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1.直擊雷對建筑物的破壞及保護方式
1.1直擊雷的保護
雖然有不少專(zhuān)家學(xué)者在努力的研究有效的防止直擊雷的方法，但直到今天我們還是無(wú)法阻止雷擊的發(fā)生。實(shí)際上現在公認的防直擊雷的方法仍然是200年前富蘭克林先生發(fā)明的避雷針。
1.1.1接閃器
避雷針及其變形產(chǎn)品避雷線(xiàn)、避雷帶、避雷網(wǎng)等統稱(chēng)為接閃器。歷史上對接閃器防雷原理的認識產(chǎn)生過(guò)誤解。當時(shí)認為：避雷針?lè )览资且驗槠浼舛朔烹娋C合了雷云電荷從而避免了雷擊發(fā)生，所以當時(shí)要求避雷針頂部一定要是尖端，以加強放電能力。后來(lái)的研究表明：一定高度的金屬導體會(huì )使大氣電場(chǎng)畸變，這樣雷云就容易向該導體放電，并且能量越大的雷就越易被金屬導體吸引。這樣接閃器的防雷是因為將雷電引向自身而防止了被保護物被雷電擊中�，F在認為任何良好接地的導體都可能成為有效的接閃器，而與它的形狀沒(méi)有什么關(guān)系。
為了降低建筑被雷擊的概率，宜優(yōu)先采用避雷網(wǎng)、作為建筑物的接閃器，如果屋面有天線(xiàn)等通信設施可在局部加裝避雷針保護，這樣接閃器的高度不會(huì )太高，不會(huì )增大建筑的雷擊概率。避雷網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸第一類(lèi)防雷標準應不大于5m×5m，第二類(lèi)防雷標準應不大于10m×10m，第三類(lèi)防雷標準應不大于20m×20m，避雷針應與避雷網(wǎng)可靠連接。
1.1.2引下線(xiàn)
引下線(xiàn)的作用是將接閃器接閃的雷電流安全的導引入地，引下線(xiàn)不得少于兩根，并應沿建筑物四周對稱(chēng)均勻的布置，引下線(xiàn)的間距不大于24米，引下線(xiàn)接長(cháng)必須采用焊接，引下線(xiàn)應與各層均壓環(huán)焊接，引下線(xiàn)采用10毫米的圓鋼或相同面積的扁鋼。對于框架結構的建筑物，引下線(xiàn)應利用建筑物內的鋼筋作為防雷引下線(xiàn)。
采用多根引下線(xiàn)不但提高了防雷裝置的可靠性，更重要的是多根引下線(xiàn)的分流作用可大大降低每根引下線(xiàn)的沿線(xiàn)壓降，減少側擊的危險。目的是為了讓雷電流均勻入地，便于地網(wǎng)散流，以均衡地電位。同時(shí)，均勻對稱(chēng)布置可使引下線(xiàn)瀉流時(shí)產(chǎn)生的強電磁場(chǎng)在引下線(xiàn)所包圍的建筑物內相互抵消，減小雷擊感應的危險。
1.1.3接地體
接地體是指埋在土壤中起散流作用的導體，接地體應采用：
n鋼管 直徑大于50毫米，壁厚大于3.5毫米；
n角鋼 不小于50×50×5毫米
n扁鋼 不小于40×4毫米。
應將多根接地體連接成地網(wǎng)，地網(wǎng)的布置應優(yōu)先采用環(huán)型地網(wǎng)，引下線(xiàn)應連接在環(huán)型地網(wǎng)的四周，這樣有利于雷電流的散流和內部電位的均衡。垂直接地體一般長(cháng)為1.5-2.5米，埋深0.6米，地極間隔5米，水平接地體應埋深1米，其向建筑物外引出的長(cháng)度一般不大于50米�？蚣芙Y構的建筑應采用建筑物基礎鋼筋做接地體
綜合防雷方案設計
2.1前端設備的防雷
（1）前端設備有室外和室內安裝兩種情況，安裝在室內的設備一般不會(huì )遭受直擊雷擊，但需考慮防止雷電過(guò)電壓對設備的侵害，而室外的設備則同時(shí)需考慮防止直擊雷擊。
（2）前端設備如攝像頭應置于接閃器（避雷針或其它接閃導體）有效保護范圍之內。當攝像機獨立架設時(shí)，避雷針最好距攝像機3－4米的距離。如有困難避雷針也可以架設在攝像機的支撐桿上，引下線(xiàn)可直接利用金屬桿本身或選用Φ 8的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應，沿桿引上攝像機的電源線(xiàn)和信號線(xiàn)應穿金屬管屏蔽。如不考慮直擊雷防護，此項可不予考慮。
