弱电防雷系统

弱电防雷系统

1 概述

随着微电子设备的广泛应用，雷电的危害越来越大。雷电，已被联合国国际减灾委员会确定为对人类造成最严重的十大自然灾害之一，并被联合国确定为"电子化时代的一大公害"。据历年气象资料统计，山东省年平均雷暴日为37.5 天，属于雷暴活动和雷电灾害较频繁的省份之一。另据不完全统计，山东省每年因雷击损失近2 亿元，诱发多起较大火灾事故。从雷击事故统计来看，程控机、计算机网络系统等微电子设备遭受雷击的事故占很大比重，并呈逐年上升趋势。各种电子设备机房在现代化智能大楼中起着至关重要的作用，保障机房内微电子设备免遭雷击和系统的正常运行，显得尤为重要。

泰安地质大厦是集办公、酒店、客房于一体的智能建筑群，内有大量电子信息设备，一旦遭遇雷击，可能导致系统瘫痪，从而造成重大损失，因此弱电防雷系统十分重要。

2 设计依据

1)《建筑物防雷设计规范》GB50057-94

2)《民用闭路监视电视系统工程技术规范》GB50198-94

3)《工业电视系统工程设计规范》GBJ115-87

4)《电信专用房屋设计规范》YD5003-92

5)《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343—2004

6)《电子计算机场地通用规范》GB/T 2887-2000

7)《计算机场地安全要求》GB/9361-1688

8)《电子计算机机房设计规范》GB/50174-1693

9)《Protection of Structures against Lighting》IEC1024-1:1993

10)《Protection against lighting electromagnetic impulse》IEC 1312-1-2-3 :1995-02

11)《Insulation coordination for equipment within low-voltage systems》IEC664-1:1992-02

12)《Electrical installations of buildings》IEC 364-4:1993-02

3 现状分析

3.1 所处地理环境情况：

泰安地质大厦位于泰安市区。气象数据表明，该地区年平均雷暴日高达25.4（d/a），按照GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的定义，其地区雷暴日等级为：多雷区。据山东省气象局统计资料：山东地区雷电灾害呈逐年递增趋势，且造成的损失也越来越大。2000年夏，泰安市工商银行监控系统遭雷击全部毁坏，直接经济损失20多万元；2002年7月22日，泰安监狱内监控系统被雷击坏，导致狱内不能正常工作，经济损失16万元。2005 年5 月10 日，在泰安市一次强雷暴过程中，全市有20 多家单位计算机机房的仪器设备遭到不同程度的损坏。

泰安地质大厦设计地上19层，地下1层，楼高80米，周围地势空旷，遭受雷击可能性极大。

3.2 建筑物情况

泰安地质大厦：地上19层，地下1层，楼高80米，建筑面积约3万m2。内设设备主控机房、系统集成机房、防灾中心，计算机主机房，计算机网络设备机房、电话通信设备机房、各楼层设备间等区域。根据GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》规定，属于B级雷击防护建筑。

3.3 电子信息设备的类型、分布情况

主要电子信息设备有：网络设备、监控设备、卫星接收设备、计算机、视听播出设备等，分布在地下一层到地上十九层、电梯机房层。

3.4 低压配电及接地情况

两路10kV专用电源和一路10kV公网电源引入本建筑地下变配电室。低压配电系统采用380/220V放射式与树干式相结合方式。

3.5 信号线路情况

室外引入信号线路主要有：电话线路、计算机网络线路、有线电视线路、控制系统信号线路、视频信号线路等。

3.6 建筑物防雷情况

该建筑物防雷设计等级为二类，满足直击雷、侧击雷防护要求。

过电压保护：在变配电室低压母线上装一级电涌保护器（SPD），工艺总配电箱内装二级电涌保护器，工艺机房配电箱及弱电机房配电箱内装二级电涌保护器。屋顶室外风机、室外照明配电箱内装一级电涌保护器。

