确定了避雷器的击穿电压，击穿电压应略高于输电线的工作电压，这样当电路正常工作时，空气间隙相当于开路，不会影响线路的正常工作。当过电压侵入时，空气间隙被击穿，过电压被箝位到很低的水平，过电流也通过空气间隙泄放入地，实现了避雷器对线路的保护。开放间隙有太多的缺点，如击穿电压受环境影响大；空气放电会氧化电极；空气电弧形成后，需经过多个交流周期才能熄弧，这就可能造成避雷器故障或线路故障。以后研制出的气体放电管、管式避雷器、磁吹避雷器在很大程度上克服了这些毛病，但他们仍然是建立在气体放电的原理上。气体放电型避雷器的固有缺点：冲击击穿电压高；放电时延较长（微秒级）；残压波形陡峭（dV/dt较大）。这些缺点决定了气体放电型避雷器对敏感电气设备的保护能力不强。半导体技术的发展为我们提供了防雷新材料，比如稳压管，其伏安特性是符合线路防雷要求的，只是其通过雷电流的能力弱，使得普通的稳压管不能直接用作避雷器。早期的半导体避雷器是以碳化硅材料做成的阀式避雷器，它具有与稳压管相似的伏安特性，但通过雷电流的能力很强。不过很快人们又发现了金属氧化物半导体变阻器（MOV），其伏安特性更好，并具有响应时间快、通流容量大等许多优点。因此，目前普遍采用MOV线路避雷器。 随着通信的发展，又产生了许多用于通信线路的避雷器，由于受通信线路传输参数的约束，这一类避雷器要考虑电容和电感等影响传输参数的指标。但其防雷原理与MOV基本一致。
雷电保护的整体概念
雷电过电压保护 的等电位连接
建筑物内部屏蔽
安全距离

外部防雷保护
建筑物的防雷保护
符合IEC61024-1
DIN VDE 0185-100
GB50057 要求
接闪器
引下线
接地网
建筑物外部屏蔽
安全距离
室内防雷保护
等电位连接包含：
非带电金属导体的等电位连接
带电金属导体通过防雷器的等电位连接

1、IEC防雷分区定义
雷电保护区LPZ0A(0A区)： 该区内的各物体都可能遭受直接雷击,同时在该区内雷电产生的电磁场能自由传播,没有衰减.
雷电保护区LPZ0B(0B区)： 该区内的各物体在接闪器保护范围内,不会遭受直接雷击,但该区内的雷电电磁场因没有屏蔽装置,雷电产生的电磁场也能自由传播,没有衰减。
雷电保护区LPZ1(1区)：该区内的各个物体因在建筑内，不会遭受直接雷击，电流经各导体的电流比LPZ0B区更小，本区内的雷电电磁场可能衰减（雷电电磁场与LPZ0A、LPZ0B区可能不一致），这取决于屏蔽措施。
后续防雷区LPZ2等(2区等)：当需要进一步减少雷电流和电磁场时，应引入后续防雷区，并按照需要保护的系统所要求的环境选择后续防雷区的要求条件。

