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标题: 知识普及：防雷：智能建筑电子设备的雷电防护设计 [打印本页]

作者: 河南东南防雷 时间: 2011-6-16 09:35
标题: 知识普及：防雷：智能建筑电子设备的雷电防护设计
摘要雷电对智能建筑内部的电子设备危害很大。文章介绍了雷电的形成、分类以及对电子设备造成损害的原理，并针对智能建筑内部的电子设备提出了一些防雷击的设计方法。
1 前言
　　智能建筑是信息技术发展的必然产物，是高科技与现代建筑的巧妙集成。有着智能建筑“灵魂”之称的各种电子设备的应用范围也在不断扩大，因此大量的电子系统设备的安全运行是关系到智能建筑行业健康发展的一个关键问题，而对电子系统危害最大的就是雷电损害，有效解决和减少雷电对智能建筑内部大量电子设备的危害，是现代智能建筑中必须面对的新课题。文章阐述了雷电的成因，通过科学计算和分析，解释了雷电对智能建筑内部电子设备的危害途径，并提出了一些防雷方法和防雷工程实例。
2 雷电场的形成
　　由于地球静电场的存在，导致处于其中的云块发生正负电荷分离现象，由于大气的剧烈运动，运动的云块切割磁力线，把不同电荷进一步分离、极化，最后形成了带电云团。随着云团对地电位差的不断增大，它将击穿空气，形成对大地的强烈放电过程。这种放电可以是云团通过相对低阻抗物体（避雷针、大树、天线等）对大地的能量泄放，也可以是带异种电荷的云块之间的放电过程。由此可见，雷电的成因是大气的运动，没有这些运动，就不会产生雷电。这就解释了雷电总是伴随着狂风暴雨而出现的原因。
雷电场是一个巨大的静电场，由于它是一个静电场的放电，电流的方向不变，所形成的是一个幅度巨大的脉动直流电流，其所形成的电磁场称为雷电脉冲电磁场（ＬＥＭＰ）。
雷电频谱是研究雷电防护的重要依据。从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的能量在各频段的分布，根据这些数据可以估算电子信息系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确定雷电防护措施。
由图1可知，雷电流随时间以近似指数函数规律上升至峰值，然后又以近似指数函数规律下降，因此它被称为双指数函数曲线，可以用代数式表示为：
i=I0（e-αt-e-βt）
式中，I0—雷电流峰值（从几千安到几百千安）；
α—波前衰减系数；
β—波尾衰减系数；
ｉ—雷电流瞬时值.
从雷电波能量频率分布表明低频部分增值快，频率越高，增值越慢，这从另一个方面说明雷电能量主要分布在低频段。从典型的雷电波计算可知：９０％以上雷电能量分布在频率为十几ｋＨｚ以下。因此在电子信息系统设计中，只要防止频率为十几ｋＨｚ以下的雷电波窜入，就能把雷电波的能量消减掉９０％以上，这个结论对雷电防护工程来说很有指导意义。
雷电流的主要分量是直流分量，但脉动部分和雷电流与空气及地接触时产生的热骚动形成的谐波和高次谐波的电磁能量也很大，因此，对于电子设备而言，防止频率应适当扩宽（１４０kＨz），雷电流的统计数据见表１。
3 雷电的分类
（１）直击雷
当某一物体置于雷电场内，而且物体（可以是空气）又作为雷电流的导电体，巨大的电流通过该物体使物体遭到严重破坏，这种直接置于雷电场受到雷电的冲击被称为“直击雷”。直击雷的雷电电流峰值一般都在２００kＡ以上，其破坏力是惊人的，而且在瞬间、局部产生的高温可达５０００℃以上，可产生类似炸弹爆炸一样的冲击波。
（２）感应雷
置于地面某一位置的物体，雷电对这一物体产生的干扰可分为感应干扰和直接干扰。该物体不在雷电场内，但由于雷电处于放电过程，它所产生的强大电磁波使这一物体受电磁波的冲击，这样的雷被称为“感应雷”。感应雷相对直击雷来讲，雷电电流峰值较小，一般的电流峰值等级在２０kＡ以内。对现代微电子来说，不管感应雷还是直接雷对微电子器件都可造成永久性的破坏。
（３）地线反击雷
当雷云击穿空气对大地放电时，在极短时间内向大地注入大量的电荷，由于地阻的存在，导致大地在一定范围内电位升高到数千伏，甚至上万伏，对于那些接地系统，由于地电位远远高于其系统工作电压，其结果将是电源系统被地线反向放电所烧毁，这种雷击现象为“地线反击雷”。该现象表明，接地并不是一个最安全的选择，接地也不一定就是“安全”的。