3.7 建筑物接地情况

本建筑物防雷接地、变压器中性点接地、电气设备保护地、计算机机房等接地共用同一接地体，设计接地电阻不大于1欧姆。

接地型式采用TN-S系统。

4雷害发生的形式、可能性和危害性简析

4.1雷害发生有以下形式：

（1）直击雷

直击雷是雷电直接击在建筑物上或建筑物外的电子设备，如摄像机。由于雷击时，雷电压高达几百万-几千万伏，雷电流高达几万到几十万安，强大的雷电流所经的物体上的水份受热汽化膨胀，而产生强大的热效应和机械效应，从而使建筑物遭受到破坏，同时可能会引起火灾。

（2）雷电波侵入

由于缺乏完善的防直击雷措施，雷闪可能袭击远离通信站的高压架空线路上，也可能落地击中埋地敷设的低压线路上，或雷电击中通信铁塔时，在天馈线路上产生的高电位、大电流的雷电冲击波沿着这些导体侵入建筑物内，称为雷电波侵入。即使变压器高压线路侧加装采用高压避雷器等防雷措施，但并不能完全消除雷击引起的雷电过电压，仍会有一部分幅值的雷电过电压对低压系统的用电设备，特别是对通信系统、计算机系统造成很大的威胁。

（3）雷电感应

当雷击中避雷针时，在引下线周围会产生很强的瞬变电磁场。处在电磁场中的监控设备和传输线路会感应出较大的电动势。这种现象叫电磁感应。

当有带电的雷云出现时，在雷云下面的建筑物和传输线路上都会感应出与雷云相反的电荷。这种感应电荷在低压架空线路上可达100kv，信号线路上可40－60kv。这种现象叫静电感应。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。

电磁感应和静电感应称为感应雷，又叫二次雷击。它对设备的损害没有直击雷来的猛然，但它要比直击雷发生的机率大得多。按原邮电部的统计，感应雷造成的雷击事故约占雷击事故总和的80%。

（4）反击

避雷针的作用是靠它对雷云电场引起的畸变将雷闪吸引到自身，并安全导入地中，从而使位于其保护范围内的设备和建筑物免遭直接雷击。应该注意避雷针所引下的是幅值极大、上升陡度很高的雷电流，雷电流入地处的地电位升高，引下线周围空间形成强烈的电磁脉冲。雷击点附近的通讯线路、信号控制线路、射频传输线路会通过反击和电磁耦合的方式，形成暂态过电压，并以雷电波的形式沿线路传播，危害电子设备。

4.2 雷害发生的可能性

根据建筑物现场布局、电源供电线路和通信线路、地线等情况分析，本建筑物弱电系统遭受雷击的可能性如下：

（1）直击雷

直击雷通过以下途径发生雷害：

●雷电直击机房所在建筑物，造成建筑物毁坏和引起火灾，对主机房构成威胁。

●雷电直击输电线路，产生过电压过电流侵入到机房，致使系统瘫痪。

●雷电直击通讯天线，沿天馈线进入网络系统，造成通信接口、接收系统、室内单元、

路由器等网络主要通信设备损坏。

●雷电直击网络通信有线线路(如光缆、帧中继、X.25 专线、电话线等)，致使线路损坏；

同时产生的雷电电涌沿通信线路侵入到网络系统内，造成设备损坏。

由于建筑物已经进行防雷设计，可以避免直击雷和侧击雷侵害。

（2）雷电波入侵

雷闪可能袭击远离建筑物外的架空线路上，也可能落地击中埋地敷设的线路上，产生的高电位、大电流的雷电冲击波沿着这些导体侵入建筑物内。

电力线是雷电入侵电子设备的重要渠道，雷云通过静电感应和电磁感应，很容易在电力线上感应出高电位。当雷云对地放电后，这些高电位便沿电力线运动，形成过电压波，可达几十kV 至上千kV，并从电力线的负载保护地线入地，击穿设备。此外，当雷电打在建筑物避雷装置上时，引下线由于线路电感的作用，只能将50%的电流引入大地，余下总

电流的25%将通过电力线屏蔽槽、水管、暖气管、金属门窗等与地面有连接的金属物质联合引雷，剩余的25%将流窜至电源线、局域网线等。对主机房设备而言，部分雷电流将由UPS 输入电源线对交流地线进行L－PE、N－PE 泄放，局域网线对逻辑地线等进行泄放，并最终击坏设备。