区间
不同级别防雷器的安装位置
区别
B级
C级
D级
可否遭受直接雷击
是否对磁场传播有衰减
0A区

可能遭受直接雷击
没有衰减
0B区

不会遭受直接雷击
没有衰减
1区
0区与1区之间的交界处

不会遭受直接雷击
有衰减
２区等

1区与2区之间的交界处
重要设备前端
不会遭受直接雷击
进一步衰减
2、防雷器分级保护原理
IEC61312定义了防雷的保护分区，根据保护分区的要求需要在每个分区的交界处，安装相对应的防雷器，在LPZ0B区与LPZ1区的交界处安装B级（即第一级）防雷器，在LPZ1区与LPZ2区的交界处安装C级（即第二级）防雷器，在LPZ2区内的备前端安装D级（即第三级）防雷器。
其工作原理为利用分级的防雷器，层层泄放雷电感应的能量，遂级减低浪涌电压，从而保护用户端设备。
根据VDE 0675规划，对B、C、D三级防雷器保护水平的要求如下：
防雷器安装等级
防雷器
保护水平
Ⅰ
B级电源防雷器
＜4KV
Ⅱ
C级电源防雷器
＜2.5KV
Ⅲ
D级电源防雷器
＜1.5KV
B级防雷器一般采用具有较大通流量的防雷器,可以将较大的雷电流泄放入地,达到限流的目的,同时将过电压减小到一定的程度.
C、D级防雷器采用具有较低残压的防雷器，可以将线路中剩余的雷电流泄放入地，达到限压的效果，使过电压减小到设备能承受的水平。
雷电防护设计的理论依据
在我们方案设计工作中除了遵照执行相关的国家标准要求外，我们还参考和引入IEC/TC-81有关标准的核心内容作为我们设计的指导思想和理论依据。IEC/TC-81是在国际电工委员会防雷技术精华的基础上，制订的各种防雷技术标准、规范，对我们的实际工作具有指导意义。
如：在IEC1024-1《建筑物防雷》和IE1312《雷电电磁脉冲的防护通则》标准中，重点提出了防雷分区和等电位连接的概念。根据雷击在不同区域的电磁脉冲强度划分防雷区域，并在不同的防雷区域的界面上进行等电位连接，能直接连接的金属物就直接相连，不能直接连接的如：电力线路和通信线路等，则必须依据不同的防雷区域的科学划分，采用不同防护等级的防雷设备器件，对后续被保护设备进行有效的保护且必须实施等电位连接。实践证明，这种分区分级等电位均压连接，并以防雷设备来确保被保护设备的防护措施是最好的解决问题，实现有效防护的方法。
从严格的意义上讲，目前我方已进行的智能系统雷电防护工作，在实施的过程必须考虑使用环境的特殊情况。譬如，所在的建筑物的主楼供电系统、主变配电室是否属于专门使用。虽然大楼的建筑物避雷装置可确保建筑物本身免遭雷击损坏和人身安全，但出于大楼的综合管线，如上下水管、电力供电线等等的综合连接问题，市政建设管线与大楼的相互关系，如入户线的屏蔽问题等原因，加之大楼内其它部门所作的改造、塔接，实难于逐一考证，就整幢建筑物是否为一完善的均压系统就难以确定。为此，我们将重点保护的范围集中确定在LPZ0B防雷区—计算机信息系统中心机房的范围内，并且以LPZ0A防雷区与机房范围的界面为一屏障，在这里将所有可能雷电入侵渠道全部切断。运用实施DBSE技术，并合理选用防雷设备，来实现我们的目的----即对计算机信息系统中心机房实现系统雷电防护。
防雷器设备选型
在雷电高发地区，网络设备均为精密电子设备。如果不注意防雷措施，轻则设备工作异常，重则损坏设备，造成一定的经济损失。因此，我们在设计智能化系统时必须考虑系统防雷措施。防止雷击是一个系统的工程，必须综合运用外部防护、内部防护和瞬态过压防护等各种手段，尤其必须使用优质的SPD。
根据本项目建设要求，我方建议防雷设备采用国际著名品牌------德国OBO系列防雷器。
根据使用性质、信号种类、安装方式、电压级别的不同，菲尼克斯提供以下种类的产品：
电源的防雷及电涌保护
用于过程控制领域中的防雷及电涌保护
用于数据网络和标准接口的防雷及电涌保护
用于无线收发系统的防雷及电涌保护
用于电信系统的防雷及电涌保护
均压等电位连接和防雷箱箱体
测试设备
电源防雷规划方案
本项目主要考虑机房的电源防雷系统，机房电源系统的防雷须满足《建筑物防雷设计规范》的要求，根据设备被保护的重要程度，需要采用主级防雷或主次级两级防雷。