（3）為防止雷電波沿線(xiàn)路侵入前端設備，應在設備前的每條線(xiàn)路上加裝合適的避雷器，如電源線(xiàn)（220V或DC12V）、視頻線(xiàn)、信號線(xiàn)和云臺控制線(xiàn)。
（4）攝像機的電源一般使用AC220V或DC12V。攝像機由直流變壓器供電的，單相電源避雷器應串聯(lián)或并聯(lián)在直流變壓器前端，如直流電源傳輸距離大于15米，則攝像機端還應串接低壓直流避雷器。
2.感應雷擊對電子信息系統的破壞及其保護措施
在工作狀態(tài)下, 一般電子信息設備工作電壓只有幾伏左右。而建筑物電子信息系統遭受雷電的影響是多方面的, 既有直接雷擊, 又有從電源線(xiàn)路, 信號線(xiàn)路等侵入的雷電電磁脈沖, 還有在建筑物附近落雷形成的電磁場(chǎng)感應, 以及接閃器接閃后由接地裝置引起的地電位反擊。
2.1 電子設備對雷電沖擊的脆弱性與防雷區的劃分
2.1．1 電子設備對雷電沖擊的脆弱性
從實(shí)際雷害事故的調查情況來(lái)看, 危害信息系統安全可靠運行的主要原因是雷擊電磁效應。當雷擊建筑物、建筑物附近地面、交流輸電線(xiàn)路以及天空雷云間放電時(shí), 所產(chǎn)生的暫態(tài)高電位和電磁脈沖能夠以傳導、耦合感應和輻射等方式多種途徑侵入室內信息系統。
2.1．2 防雷區的劃分
出于防雷電電磁脈沖的目的, 常將建筑物需要保護的空間劃分為不同的防雷區, 具體劃分如下:
(1) L PZ0a 區: 本區內的各物體都可能受到直接雷擊或導走全部雷電流, 本區內的電磁場(chǎng)強度沒(méi)有受到衰減。
(2) L PZ0b 區: 本區內的各物體不可能遭到大于所選滾球半徑所對應的雷電流直接雷擊, 本區內的電磁場(chǎng)強度也沒(méi)有受到衰減。
(3) L PZ1 區: 本區內各物體不可能遭受直接雷擊, 流經(jīng)各導體的雷電流比L PZ0b 區更小; 本區內的電磁場(chǎng)強度可能衰減, 這將取決于屏蔽措施。
(4) L PZn+ 1 區(n= 1, 2, 3?) 后續防雷區將一個(gè)建筑物需要保護空間劃分為不同防雷區的意義在于:
① 可以估算出各L PZ 區內雷電電磁脈沖的強度, 以確認是否需要采取進(jìn)一步的屏蔽措施;
② 可以確定等電位聯(lián)結的位置(一般在各防雷區的交界面上) ;
③ 可以確定不同防雷區界面上選用電涌保護器的具體指標;
④ 可以選定敏感電子設備的安全位置。
2.2 屏蔽
屏蔽措施主要是指采用屏蔽電纜、利用各種人工的屏蔽線(xiàn)盒、法拉第籠和各種可以利用的自然屏蔽體來(lái)阻擋或衰減侵入建筑物信息系統中的雷電電磁脈沖能量, 保護信息系統中的電子設備, 使其免受雷電電磁脈沖的干擾和損害。
2.2．1 屏蔽作用的目的
屏蔽是利用屏蔽體來(lái)阻擋和減小電磁能量傳輸的一種技術(shù)。屏蔽的目的有兩個(gè): 一是防止外來(lái)的電磁能量進(jìn)入某一區域, 避免這里的敏感電子設備受到干擾; 二是限制內部輻射的電磁能量漏出該內部區域, 避免電磁干擾影響周?chē)h(huán)境。
2.2．2 一些基本屏蔽措施
(1) 建筑物的自然屏蔽。建筑物的建筑結構中含有許多金屬構件, 如金屬屋頂、金屬網(wǎng)格、混凝土鋼筋、金屬門(mén)窗和護欄等, 在建造建筑物是, 將這些自然金屬構件在電氣上連接在一起, 就可以對建筑物構成一個(gè)立體屏蔽網(wǎng)。這種自然屏蔽網(wǎng), 能對外部侵入的雷電電磁脈沖形成初級屏蔽, 使之受到一定程度的衰減。