即使变压器高压线路侧加装采用高压避雷器等防雷措施，但并不能完全消除雷击引起的雷电过电压，仍会有一部分幅值的雷电过电压对低压系统的用电设备，特别是对通信系统、计算机系统造成很大的威胁。

（3）雷电感应

当雷电流通过避雷针引下线泄放入地时，引下线自上而下产生一个变化旋转快速运动的电磁场，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设备。

广域网的雷害主要是感应雷害。一般来说，广域网保护的最大雷电流为5kA。连接广域网一般有DDN 租用专线、ISD 专线、帧中继以及微波通讯方式。对于专线的接收端口，它的耐压应为5倍工作电压，即Vdc25V，插入信号避雷器，使之在雷电作用下，短路保护5kA 电流，而端口残压小于25V；对于电话线备份来说，它的工作电压为48V 加93√2 V 振铃电压共计175V，插入信号避雷器的启动电压185V，残压小于Vdc330V，因为调制解调器的耐压为Vdc330V。广域网遭受雷击的概率一般在28%左右。

对于局域网络系统，由于雷电引起的电磁脉冲在机房内产生191A/m(2.4Gs)的变化电磁场，就会引起网络设备(SWITCH、REPEATER、HUB、ROUTER、MODEM、NIC 等)端口芯片的烧毁。为此，必须考虑对设备端口的过电压防护。

（4）反击

雷电通过引下线引入大地时，由于大地电阻的存在，必然引起局部地电位升高。交流配电地和直流逻辑地将这种高电位引入机房，通常造成UPS 输出、输入端被击穿，小型机及其他网络设备连接端口被击穿。另外，雷电流沿防雷系统中各引下线泄放过程中，将在防雷系统中产生暂态高电压，如果引下线与网络设备绝缘距离不够且设备与防雷系统不共地，将在两者之间出现高电压，发生放电击穿，导致设备损坏，甚至危及人身安全。

5弱电系统防雷解决方案

5.1 基本防雷措施及原理

建筑物内部防雷措施主要有屏蔽、等电位连接和共用接地系统、过电压防护以及综合布线等，主要是针对雷击电磁冲(Lightning electromagnetic impulse，LEMP)防护而言的。在进行内部防雷保护之前，需首先明确防雷分区这个概念。防雷区(LPZ)是指闪电电磁环境需要限定和控制的区域，LPZ 的划分原则如图1 所示。LPZ 的划分主有以下几个目的:①可以计算出各LPZ 内空间雷击电磁脉冲的强度，以确认是否需采取进一步的屏蔽措施；②确等电位连接的位置(一般是各LPZ 交界处)；③确定在不同LPZ交界处选用的电涌保护器(SPD)的具体指标；④选敏感电子设备的安全放置位置。⑤确定在不同LPZ 交界处等电位连接导体的最小芯线截面。

图1 防雷分区概念

（1）屏蔽

屏蔽是减少电磁干扰的基本措施。由于计算机对雷击电磁脉冲极为敏感，5.57A/m(0.07Gs)的磁场强度即可造成计算机误动作，191A/m(2.4Gs)的磁场强度即可使其元件击穿。因此，应特别加强电子设备机房的屏蔽措施。对雷击电磁脉冲屏蔽的措施具体可分为建筑物屏蔽、设备屏蔽和各种线缆(包含管道)的屏蔽。建筑物的屏蔽可利用建筑物的钢筋和金属构架、金属门窗等相互连接在一起，形成一个法拉第笼，并与地网可靠电气连接，形成初级屏蔽网。对主机房而言，其上下层面楼板及四周墙面的混凝土内的钢筋在基建设计施工时应适当加密，以增强屏蔽效果。根据理论计算和实际经验，屏蔽网应采用不小于Φ8 的钢筋、网孔尺寸不大于200mmX200mm。另外，要特别注意对各种“洞”的屏蔽，除门、窗外，还应对金属管道和线缆的入口作好屏蔽。设备的屏蔽应在对设备耐过电压水平的基础上，按LPZ 施行多级屏蔽。金属丝编织网、金属软导管、栈桥均可用于线缆屏蔽。线缆应敷设在金属屏蔽槽(管)内加以屏蔽，并使金属屏蔽槽(管)两端接地，且在