我们根据本项目实际情况，我方建议采用OBO三级防雷系统，在UPS主机的前级加装B级电涌吸收器,在UPS配电箱进线开关处设置C级电涌吸收器,在机柜电源引入处设置D级电涌吸收器。
1、一级(B级)防雷器V25-B/3+NPE
符合IEC与VDE标准要求，根据VDE0675对防雷器的分类定义，V25-B/3+NPE是属建筑物内部的第一级（B类）电源防雷器，可提供220/380V供电线路的防雷过电压保护。防雷过电压保护是减少被保护设备或建筑物损坏、火灾、爆炸和人员安全的重要措施。
V25-B/3+NPE采用模块化设计,为3+1保护结构的防雷器，3个模块进行相线对零线（L-N）的保护，1个NPE模块进行零线对地线（N-PE）的保护。
该电路由具有较强非线性性能（α> 30）的氧化锌压敏电阻构成。 即使出现高能过压，设备也能得到最大程度的保护。（在100KA/10AS的高负荷情况下保持水平低于2KA）。困此，该防雷器能够承受直击雷的部分雷击电流。在过载情况下，内置热感断路器可以将防雷器模块从主电路中脱离出来，保证供电系统正常工作，与此同时状态显示窗口由绿色转变成红色，以提醒维护人员及时更换坏模块。
V25-B/3+NPE设计安装于电源总配电柜处，可以直接安装在开关箱内标准的35mm导轨上，并以最短的距离并联主空开的负载侧。根据IEC60364-5-534标准，V25-B/3+NPE前需串接1个三级32A空开。
该防雷器可用于交流和直流电路中的雷电过电压保护。V25-B/3+NPE可加装随附的声光信号报警装置、远程遥信报警装置或带有远程遥信及电压监控报警装置。
V25-B/3+NPE防雷器采用模块化设计，一旦发生故障，只须更换模块，减少防雷系统维护费用。更换过程中无需断开电源，简便易于操作。
2、二级(C级)防雷器V20-C/3+NPE
V20-C/3+NPE属建筑物内第二级（C类）电源防雷器。V20-C/3+NPE是为了对低压设备实行标准的保护。它保护电气设备不受因雷电和开关转换过程所引起的过电压的损坏。作为限压防雷器，V20-C/3+NPE防雷模块内装有较强非线性特性的高容量氧化锌压敏电阻。该防雷模块确保响应时间极短，长使用寿命，高通流量以及在动作之后无残余电流。如果防雷模块由于老化或过载发生损坏，内置热感断路器或动感断路器将及时动作，中断与电源的连接，同时故障指示显示窗口的颜色由绿色改变为红色。V20-C/3+NPE设计安装于电源的分配电处，可以无任何问题同空气开关等一起进行安装，自由的安装在配电箱内的35MM的标准导轨上，由于多模块防雷器在工厂已经由内置接地跳线连接，所以接地连接（PE连接）只需在现场一次连接，简单方便。由于采用了模块化设计，即使在不断电的情况下只需进行简单模块插拨，就可更换损坏的防雷器，而无需重新安装，节省维护工作及费
3、三级(D级)电涌吸引器
机房服务器及核心交换机前端安装三级(D级)电涌吸引器。
型号：（防雷电源插座）
参数：起动时间<25ns，雷电通流量（max）：5kA，工作电压：220V，有劣化指示。
信号系统防雷
信号系统由于自身的特殊性，机房内信号线路种类很多，它包括有线信号、计算机网络数据线、遥控、遥测信号线、电话线、无线通信机模拟/数字信号线，监控视频线等等。而且往往布线上还存在一些问题，加之这些数据设备的耐压又很低，常成为雷电袭击的目标。
用电磁分析来说明，0.07GS的磁场强度，就可以造成计算机原件的误动作。2.4GS的磁场强度就可以使芯片彻底报废。我们某些同志认为设备在建筑内不会遭雷击，这种观点需要更正。雷击设备主要是通过空间电磁脉冲，它是具有相当穿透性的，一般的建筑只能起到一定的衰减作用，要真正做到保证设备的安全，必须用金属板将设备屏蔽起来，同时将金属屏蔽层接地，这种办法针对一些小部门、局部设备可以采用，而且效果还不错，但绝大多数设备不可能照此办理，同时与金属屏蔽层以外相连的线缆还是需要加SPD设备。
因此，在重要设备，如卫星接收机、局域网交换机、HUB、长线MODEM、程控交换机、摄像头等信号接口上都需要安装相应的信号避雷器以保证设备的安全。由于信号避雷器数量众多就不一一列举。
信号避雷器的选择和安装可参见“智能系统防雷示意图”：

