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智能建筑中通信网络的雷电防护


 
 
 


    雷电及浪涌灾害是一种低概率、高危害性的事故,在发生时往往导致严重的生命和财产损失。随着人类文明的发展,社会财富日益增加,智能建筑、现代化的信息枢纽如雨后春笋般不断涌现,现代计算机通信网络的规模迅速扩大,大量支撑人类社会活动的智能化设备越来越多。这些设备对雷电及过电压灾害的承受能力较差,使得雷电及过电压事故发生的频率以及造成的损害迅速增加,需要积极的加以预防。

    雷电放电及浪涌电压电流产生的过程十分复杂,防护技术牵涉到的技术范畴广泛。世界各地的科学技术人员经过长期深入的研究和试验,在防雷产品的设计、制造、应用等方面积累了大量的经验,总结出一整套雷电及过电压事故防护的方法,各种技术标准的制定为防护工作提供了具体的指导和要求,提供了充分的技术支持。从事智能建筑设计、施工、监理、验收等工作的单位,应当认真学习这些知识,努力使我们的工作走上专业化的轨道。

    一、雷电灾害基本知识

    对智能建筑内安装的大量通信网络设备和智能化设备来说,雷电现象造成的瞬间过电压是一个主要的威胁。由于各种工业活动也会在通信网络中产生浪涌过电压电流,它们都有可能对网络设备造成毁灭性的破坏。

    雷电直接击中地面物体或人体时雷电将直接通过地面物体或人体放电形成雷击电流,这种雷击形式称为直接雷击。在直接雷击发生的时候,被雷电击中的目标通过峰值极大的雷电流,在瞬间产生了巨大的热量、机械应力、电动力和电磁辐射。导致人员伤亡、建筑物损坏、设备结构分解、电路及金属构件熔化、微电子电路损坏等事故,产生巨大的破坏作用。此外,直接雷击的部分电流将沿着与被击中物体相连接的金属管道、线路传递到很远的地方,从而使被破坏的区域扩大。

    在雷电放电过程中由于瞬间放电产生了强烈的电磁脉冲,在邻近的设备或电子线路上感应了幅值和变化速率都很高的浪涌电压电流,对某些电子设备产生毁灭性的破坏,这种雷击现象称为间接雷击或感应雷击。我们知道:从电工学的观点来看建筑物本体属于不良导体,但在静电学中建筑物一类物体对静电荷来说属于导体,它不能阻止静电荷的移动。在雷电放电之前,低沉的雷雨云与地面形成了电场强度较大的局部电场,在地表面的物体(如建筑物、外露设备等)上聚集了大量的电荷,使得局部电场强度进一步升高。当雷电放电发生时,云-地之间的电荷迅速中和。由于建筑物本体的导电性能较差,聚集的电荷不能迅速分散使得原来电位相同的地面物体之间产生了很高的电位差,从而引发相互间的闪烁放电。尽管这种放电产生的能量较小,但对于脆弱的电子设备来说,往往造成灾难性的损害。此外,由对地电流产生的磁场辐射会在邻近金属环路上感应出很高的电压,如果环路存在断点,有可能会在断开处产生放电而对周围物品造成伤害。

    直接雷击或感应雷击都有可能产生浪涌电压电流,浪涌可以沿着各种导体传播数十公里仍具有破坏能力,对连接在该线路上的设备造成伤害,这种形式被称为远端雷击或浪涌放电形式。浪涌放电往往发生在非雷电放电现场,容易被忽略,使人猝不及防造成损失。通信网络线路附近往往平行敷设有动力设备电力电缆,如果线路间距不够或缺乏良好的屏蔽,在动力设备操作期间会在通信网络线路中感应出浪涌电压电流,如果这种浪涌电压的幅值或变化速率超出电子设备所能承受的水平,将会对电子设备造成永久性的损伤。

    雷电放电期间,由于接地电阻不可能完全消失,在雷电放电电流较大时,会引起地线系统电位急剧上升,从而在设备内部产生电位差破环设备的电气绝缘结构造成损害,这种现象被称为雷电反击。

    雷电及浪涌冲击对通信网络的影响还表现在干扰正常通信内容,增加误码乱码几率,甚至使通信网络陷于瘫痪状态。

    二、雷电及浪涌防护方法

    雷电及浪涌电压电流具有极高的或、极高的幅值,与具有极高内阻的电流源相近的电流特性,所有的防护措施都需要围绕这些方面展开。雷电及浪涌防护的基本原则是使雷电及浪涌所包含的能量按照预先设定好的方式和途径顺利的泄放。

    根据大量的观测统计数据,IEC、IEEE、GB等标准体系做出了总结归纳,对雷电及浪涌保护工作做出了严格的规范,主要采用的方法包括接闪、均压连接、接地、分流、屏蔽和躲避。根据标准“IEC1312-1雷电电磁脉冲的防护”的介绍,首次雷击的电流为10/350μS,在建筑物保护级别为Ⅰ级时,设计需要防护的直接雷击的峰值电流为200kA(雷电冲击电流定义见图1)。

    当雷电直接击中建筑物时预计最大将有50%的雷电流经过与建筑物外部相联接的各种金属管线导体进入建筑物内部,每个导体上承受的电流等于总电流除以导体总数。如果导体被屏蔽良好的金属管道包复,在计算时认为有70%的电流被屏蔽层分摊。标准中还包括许多在防护工程设计施工时必须遵守的内容,我们在开展防护工作前应当充分熟悉这些技术标准。

    为了同时满足设备运行与雷电防护的要求,所有防护设备都必须能够很好的解决正常状态与防护状态自动转换的问题。非线性元件具有的阶跃特性能很好的满足这些要求,所以防护设备中都包含有非线性元件,这些元件的性能对防护效果起着关键的作用。衡量防护元器件性能的主要指标有:

    1.额定工作电压Un:防护元器件能保持高阻状态的电压,当防护元器件两端电压低于额定电压时对被保护线路和设备的影响很小。

    2.残压(电压保护水平)Up:防护元器件在通过标称放电电流时两端的电压峰值。残压数值与与防护元器件的类型有关,与其额定工作电压的高低有关。

    3.标称放电电流In:防护元器件能多次承受的放电电流,其数值与电流波形密切相关。

    4.响应时间Ta:从施加电压至通过防护元器件两端的电压达到动作电压时所需要的时间。由于大部分防护元器件的动作电压(转折电压)定义点的电流是1mA,所以也可以说响应时间是从施加电压至通过防护元器件的电流达到1mA时所需要的时间。


   
 
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