穿经每一LPZ 交界处时，与该层等电位连接带连接。电流的“趋肤效应”可使相当大的一部分雷电流沿屏蔽层泄入大地。

（2）等电位连接措施和共用接地系统

等电位连接是指将分开的装置、诸导电物体用等电位连接导体或电涌保护器 (SPD) 连接起来以减小雷电流在它们之间产生的电位差。共用接地系统是指利用建筑物基础地网作为共用接地地网。等电位连接和共用接地系统是减少雷电反击的有效手段。具体采取的措施是:首先在建筑物入户处，即LPZ0与LPZ1交界处进行总等电位连接(MEB)，即进出机房所在建筑物的各类水管、暖气和空调等金属管道以及电缆的金属外屏蔽层进行等电位连接，并将总等电位连接端子与基础接地网连接。电源线路和信号线路也要在入户处做总等电位连接。由于电源线路上的带电导体和信号线路的芯线不能用导线直接连接，此时应加装SPD 实现等电位连接。然后在后续的LPZ交界处按MEB 的方法进行局部等电位连接 (LEB)，连接主体应包括设备本身(含外露可导电部分)、电源线、信号线缆和防静电金属地板等。最后在主机房内敷设等电位连接带，机柜、电气和电子设备的外壳和机架、计算机直流地(逻辑地)、防静电接地、金属屏蔽线外层、交流地(PE 线)和SPD 接地端等均以最短距离就近与这个等电位连接带直接连接，连接的基本方法可采用星型 (S)结构或网型(M)结构，(见图2)。复杂系统可采用两者相结合的混合型。

（3）过电压防护措施

从前面来看，过电压防护是等电位连接的措施之一，也是机房防雷设计的重要环节。过电压防护分为机房低压供电系统的逐级保护，传输系统(专线、电话线、光缆、数据传输线、天线馈线等)的信号过电压防护，以及通讯网络系统主要设备接口的过电压防护。

供电系统的过电压防护

机房的供电制式应严格采用TN－S 或TN－C－S，严禁采用TN－C 系统。供电线路应按照LPZ 的划分，通过加装SPD 对雷电过电压进行逐级防护。对主机房而言，可采取三到四级防护。

SPD1:一般安装在智能大楼低压配电室低压配电柜电源总进线处，在每条相线和中性线上选用I 级分类试验用冲击电流Iimp 通过幅值电流不小于2OkA 的SPD(l0/350μs)。

SPD2:一般安装在机房所在的楼层配电盘处，宜选用每条相线和中性线上每个SPD 标称放电电流不小于2OkA的SPD(8/2Oμs)。

SPD3:一般安装在机房分配电盘处，宜选用每条相线和中性线上每个SPD 标称放电电流不小于lOkA 的SPD(8/2Oμs)。

计算机设备和网络设备前端可根据实际情况采用响应时间更快的SPD4 进行精细保护。

图3 电源过电压分级防护

信号系统的过电压防护

数据传输线在LPZ 交界处和进入设备前端，应加装SPD 进行过电压防护。当数据传输线路采用有线工作方式时，在线缆与MODEM 之间应安装SPD。当数据传输线路采用无线传输方式时，传输设备的天馈线应在LPZO 与LPZl交界处穿金属管屏蔽接地引入。在天馈线的发射设备端和接收设备端上应安装天馈SPD。进入主机房的电话线宜穿金属管屏蔽埋地引入，并应在接线盒前端的电话组线箱内安装电话线SPD。当数据经由同轴电缆或双绞线上网时，应在同轴电缆或双绞线上安装SPD。双绞线宜穿管屏蔽等电位连接后引入，同轴电缆的金属

屏蔽层应做等电位连接。当使用含有金属部件的光缆传输时，应在光缆的终端将金属部件直接或通过开关型SPD 接到等电位连接带上。安装的SPD 的相关技术指标应视实际接口形式、传输速率、特性阻抗、驻波比、插入损耗、频带宽度等性能指标确定。另外，SPD 的工作电压和耐压等参数尚应符合前面雷电侵入途径中的有关分析。