(2) 電源線(xiàn)和信號線(xiàn)的屏蔽。從防雷角度來(lái)看,在建筑物內的所有低壓電源線(xiàn)和信號線(xiàn)都應采用有金屬屏蔽層的電纜, 沒(méi)有屏蔽的導線(xiàn)應穿過(guò)鋼管。當采金屬絲編織層的電纜時(shí), 要注意在布線(xiàn)上避免出現較嚴重的彎曲。當電纜彎曲時(shí), 靠近內半徑一側的金屬絲覆蓋率很大, 而靠近外半徑一側的金屬絲覆蓋率則顯著(zhù)減小, 使得電纜的屏蔽效能下降。通常, 電纜屏蔽層阻擋電磁脈沖的能力除了與屏蔽層的材料和網(wǎng)眼大小等有關(guān)外, 還與屏蔽層的接地方式密切相關(guān)。就防護感應過(guò)電壓而言, 要求電源線(xiàn)或信號線(xiàn)連續或至少在其首、末兩端進(jìn)行良好接地,即屏蔽層宜采取多點(diǎn)接地。但是, 多點(diǎn)接地不利于對低頻電磁干擾的抑制。當屏蔽層作多點(diǎn)接地后, 各接地點(diǎn)之間將出現有屏蔽層與地構成的電氣回路,空間低頻電磁干擾在這些回路中感應出低頻電流,這種低頻電流在屏蔽層中流過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可能會(huì )有一部分透過(guò)屏蔽層, 在電纜內部的芯與皮回路中再次感應出低頻干擾。為消除這種低頻干擾, 就需要消除由屏蔽層與地之間構成的電氣回路, 這就要求電纜的屏蔽層只能做單點(diǎn)接地。然而在采用單點(diǎn)接地方式后, 這從防雷上講顯然又是不安全的。因此, 出于防雷可靠性的考慮, 當低頻電磁干擾不嚴
重時(shí), 在需要保護的空間內, 屏蔽電纜應至少在其兩端以及在其所穿過(guò)的防雷區界面處作接地; 當低頻電磁干擾嚴重時(shí), 可將屏蔽電纜穿入金屬管內或雙層屏蔽電纜的內屏蔽層可不接地或只做一端接地。
(3) 儀器和設備屏蔽。凡是含有對電磁脈沖干擾敏感的設備和儀器, 都應采用連續的金屬層加以閉封起來(lái), 進(jìn)入儀器及設備的電源線(xiàn)和信號線(xiàn)以及它們之間的傳輸線(xiàn)均應采用屏蔽電纜或穿金屬管進(jìn)行屏蔽。在信號線(xiàn)或傳輸線(xiàn)電纜的兩端應保持其屏蔽體具有良好的電氣接觸, 以便構成一個(gè)完整的屏蔽體系。對于那些重要的儀器或設備應放在屏蔽室里。
2.3 均壓措施
將建筑物內不同的電纜外屏蔽層、設備外殼、金屬構件和進(jìn)出金屬管道通過(guò)電氣搭接連接在一起,形成一個(gè)電氣的連續整體, 能夠有效地避免在不同金屬物之間出現過(guò)高的暫態(tài)高電位差, 從而可以防止反擊的發(fā)生。
2.3．1 電位均衡
當雷擊于建筑物的防雷裝置時(shí), 防雷裝置中各部位暫態(tài)電位的升高可能會(huì )對其周?chē)慕饘傥锇l(fā)生反擊, 損壞設備。將鋼筋混凝土建筑物中的鋼筋和金屬構件進(jìn)行電氣連接, 不僅具有屏蔽作用, 而且也具有均壓作用。為了保證建筑物內信息系統免受反擊的危害, 就需要對電子設備及其所聯(lián)系的電源線(xiàn)和信號線(xiàn)采取均壓措施, 即將設備外殼和線(xiàn)路外屏蔽層與建筑物中接地金屬構件進(jìn)行電氣連接, 實(shí)現電位均衡。經(jīng)過(guò)電位均衡之后, 就可以有效地限制設備與構件和設備與設備之間的暫態(tài)電位差, 從而避免發(fā)生反擊。進(jìn)出建筑物的電源線(xiàn)和信號線(xiàn)等, 也需要加以暫態(tài)電位均衡。在未發(fā)生雷擊時(shí), 這些線(xiàn)路中的帶電導體或者要輸送電能, 或者要傳輸信號, 不能直接進(jìn)行電氣連接, 否則將會(huì )造成短路, 妨礙它們的正常運行。為此, 可在各線(xiàn)路中的帶電導體上采用避雷器或電涌保護器以及保護間隙來(lái)與建筑物的防雷接地裝置進(jìn)行電氣連接, 實(shí)施暫態(tài)均壓。在發(fā)生雷擊時(shí), 帶電導體與其他部分之間將出現高的暫態(tài)電位差, 使得與這些導體相連接的保護器件動(dòng)作限壓, 呈現出接近于短路的電氣連接, 于是就實(shí)現了暫態(tài)電位均衡。而雷擊結束后, 線(xiàn)路恢復正常運行,由于帶電導體的工作電壓相對很低, 不足以使保護器件動(dòng)作, 則保護器呈現開(kāi)路狀態(tài), 不會(huì )影響帶電導體的正常工作。
