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智能建筑电子信息系统防雷保护应注意的几个问题

摘 要：近年来，由于高层建筑的不断兴建以及建筑向智能化方向快速发展，信息技术日益普及，各种先进的电子设备广泛配备于各类建筑中。智能建筑的最大特点是内部配备了大量的电子信息系统。
关键字：智能建筑 电子信息系统 防雷 注意问题
　　近年来，由于高层建筑的不断兴建以及建筑向智能化方向快速发展，信息技术日益普及，各种先进的电子设备广泛配备于各类建筑中。智能建筑的最大特点是内部配备了大量的电子信息系统。
　　由于电子设备普遍存在着绝缘程度低，过电压和过电流耐受能力差，对电磁干扰敏感等弱点，一旦建筑物受到直接雷击或其附近区域发生雷击，雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过供电线、接收天线、金属管道和空间辐射等多种途径侵入建筑物内，威胁室内电子设备的正常工作和安全运行。如果保护措施不当，这些雷害轻则使电子设备工作失灵，重则使电子设备永久性损坏，严重时还可能造成人员伤亡。因此，现代建筑防雷设计除考虑建筑物本身的直击雷防护外，还必须高度重视雷电电磁兼容性。本文在总结大量防雷工程实践经验的基础上，针对室内电子信息系统防雷保护措施存在的不足，提出以下几点应注意的问题：
　　一、应注意建筑物常规防雷方法的特点与存在的不足
　　常规防雷方法主要是防直击雷的危害，其保护措施主要是装设避雷针（网、带），利用避雷针的引雷效应，把雷电引向自身来完成其周围保护区范围内的被保护对象免遭直接雷击。美国国家雷电安全研究所（NLSI）主任兼首席执行官Richard Kithi通过大量雷击实例分析指出[1]：富兰克林1752年发明的避雷针在今天看来，当雷电直击普通建筑物时这种“传统智慧”对防火是有帮助的，而对于内部存放电气、电子设备或易爆、易挥发可燃物质的综合性设施，这种有248年历史的发明设计则引起人们的质疑…。实践证明这种常规防雷方法在有效保护建、构筑物的同时还会产生二次效应，尤其是产生的感应脉冲过电压（感应雷）和增加雷击概率对建筑物内的电子信息系统是有害的。
　　 当一个30kA的中等雷击中避雷针并在与其距离为a的平行导体上感应出的脉冲电压uj见下表:
　　a(m)
　10
　50
　100
　200
　300
　400
　500
　uj(Kv/m)
　9.5
　5.8
　4.2
　2.5
　1.6
　0.9
　0.4