图4 信号过电压防护示意图

（4）综合布线及设备安装位置

从防雷角度上考虑，布线一定要明确表示：

●电源线不要与网络线同槽架设，数据插座与电源插座要保持一定距离。根据经验，该

距离一般应大于30cm。

●广域网线缆不要与局域网线缆同槽架设。

●屏蔽槽有厚度要求，并要求至少两点接地。

●根据引下线在泄放雷电流时，在空间所引起的磁场强度和信息设备的最大承受能力(一

般为191A/m)计算，设备安装位置最好与外墙的距离在lm 之外。网线与墙壁布置时，有条件也应远距离安装(至少1m)。

5.2泰安地质大厦弱电防雷方案所达到的目的

保障山东广电中心内部电子信息各系统设备不受雷击损坏，保障系统的正常运作及工作人员的安全。

5.3泰安地质大厦弱电防雷方案的具体内容

（1）防雷分区划分

根据泰安地质大厦外部防雷设计，建筑物内部划分为三个区：

LPZ1：建筑物地下变配电室和建筑物网络设备间。

LPZ2：建筑物内部电子设备机房和各楼层网络设备间、通信间、智能化系统设备间。LPZ3：金属机架（柜）内部属于LPZ3区。

（2）防雷器的选型

根据目前国内外防雷器件的生产水平的防雷器“雷电通流”与“雷电残压”的关系，电源线路一般采用三级防雷保护。在外线进入室内，有雷电感应的信号线路两端均需安装防雷器，以达到室内设备免遭雷击损坏的效果。

一）供电系统：

（a）在总配电房分往网络机房和监控机房的总电源前各安装一台100KA的三相电源防雷箱“KBT-380AJ/100”或100KA三相电源防雷模块“KBT-D380/100”作为总配电房的第一级防护；

（b）在网络机房的总电源前安装一台60KA的三相电源防雷箱“KBT-380BJ/60”作为网络机房第二级防护；在机房的UPS前安装一台40KA的单相电源防雷箱“KBT-220AJ/40”作为网络机房第三级防护；。在服务器、交换机等重要设备前加装六个防雷插座“KBT-220E”作为末级保护；

（c）在监控机房的总电源前安装一台60KA的三相电源防雷箱“KBT-380BJ/60”作为

监控机房第二级防护；在机房的UPS前安装一台40KA的单相电源防雷箱“KBT-220AJ/40”作为第三级防护。在监视器、矩阵等前安装16个防雷插座作为末级保护；在消防报警设备、背景音乐等重要设备前加装4至5个防雷插座“KBT-220E”作为末级保护；在门禁系统的后台机加装一个防雷插座“KBT-220E”作为末级保护；在空调远程控制系统的电源前加装一组电源防雷模块“KBT-D380/40”

作为第二级防护

（d）在室内外的各监控点电源信号处均安装防雷器：

在室外7个快球前安装三合一的监控多功能防雷器“KBT-V/3”；即电源、视频信号、485控制信号三套防雷器合为一体；

在固定的摄像枪前安装二合一的监控多功能防雷器“KBT-V/2”；即电源、视频信号、二套防雷器合为一体；

二）信号系统

a、在网络机房重要的交换机前各安装一台集中式计算机网络防雷箱“KBT-C100C/24”以保护各个网络端口不被雷击损坏；在ADSL分线口安装一只MODEM防雷器“KBT-A60A”

b、在监控机房监视系统切换器处安装视频信号防雷器KBT-V40A及控制信号防雷器KBT-C485

c、门禁控制系统

（1）界面截驳器前安装一个控制信号防雷器KBT-C485。

（2）门控主机前安装一个控制信号防雷器KBT-C485及防雷插座KBT-220E。

（3）发卡单元前安装一个控制信号防雷器KBT-C485。

d、背景音乐系统（建议）

在数字矩阵前安装一台音频线路防雷器KBT-A60D。

因遭雷击损坏的可能性少，本次方案暂未不考虑。

e、空调远程控制系统

在四路远程控制线前各安装一个控制信号防雷器“KBT-C485”，电源部分一定得安装防雷器。

三）其他

在各中央空调的电源处应安装一台电源防雷器：“KBT-380B/40KA”；

在各楼层的交换机的电源前应安装一个防雷插座“KBT-220E”。

6 接地系统设计

6.1 等电位连接

等电位连接是内部防雷装置的一部分，其目的在于减少雷电流所引起的电位差。等电

位是用连接导线或过电压（浪涌）保护器将处在需要防雷的空间内的防雷装置，建筑物的金属构架、金属装置、外来导线、电气装置、电信装置等连接起来，形成一个等电位连接网络，以实现均压等电位，防止需要防雷空间内的火灾、爆炸、生命危险和设备损坏。