4 雷电对智能建筑系统的危害
　　雷电对智能建筑系统的危害主要表现在对建筑物内电子设备的损坏，目前的电子设备系统具有工作电压低，工作电流小等特点，所以雷电对其损害也就比较容易。因此，提高智能建筑电子系统的防雷能力是智能建筑质量和健康发展的关键。雷击对智能建筑电子系统的危害主要表现在以下几个方面：
（１）直接烧毁电子设备线路板，造成局部或整个电子系统瘫痪，甚至引发火灾。
（２）雷击可使电子设备集成电路电路内部被击穿，毁坏三极管的ＰＮ结，线路铜皮崩裂等，这些“内伤”需借助专业仪表或显微镜才可观察到。
（３）雷击并不直接损坏电子设备，但是会造成系统的短暂失效、误动作、系统程序紊乱等现象，给智能建筑的安全运行带来隐患。
在３种雷击现象中，感应雷击是损坏智能建筑电子系统的第一“****”，因此智能建筑内部电子设备的防护重点应是感应雷。下面笔者将通过科学计算来认识感应雷的发生机理，探讨正确防护的方法。雷电感应电压计算模型如图２所示。
雷电击在建筑物避雷针上，由避雷针通过引下线，将雷电流泄放大地，引下线自上而下产生一个变化旋转快速运动磁场，建筑物内的电源线、网络线等相对切割磁力线，产生感应高压并沿线路传输击毁电子设备。
　　以某网络系统机房为例，假设大楼避雷针引下线或大楼主钢筋距主机房为１０m，机房面积为49ｍ２。其中，ｄｉ＝７５kＡ，ｄｔ＝１０μs，根据电磁感应定律，则感应高压U的计算式为：
Ｕ＝（μ/２π）×ｃ×Ｌｎ［（ａ＋ｂ）/ａ］×（ｄｉ/ｄｔ）
＝２×１０－７×７×Ｌｎ×＝５２５００Ｖ（1）
真空磁导率为：
μ＝４π×１０－７
由此可知，由雷电产生的感应电压会危及或影响其有效磁场内的所有电器，感应雷的能量虽小，但电压较高。所以，对感应雷害的防护，应该是全面的防护，但防护的级别可以低一些。
该计算方法如式（1）所示，可以应用到电子设备的电路设计，由此可见Ｃ是决定感应电压大小的主要因素，假如某线路板上有一条７cm的布线，那么在其回路中的感应电压可达到５２５Ｖ，这个电压对于工作电压在５Ｖ左右的系统来说无疑是“致命”的。
5 防雷的基本原则
　　上文主要阐述了雷电的形成、分类。下文着重介绍防雷的基本方法。防雷基本原则是：电流逐级分流泄放、电压逐级降低（限压）、良好接地、良好屏蔽。针对不同系统，具体分析其外接线的种类、长度，系统安装位置，系统的安全等级，及用户对防雷费用的接受程度等，来设计电子系统的防雷方案。
（１）接地（Ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ）
　　最好的防雷措施就是将闪电能量泄放入地，没有良好接地，对于较高能量等级的雷电防护，其效果要打折扣，所以接地是防雷的基础，接地的妥当与否，成为历来雷电防护技术上特别受重视的项目，对于接地方法和接地电阻的要求，各种雷电防护规范都做出了明确的规定。它是最费工、费钱、费力的雷电防护措施，是雷电防护工程的重点和难点，应根据系统的安全等级、特点及用户的承受力具体设计。
（２）分流（Ｄｉｖｉｄｉｎｇ）
　　分流是指电流逐级分流，它的做法是：凡是从室外来的导线（包括电力电源线、电话线、信号线或者这些电缆的金属外套等）都要并联一种避雷器至接地地线。不仅是在接入处，在每个需要作雷电防护保护的仪器设备的入机壳处都要安装。它的作用是把沿导线传入的过电压波在避雷器处经避雷器分流入地，也就是类似于把雷电流的所有入侵通道堵截了，且不只一级堵截，可以多级堵截。
（３）限压（Ｌｉｍｉｔｉｎｇ）
　　强大的雷电脉冲电磁场会在设备的信号线、通讯线及设备内部产生很高的感应电压，这将对弱电系统产生较大损害，因此，必须将电压予以限制。具体做法是：电压由高至低，逐级降低，必要时采用感性器件，降低雷电压的上升速率（退偶）。电压之所以要逐级降低是因为通流量大的限压器件，往往其残压较高，且残压的高低与雷电压的上升斜率有关。如标称值为３００Ｖ的气体放电管，在其两端加上８/２０μs的雷电模拟脉冲，工作时，测量其两端的电压可达７００Ｖ以上，不能用来保护耐压４００Ｖ的接口电路。正确做法是，在其后从高至低加几级电压保护器件，实现电压的逐级降低。
（４）屏蔽（Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ）
