防雷技术

防雷技术方案 

一、 引言 

雷电是由天空中云层间的相互高速运动、剧烈磨擦，使高端云层和低端云层带上相反电荷。此时，低端云层在其下面的大地上也感应出大量的异种电荷，形成一个极大的电容，当其场强达到一定强度时，就会产生对地放电，这就是雷电现象。属于“减灾十年”公布的最严重的10种自然灾害之一。有史以来，雷电便以极大的破坏力造成建筑物倒塌、起火和人员伤亡，给人类的生活、工作带来了很大的影响。随着科学技术的发展，大量先进的微电子技术如：计算机信息系统、监控、通信等网络得到广泛应用，而微电子设备的高度集成化，其低工作电平和小工作电流的特点，又带来绝缘强度低，耐过电压、过电流能力差等致命弱点。美国研究报告[AD-722675]指出：当雷电活动其磁感应强度达到0.07Gs时，计算机发生误动作，当磁感应强度超过2.4Gs时，计算机发生永久性损坏。对5V工作电平的TTL等集成电路，当过电压幅值达到12.5V、持续时间达30ns时可使TTL集成电路损坏。因而伴随雷电所产生的雷电电磁脉冲以及开关动作或接地短路等故障造成的过电压、过电流对微电子设备将产生严重的危害。根据统计，雷电对微电子设备所造成的损失全世界每年达30亿美元，已远远超过了雷击火灾的损失，成为当今电子时代的一大公害。 
随着我国微电子设备内部结构高度集成化（VLSI芯片），从而造成设备耐过电压、耐过电流的水平下降，对雷电（包括感应雷及操作过电压）浪涌的承受能力降低。众所周知，雷电具有极大的破坏性，其电压高达数百万伏，瞬间电流可高达数十万安培。雷击所造成的破坏性后果体现于下列三种层次：①设备损坏，人员伤亡；②设备或元器件寿命降低；③传输或储存的信号、数据（模拟或数字）受到干扰或丢失，甚至使电子设备产生误动作而暂时瘫痪或整个系统停顿。目前，世界上各种建筑、设施大多数仍在使用传统的避雷针防雷。用避雷针防止直接雷击实践证明是经济和有效的。但是，随着现代电子技术的不断发展，大量精密电子设备的使用和联网，避雷针对这些电子设备的保护却显得无能为力。避雷针不能阻止感应雷击过电压、操作过电压以及雷电波入侵过电压，而这类过电压却是破坏大量电子设备的罪魁祸首。每年各种通讯控制系统或网络因雷击而受破坏的。

事例屡见不鲜，因受到雷击引起设备损坏，自动化监控失灵的事件也常有发生。

二、 现代防雷技术概述 

现代意义上的防雷系统，本着安全可靠，技术先进，经济合理的设计原则，强调立体防护、综合治理、层层设防，把防雷看成一个系统工程。 
雷电的表现形式主要有两种： 
一种是直击雷，是指带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。直击雷威力巨大，雷电压可达几万伏至几百万伏，瞬间电流可达十几万安，在雷电通路上，物体会被高温烧伤甚至融化，或被雷电电能转化的机械能量击坏或击毁。通常在建筑物顶部安装避雷针（带）或避雷网通过接地泻放雷电流来达到防直击雷的目的。 
另一种是感应雷，是指当直击雷发生以后，带电云层迅速消失，而地面上某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物因电磁感应而产生高电压以致发生闪击的现象。 
系统防雷方案包括外部防雷和内部防雷两个方面: 
外部防雷包括避雷针（带）、避雷网、引下线、接地极等等，其主要的功能是为了确保建筑物本身免受直击雷的侵袭，将可能击中建筑物的雷电通过避雷针（带）、避雷网、引下线等，泄放入大地。 
内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。通过在需要保护设备的前端安装合适的避雷器，使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体。将可能进入的雷电流阻拦在外，将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地，确保后接设备的安全。