设备间和机房采用总等电位联结，将室内所有电子设备以及所有进入机房的金属管道、金属门窗、信号电缆外屏蔽层、计算机装置本身（含外露可导电部分）、PE线、防静电地板、电力线（通过SPD连接）等与房间内等电位端子排连接并接地。

6.2防雷接地

GB50198-94《民用闭路监视电视系统工程技术规范》：

第2．5．8条：“防雷接地装置宜与电气设备接地装置和埋地金属管道相连，当不相连时，两者间的距离不宜小于20m”

第2．5．4条：“系统采用专用接地装置时，其接地电阻不得大于4Ω，采用综合接地网时，其接地电阻不得大于1Ω。”

GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》：

第5．2．5条（本条为强制性条款）：“防雷接地应与交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地共用一组接地装置，接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。”

第5．2．6条（本条为强制性条款）：“接地装置应利用建筑物的自然接地体，当自然接地体的接地电阻达不到要求时必须增加人工接地体。

根据以上条款，弱电系统的防雷接地应与楼层弱电设备间所设置的弱电箱的金属外壳安全保护接地共用一组接地装置，统一接到建筑物的基础上，接地电阻不大于1Ω。

根据土建标书，建筑物的接地电阻应该满足以上要求，所以不再做单独接地。

7产品选型

为了达到建设方对弱电防雷系统的要求；满足国家有关“计算机机房设备防雷接地技术规范”要求；根据该大楼的实际情况，本系统采用科比特公司产品对防雷系统做如下选型：

（1）．并联式电源防雷箱

用途：

主要用于邮电、气象、交通、计算机网络、铁路、电力、住宅等领域电源的第一、二

级防雷、防浪涌保护。

380A、B适用于三相四线制低压电源系统。

220A适用于单相二线制低压电源系统。

结构：

由空开，KBT型防雷器，工作状态指示器所组成。

安装方式：壁挂式安装。

特点：

1.过热过流保护，避免火灾发生；

2.有工作状态指示，便于了解每相防雷器的工作状态；

3.安装方便，直接并联于电源进线中；

（2）．电源防雷模块

特点：

1．选用优质压敏电阻，性能稳定可靠；

2．通流容量大；

3．具有过热、过流双重自保护电路；

4．模块化设计，标准导轨安装，可带电更换；

5．有劣化显示窗口；

6．有遥信告警装置，便于远程监控；

7．响应时间≤20nS。

8．动作电压：620/560V±10%；

9．雷电通流：60/40/20KA；

10．响应时间：<25nS；

11．环境温度：-40℃—+80℃；

12．使用寿命：20年。

（3）.电源防雷插座

结构：

多功能插座，带工作状态指示。

特点：

1．防雷器失效保护，避免火灾发生；

2．有工作状态指示，便于了解防雷器的工作状态。

3．安装方便，用电设备直接插在防雷插座上。

（4）.音频防雷器

特点：

1．多级保护，通流容量大；

2．核心元件均经严格筛选，且选用国际名牌产品，性能优越；

3．内置快速半导体保护器件，响应速度快；

4．低电容、电感设计，传输性能优越；

（5）.视频防雷器

特点：

低电容、电感设计，传输性能优越；

（6）.网络防雷器特点：

1．多级保护，通流容量大；

2．内置快速半导体保护器件，响应速度快；

3．低电容、电感设计，传输性能优越；

4．限制电压极低；

5．安装方便。

（7）．监控多功能防雷器

特点：

监控多功能防雷器是根据监控系统的特点量身打造的专用防雷器，集电源线路过压保护、视频线路过压保护和控制线路过压保护于一体，各部分均采用高集成度的多级串联式结构设计，具有多级防护功能，适用于通信、公共场所、各种楼宇、各种安防场地等室内、室外控制系统的防雷保护。

KBT-V/2 KBT-V/3