接地系统防雷
作为大楼的接地，包括防直击雷接地、强电接地、强电保护地、弱电保护地、弱电工作地、弱电逻辑地、防静电地等各种类型的接地线。如何处理好这些接地线是一个很关键的问题。
根据GB50174-93标准及IEC1312标准，各类接地线应采用分类连接方式，采用汇流方式一点接地，同时各类接地线在地下又连接在同一个地网中。所谓分类连接：即接地线按其用途，使用的系统、功用严格区分开，严禁不同类型的接地线连在一根接地线上以免形成反击条件。所谓汇流方式一点接地：即同类设备的接地线均连接到一个汇流点上中间不混接，再由此汇流点用一根线引至地网中。这样可避免形成回路电流。
这种接地方式目前广泛应用于计算机、数据通信行业，已被实践证明是一种安全有效的接地方式。其联合地网的接地电阻按所有接地要求中最低数值来选取。
防雷器的安装说明
安装避雷器时的引线应采用截面积不小于25mm的多股铜导线，并尽可能短（引线长度不宜超过1.0m）。当引线长度超过1.0m时，应加大引线的截面积。引线应紧凑并排或绑扎布放。
电源避雷器的接地线应使用不小于25～35mm的多股铜导线，并尽可能就近与交流保护地汇流排、总汇流排、接地网直接可靠连接，且不能折弯或盘绕。
防雷器正常工作的条件必须满足: 电网供电电压必须不超出防雷器的最大工作电压，对于电压变化较大的电网，应该选用最大工作电压更高的防雷器；防雷器的工作环境（如：温度）必须合乎其技术规范的要求。
安装前应做好充分的准备，如连接导线的长度、线饵和螺丝的大小等应先根据安装位置和连接位确定好。严禁带电安装电源避雷器。
安装各级电源避雷器时，应做好意外情况的应对方法(如：停电时间过长)。
在中断市电来安装第一、二级保护用电源避雷器的同时，应确保备用电源供电正常。在电力室交流配电屏上安装电源避雷器时，应在短时间内完成。
在UPS交流配电屏上安装电源避雷器时，先检查和确保UPS供电满载在可靠的放电时间前提下，安装时应在尽量短的时间内完成。
防雷器安装时应该合理走线，避免二次感应现象的产生。
如原配电箱有空间，防雷器可装入配电柜内；如原配电箱内无剩余空间，防雷器另外采用防雷箱就近装在配电柜旁边。
接地工程
接地系统是保证机房电气及计算机设备安全可靠运行的重要措施。本工程设计的三相五线制供电方式。三火一零一地（保护地）进户。
本项目采用联合接地系统。在机房设等电位接地端子箱MEB，内置2条等电位端子接地紫铜板。从接地板用1根ZR-VV-1x25mm2 沿线槽或穿桥架经强电竖井明敷到地下室低压配电房，与大楼的总接地端子板连接。
系统接地与大楼防雷接地共用接地体，机房等电位接地端子箱MEB处的接地电阻不大于1Ω。
采用交流220V供电的消防设备，其金属外壳和金属支架应与PE线连接。特别值得一提的是，UPS系统三孔插座，其接地端子接逻辑地网，此方案是按计算机系统设备要求接逻辑地考虑的，如设备有特殊要求，按厂家要求做施工方案。在室内安全保护地线与电源中性线（零性）要分别接在开关柜和配电箱相应接线排上。保护地（PE）与配电柜体有可靠的电气连接。PE线引至户外，可与中性线重复接地，接在一个接地极上。厚玻璃隔断金属框及防静电地板支脚应至少有两点可靠接地，是为防静电接地。
机房等电位连接方案
机房设局部等电位连接系统，采用40x4紫铜排组成Mm型等电位接地网络。由等电位端子排LEB引到各机柜的专用接地支线和机房内各电子设备的专用接地支线采用ZR-BV-1x4mm2 ，穿电线管MT25明敷设。
采用交流220V供电的消防设备，其金属外壳和金属支架应与PE线连接。金属槽（管）两端及中间每隔5米应接地；机房内金属门、窗及其金属构件等，均应可靠接地。
机房专用接地体施工方案
本项目采用联合接地方式。如果大楼不能提供接地端子，或者提供的接地端子经测试不符合计算机机房需求，则机房需要采用专用接地体施工。
在大楼外部的草地上完成机房专用接地体施工，并引一条ZR-BV 35 mm2接地线引入到机房等电位接地箱，接地引线与大楼的钢筋网及各种金属管道绝缘。我方承诺直流地的接地电阻小于1欧姆。