防雷措施主要是采用接闪、分流、接地、屏蔽、等电位连接、合理布线和安装SPD等七种方法，形成一个多层次的完整的防护体系。 
避雷针（带）、引下线（建筑物钢筋）和接地等构成的外部防雷系统，主要是为了保护建筑物本体免受雷击引起的火灾事故及人身安全事故，而内部防雷系统则是防止感应雷和其他形式的过电压侵入设备造成损坏，这是外部防雷系统无法保证的。 
雷电对电气设备的影响，主要由以下四个方面造成：①直击雷；②传导雷； ③感应雷；④开关过电压。

直击雷：是指带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。直击雷威力巨大，雷电压可达几万伏至几百万伏，瞬间电流可达十几万安，在雷电通路上，物体会被高温烧伤甚至融化。通常在建筑物顶部安装避雷针或避雷网等来防直击雷。直击雷其中接近40%的能量将通过建筑物的供电系统分流，其中5%左右的能量通过建筑物的通信网络线缆分流，其余的雷击能量通建筑物的避雷针及其他金属管道、缆线分流。这里的能量分配比例会随着建筑物内的布线状况和管线结构而变化。直击雷波形为10/350us 
传导雷（雷电波侵入）：在更大的范围内（几公里甚至几十公里），雷电击中电力或信息通讯线路，然后沿着传输线路侵入设备。其中地电位反击也是传导雷中的一种：雷电击中附近建筑物或附近其他物体、地面，导致地电压升高，并在周围形成巨大的跨步电压。雷电可能通过接地系统或建筑物间的线路入侵雷电延建筑物内部设备形成地电位反击。 
感应雷（雷电波感应）：在周围1000公尺左右范围内（有资料为 500公尺或 1500公尺，距离应随着雷击大小和屏蔽措施而变化）。发生雷击时，LEMP 在上述有效范围内，在所有的导体上产生足够强度的感应浪涌。因此分布于建筑物内外的各种电力、信息线路将会感应雷电而对设备造成危害。 
传导雷和感应雷入侵机房损坏设备主要有以下几种途径： 
通过电源线缆传导进入机房。当雷电击中架空电力线路或雷电放电时架空电力线路处于放电的强磁场中，架空线路上产生的过电压过电流就会沿着电源传输线路传导进入机房损坏设备。 
通过信号线缆传导进入机房。雷电击中信息通讯线路或通讯线缆处在雷电放电或传导的强磁场中，通讯线路上产生的过电压过电流就会沿着传输线路侵入机房危害机房设备。 
雷电地电位反击进入机房。雷电击中附近建筑物或附近其他物体、地面，导致地电压升高，并在周围形成巨大的跨步电压。雷电可能通过接地系统或建筑物间的线路入侵，对建筑物内部设备形成地电位反击。 
附近的强磁场对机房内的金属物体感应出过电压过电流。发生雷击时，LEMP 在有效范围内，在所有的导体上产生足够强度的感应浪涌。因此分布于建筑物内外的各种电力、信息线路及金属物体将会感应雷电而对设备造成危害。 
人为的操作过电压通过电源线路传导进入机房。因断路器的操作、大负荷设备以及感性负荷设备的启停、系统短路故障等系统内部状态的变化而使系统参数发生改变，引起的电力系统内部电磁能量转化，从而产生内部过电压，这种瞬时电压以浪涌的方式危及电子设备。 
随着现代高科技的发展，精密仪器，通讯设备，数据网络的应用越来越广泛，因而感应雷造成的雷击事故也越来越多，除直接造成了巨大的经济损失外，因重要设备损坏使系统网络陷入瘫痪后造成间接的损失更是惊人。 
根据《湖北省实施（中华人民共和国气象法）办法》第十八条，高层建筑、易燃易爆场所、物资仓储、通信和广播电视设施、电力设施、电子设备、计算机网络和其他需要防雷的建（构）筑物和设施，必须按照国家和省的规定安装雷电灾害防护装置。现代防雷是一个系统工程，包括外部防雷和内部防雷，即直击雷防护和雷电电磁脉冲防护，强调整体防御，综合治理，层层设防的原则。 
雷电侵入机房及计算机通信等网络系统主要有四个途径：由电源系统侵入，信号传输通道引入，地电位反击及机房屏蔽不良等雷电电磁脉冲使设备损坏。为了提高机房设备及通信网络系统的运行可靠性，保障机房及工作人员安全，除了架设良好的避雷针、避雷带、地网的接地电阻达到规程的要求等完善的直击雷防护措施外，还须在大楼的电源系统（所有供电设备、用电设备）、信号传输系统、程控交换机系统、计算机网络系统等设备进行可靠有效的防护，在保护、分流、均压、屏蔽、接地、布线等六大方面实施完整的、多层次的防护措施，能将雷害减少到最低限度。