　　从表中不难看出，避雷针周围500m范围内的电子信息设备都受感应过电压的危害，距避雷针越近，uj值越大，电子信息设备遭受破坏的可能性越大。
　　 另外，雷击概率N与避雷针高度h2成正比，国防科工委设计研究院研究得出如下关系式：
　　N=0.015TK1K2h2×10-4（次/年）
　　[N—雷击概率（次/年）；T—年雷电日数（日）；K1—落雷不均匀系数，易受雷击的建筑物K1=1.5~2.0 ；K2—建筑材料影响系数，金属材料K2=1.5，非金属材料K2=0.15；h—避雷针高度(m)]
　　 由此可见，建筑物常规的避雷针（网、带）保护，其引雷效应使直接雷击概率增加，也使感应雷击概率增加，其负面影响可想而知。
　　二、应注意建筑环境内电子信息系统各项防雷措施的相互配合
　　室内电子信息系统防雷能力的优劣可以用电磁兼容（EMC）指标综合评价。电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力。要提高室内电子信息系统的电磁兼容能力，既要在均压、接地、屏蔽等防雷措施上下功夫，还应注意彼此间的相互配合。通过审核一些建筑电气设计与施工图纸以及现场检测，发现普遍存在以下问题：
　　1. 设计与施工人员对均压概念理解有偏差，缺乏系统性（systematic）思路
　　 均压措施是将室内的设备、组件和元件的金属外壳或构架连接在一起，并与建筑物的防雷接地系统相连接，形成一个电气上连续的整体，这样可以在发生雷击时避免不同金属外壳或构架之间出现暂态电位差，使它们彼此之间等电位，并维持在地电位的水平。许多新建建筑物一般只对进入室内的各种金属管道，如水管、供热、供气管以及通讯信号和电源等电缆金属（屏蔽）护套进行等电位连接，忽略了从室内引出的各类管线也应采取同样的措施。为提高均压质量，应注意尽量采用导电性能良好的金属薄板做均压带或均匀母带（如铜），其寄生电感及与金属面之间的接触电阻应尽可能小，形状应尽量短而宽，保持直线，避免弯曲，并要有足够的通流容量。值得指出的是，电源、信号、数据、通讯等屏蔽缆线除应另加专门的保护装置外，还应与保护装置一并接入均压带。
　　2. 应注意共同接地（common earth）给电子设备所带来的副作用
　　 国内外现行许多技术标准或规范都推行共同接地的做法，但实践证明“共地”也会带来一些副作用。共地时雷击暂态大电流可以通过电路的耦合对电子设备形成干扰或产生过电压；雷电流流过接地系统所造成的暂态高电位也能通过各种电源线、信号线或金属管道传播到距离接地系统很远且原来为零电位的地方，又对这里的设备和操作人员产生安全威胁。为了克服这些缺点，有些地方采用将强弱电设备分开接地，并采取许多复杂的隔离和绝缘措施将电子设备的接地线引出离强电设备接地系统较远（>20m）的地方单独接地，受环境因素制约，实际上这种做法不可行。解决的办法是，在信息系统独立地线入户处用一个低压避雷器或放电间隙与建筑物的总接地网连接，雷击发生时使信号地与建筑接地网达到大致相等的电位水平。正常情况下，避雷器和放电间隙将两者分开，有利于抗干扰，而在雷击时能实现两者之间均压，避免发生击穿放电。从雷电暂态过电压抑制的角度来看，这种“暂态共地”与均压措施配合得当，效果会更好。
　　3. 屏蔽措施考虑不周全，容易造成施工时忽略一些细节问题
　　 电子信息设备大量采用半导体元件和集成电路，对电磁噪声干扰十分敏感，由雷击产生的暂态电磁脉冲很容易直接辐射到元器件上，电源或信号线上也可以感应出暂态过电压波，沿线路侵入电子设备，使设备失灵或损坏。对其周围环境及设备本身实行屏蔽并形成统一的屏蔽体，是一种有效防护LEMP影响的手段。屏蔽体在实际施工时，容易忽视如下问题：
　　a．隔离变压器或稳压装置（UPS）到机房配电盒的电源线没有采用屏蔽电缆或穿金属管屏蔽；
　　b．空调设备电源线和控制线不穿金属管屏蔽；
　　c．在下层的屏蔽室的门、窗没有与结构钢筋作电气连接，初级屏蔽不完整；
　　d．在未屏蔽的信号线上不加装短路环，两端也没有与设备外壳、保护接地线连接；
　　e．未注意暂态过电压防护措施与屏蔽体配合。
　　f．在建筑物进行电子信息系统的布线时，容易出现较大的线路回路。

　　三、应加强LEMP风险综合评估和防护管理工作
　　为将雷电电磁脉冲对建筑环境内电子信息设备的影响减少到最低程度，应加强LEMP风险综合评估和防护管理工作，为此引入国际电工委员会对这项工作的建议（IEC61312—1，1995.2 第一版）:
　　a．在新建或现有建筑物内安装新信息系统的早期规划阶段就应提出LEMP防护问题。
　　b．建筑设计师与工程师有职责吸收防雷专家参与防雷设计与施工，并做好相互协调工作。
　　c．为建立并维持技术上、经济上最优的LEMP防护系统设计，防护管理是必要的，而且LEMP的防护设计应与LPS的设计同步进行。
　　四、结论和建议

　　1. 建筑物常规防雷方法存在二次效应。
　　2. 室内电子信息系统的防雷保护具有系统性、综合性特点，应注意各项防雷措施的相互配合。
　　3. 为解决防雷设计与施工过程中普遍存在的问题，建议加强弱电设备的防雷监审工作。