我方将严格按照《建筑物防雷设计规范》 GB50057—94中的要求实施接地工程，接地电阻达到1欧姆以下。具体施工方案如下：
1、首先选择接地地表
（a）、接地地表由甲方指定地方和范围，我公司将在给出的范围内施工。接地地表范围内应不含各种管道，如水管、煤气管、下水道等，若大楼物业方面事没有特别说明或出具施工范围内的管道图，由于我方施工所造成的其它管道破坏，我方应不承担责任。
（b）、若接地地表为绿地，则我们首先将绿地内的植物移出，作好现场保护后再施工，施工完毕将再将植物移植回来，并作好现场恢复；若接地地表为水泥地，则我们首先将水泥路布破坏，露出土壤后施工，施工完毕后，恢复水泥路面。以上现场保护和恢复的费用包括在我方施工费报价中，但其它可能出现的一些费用，如：绿地占用费、地面毁坏费等，这些费用不包括在我公司本次工程报价中。
注：接地施工图如下
2、在接地地表处挖出直径1m的圆坑3-6个（具体数量视地表导电率），直到出现地表土层为止。若施工区域较大，则挖坑6个，每坑深30--60公分（厘米）；若施工区域较小，则挖坑1—3个，每坑深90---150厘米。
3、将一根3m镀锌纲管垂直打在圆坑处，深度3m。
4、圆坑处填充化学降阻剂（或工业用盐）；
5、用镀锌扁铁连接所有镀锌钢管。连接采用精细焊接工艺。
6、将接地线与镀锌钢管连接，引至机房。接地线可以为铜芯电线或镀锌铜排，如果选用镀锌铜排连接至机房，则接地整体效果较好，接地电阻能做到小于1欧姆，但材料费和施工费都较昂贵，较少采用。因此，在接地工程中一般采用35-70平方电源线，并考虑屏蔽处理。
7、施工完毕并做好现场初步恢复后，应立即使用专用仪器测试。测试时，工程甲方或监理方应有代表在场。接地工程施工完成时最便于测试，否则，一旦现场完全恢复，以后做第二次测试时极为麻烦，需重新开挖土地，找到接地体或接地线后才能做测试，因此，接地工程完后应立即开始测试和验收。
防雷接地系统施工方案
电源防雷器施工工序
配电防雷器安装工序：钻孔——打澎胀螺丝——固定防雷箱——作避雷器及空开导线——连接线路及接地
接地系统施工工序
1、机房等电位铜母排安装：墙面、地面、母排钻孔——打澎胀螺丝——上绝缘子——装母排
2、机房等电位连接：裁导线——两端做线耳——穿金属软管——将母排同设备等连接——将母排与地线连接。
3、母排箱安装：钻孔——固定箱体——裁导线——作线耳——接线。
4、母排地阻检测：打地桩——接导线——摇测——读数——记录。
接地系统施工工艺
1、施工前的环境和器材检查：
交接间、设备间的接地钢板已完工。
房屋预留地的位置、尺寸均应符合设计要求。
本系统的设计图纸已完成。
材料的质量符合设计要求。
有关施工工具已到位。
2、接地施工工艺的标准：
设备、器具和可拆卸的其它非带电金属部件接地的分支线，必须直接与接地干线相连，严禁串联连接。
螺栓连接紧密牢固，有防松措施。
接地线及保护线与设备，应保证有可靠的电气接触。
接地线与接地线连接采用焊接如搭接时，其搭接长度不小于扁钢宽度的2倍。
3、具体施工方法：
凡与接地引出点之间的连接均采用双金属过渡接头连接。
前端设备机柜、控制箱、配电箱的框架与干线连接。
室内配电装置的金属构架、线槽、布线的桥架、布线的机柜。
各种线路的金属保护管、各种金属接线盒（如BA的DDC箱、门禁控制箱）应采用多股铜线6mm2连接到就近接地端子。
电子设备的外壳采用保护接地。
大型电子计算机采用共用接地方式与防雷接地系统共用接地极。
4、金属混合接头制作工艺：
将铜排和扁钢需焊接的端部打好坡口。
焊接前焊口需清理打磨。
四周利用铜合金焊进行电焊施焊。
每施焊一遍后进行抛光，除去氧化物及焊碴。
焊接完成后，用沥青防腐化防腐清理。
5、接地装置施工注意事项：
凡外露的正常状态下不带电的电子计算机系统设备金属壳体必须与保护接地装置可靠连接。
各类接地装置的安装及其接地电阻值应符合设计要求, 连接正确。
接地装置焊接必须牢固, 需涂复部分涂层必须完整。
交流电源线路不得与直流工作地线紧贴平行敷设。

说 明

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