三、 设计总则 

依据国际电工委员会IEC标准、法国NFC标准、德国VDE标准和中国GB标准与部委颁发的设计规范的要求，该建筑物和大楼内之计算机房等设备都必须有完整完善之防护措施，保证该系统能正常运作。这包括电源供电系统、不间断供电系统，空调设备、电脑网络、微波通信设备等装置应有防护装置保护。 
此方案的主要技术依据为 
3.1《国际建筑物防雷设计规范》         IEC 1024-1 ，1990 

3.2《建筑物防雷设计规范》             GB 50057-94（2000年版） 

3.3《雷电电磁脉冲的防护》             IEC 1312-1，2，3  

3.4《低压供电系统中的过电压保护器》   IEC 61643，1998 

3.5《电力系统通信站防雷运行管理规程》 DL 548-94 

3.6《金属氧化物避雷器技术规范》 GB11032 

3.7《计算机信息系统防雷保安器》 GA 173-1998 

3.8《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》 GA 267-2000 

3.9《电子计算机房设计规范》     GB 50174-93
3.10《通信局（站）低压配电系统用电涌防护器技术要求》  YD/T1235.1-2002 

3.11《通信局（站）低压配电系统用电涌防护器测试方法》 YD/T1235.2-2002 

3.12《计算站场地技术文件》GB2887-89 

3.13《计算站场地安全要求》 GB9361-88 

3.14《雷电电磁脉冲的防护》  IEC1312 

3.15《过电压保护器》  VDE-0675 

3.16《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》 CECS 72-97 

3.17《电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验》 GB/T 17626.5-1999 

四、 具体措施 

按照GB 50057－94《建筑物防雷设计规范》（2000年版）、DL/T 621－1997《交流电气装置的接地》、DL 548－94《电力系统通信站防雷运行管理规程》、DL/T 620－1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》、GA 173－2002《计算机信息系统防雷保安器》等有关规程规定，结合具体实际, 采用均、分、地、保、屏、隔离的方法，坚持层层设防，水涨船高，整体防御的原则拟定如下技术改造方案。 

五、 防雷设计方案 

5．1、针带引下线整改 

大楼屋顶避雷网采用Ф10圆钢按不大于2×2m的方格制作，离地面150mm。 采用40×4mm的热镀锌扁钢在大楼四角引下与接地网。在小区内安装2个避雷针作为直击保护。 

5．2、接地系统整改 

根据对现场的勘察结果进行分析，综合比较各种接地方式，采用本公司的突波吸收接地系统以达到更小的接地电阻。该突波吸收接地系统根据电荷中合放电、传导原理，利用地球导电性和巨大的电容器机能的特性，克服了现有技术之不足，在一套接地统中采用先吸收、再泄放的技术方案，实现电气接地和电涌冲击接地两种功能，且在各种土壤电阻率的环境中特别是在土壤电阻率较高的环境中均有良好的接地效果，具有地电位低、设计简单、安装方便、检测准确、工作可靠及制作成本低的优点。突波吸收接地系统与现有接地技术的根本不同之处在于：通过****型高效接地模块水平敷设与垂直安装的****型高效接地极进行联接，构成完善的接地系统。当发生雷击时，****所发生的电容效应，能迅速实现高频雷电流波头的吸收，，把地电位反击电压抑制在较低水平，JDM型高效接地模块通过电晕闪烁迅速吸收、泄放较大能量的低频雷电流。JDM型高效接地模块、****型高效接地极是通过高分子电解材料及高分子活性物质与非金属低阻材料的有机结合，并经先进的技术配方以及加工工艺生产制造，能与土壤实现化学反应式溶合，具有对土壤的高吸附性能和保湿性能，易获得较低接地电阻，且始终保持接地系统处于稳定的低阻状态。突波吸收接地系统及JDM、****产品为本公司独创，拥有自主知识产权，且已申报国家发明专利。 
针对原有地网进行改造达到接地电阻<4欧姆设计要求，基本要求如下：