　　简单的说就是用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包围起来，然后将屏蔽体多点接地。从物理上说，这其实就是静电屏蔽，它可以有效的隔离内外电场，使内外电场互不影响。很多人会认为经过以上处理的系统就是具有良好电磁兼容性（ＥＭＣ）的系统，这种认识是不全面的，以上处理可有效的屏蔽电场，但对于磁场却没有多大作用。因为，实际应用中屏蔽体的材料多为普通铁质材料，甚至为了减轻重量会用铝质材料，这些弱磁质屏蔽体对磁场的吸收、分流作用很有限。因此，只是有效屏蔽了电场，而闪电的脉冲磁场还是可以影响到屏蔽体内的电路系统。如果将用铁磁质材料（铁鈷合金、硅钢、铁镍合金）做屏蔽体，才可真正做到电磁屏蔽。做屏蔽处理需要考虑实际情况和经济原则来选择，还要估计到直击雷的能量所造成的熔穿破坏的概率，确定屏蔽材料的厚度等。
在上面的分析中强调了能量的逐级（多级）泄放，由于每级防雷器件的响应速度很难保持一致，因此在每级之间，应加入解偶（退偶）器件，以实现雷电流泄放量的合理分配，理想的分配效果应该是从第一级开始，泄流量逐渐减小。

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作者: 河南东南防雷 时间: 2011-6-16 09:36
6 智能建筑电子系统施工应注意的问题
通过以上分析，可以帮助电子系统的设计者了解一些防雷电路的设计方法，但是，要想实现更好的防雷效果，建筑物内电子设备的工程施工上还应注意以下问题：
（1）有良好接地的电子系统
　　对于这类系统，除了要按照施工规范施工外，还要正确选择电子设备的安装位置，不宜安装在墙角处，因为墙角往往是建筑物的主钢筋，是雷电流入地的主要通路，距离越近，越容易被其产生的电磁场所影响。
良好的接地系统有一个很大的缺点，就是很容易被地线反击雷所破坏，这一点可以通过设计使损失减到最小。可以在电源变压器的前端安装一个快速熔断器和一个电源滤波器，当发生地线反击时，熔断器工作保护了后面的电路，即使熔断器失效，滤波电容也可以隔掉直流分量，这样最坏的可能是滤波电容因过压击碎，但地线反击雷的发生概率是非常低的。
（2）非良好接地的电子系统
　　对于这类系统，只能是用屏蔽的办法。可以做一个密闭金属箱体（或网眼较小的金属笼），将系统设备置于其中，不接触屏蔽体，这样可有效屏蔽外部电场。如果不考虑成本，屏蔽体的材料可选用高磁导率，抗饱和的材料，这样就可做到电、磁屏蔽（削弱）。这种方法可称为“法拉第笼”防雷法，可用在无法接地或接地成本过高的电子设备防雷中。
（3）简单判定接地是否良好的方法
　　在实际工程中，接地电阻的测量并不容易，需要一些专业仪器或进行估算。这里介绍一种简单判定接地是否良好的方法：对于金属箱体的设备（有电源滤波器、工作电压为市电），用万用表的交流电压档，测试箱体非绝缘处（或钥匙孔）对水、煤气、暖气等金属管道的电压，对于没有接地的系统，这个电压应是１１０Ｖ左右（通过电源滤波器的设计原理，可计算得出）。接地越好（接地电阻越小），该数值越小。
（4）防雷实例
　　在某大型工业企业消防网络工程中，雷雨季节初期多台联网设备出现过存储信息非人为改写，误报、或语音丢失、甚至某些集成电路或三极管损坏等问题。笔者认定是雷击所致，在此基础上根据设备自身的特点、安装环境等信息进一步推断引雷的途径。联网设备安装环境较复杂（各种车间或半露天），主要外引线有：４８５通讯线、电源线、电话线。４８５线为双绞线，布线规范且距离较短；电源接地良好；电话线为企业内线，线路很长，有架空线。最终确定电话线引雷的可能性最大，经过大量的雷击实验，最终在实验室中模拟出了与工程现场相似的损坏现象，因此设计了简单的电话线防雷电路（见图３），经过去年的工程验证，经过防雷处理的各种联网设备未出现类似雷击损坏现象。
7 结束语
　　文章主要介绍了雷电的形成、分类，以及对电子设备的损害原理，并针对智能建筑的电子系统提出了一些防护方法和实际工程经验。以提高在智能建筑电子系统设计中的防雷意识，达到提高智能建筑电子系统可靠性的最终目的。

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