（1）接地网安装位置选择整个小区每栋大楼与小区变压器周围。 

（2）地网采用高效接地极****垂直接地体高效接地模块****水平接地体，通过40×4热镀锌扁钢水平连接体连接构成地网； 
（3）接地网开挖深度约0.8米，垂直接地体的为不小间距于5米，接地体周围辅以增效防蚀剂包裹，以增强接地效果，垂直接地极与水平接地极的连接处均三面焊接，扁钢与扁钢的搭接长度不小于80mm，所有的焊点均做防腐处理； 
（4）从地网的上引两根40×4 mm的扁钢沿墙敷设，分别引至四层总配电柜下方和一楼机房附近，在离地1.5m处设置断接卡，在从各断接卡上引50平方毫米的多股铜芯线至四层总配电柜和一楼监控遥测室接等电位汇集排，分别作为配电系统接地和监控室防雷接地引上线。 
（5）接地网安装完毕后，将所挖泥土进行回填，回填后需将泥土夯实； 

5．3、等电位连接 

根据《建筑物防雷设计规范》第六章 防雷击电磁脉冲：第三节 屏蔽、接地和等电位连接的要求：第6.3.4条规定，所有进入建筑物的外来导电物均应在LPZ0A区或LPZ0B区与LPZ1区的界面处做等电位连接；信息系统的的各种箱体、壳体、机架等金属组件应建立一等电位连接网络，并与建筑物的共用等电位接地系统可靠电气连接，连接至少2处。

 5．4、感应雷防护 

从 EMC （电磁兼容）的观点来看，由外到内可分为几级保护区。建筑物外部是直击雷的区域，在这个区域内的设备最容易遭受损害，危险性最高，是暴露区，为 0 区；建筑物内部为非暴露区 , 可将其分为 1 区、 2 区，越往内部，危险程度越低。电源线路是雷电过电压侵入的主要途径之一。从配电室低压输出，端到机房设备端，必须实行分级保护，才能将雷电过电压降低到设备能够承受的水平。

5．5电源避雷器的配置： 

（1）总配电电源进线的防护(第I级) 
依据GB5057-94（2004年版）《建筑物防雷设计规范》第6.4.7条所述：在LPZ0A区或LPZ0B区与LPZ01区交界处，应选用标称放电电流不宜小于80KA（8/20 us），因此在室外配电箱的三相电源进线端安装1套QBAM401/80（3+N）型防雷器（共22组、三相五线、带零地保护、相位显示）,在整个防雷系统中起到根本的作用是当发生强度很大的雷击时，使产生于供电线路(相线、零线)上的感应雷电流，在进入总配电箱之前就迅速地泄放入地，稳定可靠的发挥大通流量泄流的作用，将残压限制在最低。 
 (2)电源进线的防护(第II级) 
在各用户进线二相电源进线端安装1套QBAM401/40（1+N）型防雷器（共154组），由于I级防雷器在泄放供电线路上高能量的雷电流时，在防雷器两端所呈现的残压仍然很高，仍可能大大超过被保护设备所能承受的最高耐压值，因此II级防雷器通过再次泄流而降低线路上的残压，进一步降低真正到达设备供电端口的浪涌电压值，使之小于设备耐压值，从而在发生雷击时，使设备遭受损坏的可能性大大减小。

5．6等电位连接 

5.6.1．室外部分 
1、小区内高杆灯分别与临近的地网做连接 2、小区大门、门卫室及护拦与临近的地网做连接 3、通信、电源线路必须地埋进入大楼 5.6.2．室内部分 
1、每户安装接地线，按每层汇接接入等电位汇接带或ERP点，再通过专用引下线接地。接地线采用≥6平方多股铜线。 
2．在各楼层安装等电位汇接带预埋入墙内，留出连接点。汇接带分别与大楼引下线连接。