2.3．2 等電位聯(lián)結
均壓措施是通過(guò)等電位聯(lián)結來(lái)實(shí)現的。通常, 所有進(jìn)入建筑物的外來(lái)金屬管道、電源線(xiàn)和信號線(xiàn)等在穿過(guò)各防雷區時(shí), 均應在各區的交界處做等電位聯(lián)結, 以預防雷電感應侵入波沿這些途徑進(jìn)入信息系統。電源線(xiàn)和信號線(xiàn)從某一處進(jìn)入被保護空間L PZ1 區, 它們首先在設于L PZ0a 區或L PZ0b 區與L PZ1 區界面處的等電位聯(lián)結帶上做等電位聯(lián)結。當外來(lái)的金屬管道和電源線(xiàn)與信號線(xiàn)從不同地點(diǎn)進(jìn)入建筑物時(shí), 宜設若干條聯(lián)結帶, 以供各管道和線(xiàn)路進(jìn)行等電位聯(lián)結。等電位聯(lián)結帶宜就近連到環(huán)形接地體、內部環(huán)形條體或此類(lèi)的鋼筋上。
2.4 箝位保護
實(shí)際調查結果表明, 雷電侵入波主要是從電源線(xiàn)和信號線(xiàn)等途徑侵襲到信息系統中去的, 所以必須在這些線(xiàn)路上采取箝位保護措施。
2.4．1 電源保護
將電源保護器安裝在電子設備的電源線(xiàn)側, 對沿線(xiàn)路來(lái)的雷電暫態(tài)過(guò)電壓進(jìn)行抑制, 這就構成了電源保護的基本模型。從電路結構上看, 電源保護器可以分為單級和多級結構。單級保護器一般是一個(gè)保護元件或是與其他元件的組合。在單級保護支路中串入熔斷器是起到電流保護作用, 用于防止保護元件在抑制異常嚴重過(guò)電壓時(shí)被過(guò)流燒毀。將壓敏電阻與保護間隙串聯(lián)的目的是為了有效地切斷工頻續流和抑制正常時(shí)的泄漏電流, 此外的保護間隙也可以換成放電管。單級保護只能對雷電暫態(tài)過(guò)電壓進(jìn)行一次性抑制, 在一些保護要求較高的場(chǎng)合, 就需要采用多級保護。最簡(jiǎn)單的多級保護器只包含兩級, 即兩級保護器。
2.4．2 信號保護
與電源保護模式相仿, 信號保護就是在電子設備的信號線(xiàn)上設置信號保護器, 以抑制沿信號線(xiàn)侵入的雷電暫態(tài)過(guò)電壓。信號保護器的結構也分為單級和多級。其中壓敏電阻、雪崩二極管和瞬態(tài)二極管一般用于保護頻率不太高的信號線(xiàn)路, 而放電管則適合于保護高頻信號線(xiàn)路。
3.雷電過(guò)電流入侵方式
由感應雷產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓過(guò)電流主要有以下三個(gè)途徑：
（1）由供電電源線(xiàn)路入侵；高壓電力線(xiàn)路遭直擊雷襲擊后，經(jīng)過(guò)變壓器耦合到各低壓0.38kv/0.22kv線(xiàn)路傳送到建筑物內各低壓電氣設備；另外低壓線(xiàn)路也可能被直擊雷擊中或感應雷過(guò)電壓。據測，低壓線(xiàn)路上感應的雷電過(guò)電壓平均可達10kv，完全可以擊壞各種電氣設備，尤其是電子信息設備。
（2）由建筑物內計算機通信等信息線(xiàn)路入侵；可分為三種情況：
1、當地面突出物遭直擊雷打擊時(shí)，強雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進(jìn)而擊穿外皮，使高壓入侵線(xiàn)路。
2、雷云對地面放電時(shí)，遭線(xiàn)路上感應出上千伏的過(guò)電壓，擊壞與線(xiàn)路相連的電器設備，通過(guò)設備連接侵入通信線(xiàn)路。這種入侵沿通信線(xiàn)路傳播，涉及面廣，危害范圍大。
3、若通過(guò)一條多芯電纜連接不同來(lái)源的導線(xiàn)或者多條電纜平行鋪設時(shí)，當某一導線(xiàn)被雷電擊中時(shí)，會(huì )在相鄰的導線(xiàn)感應出過(guò)電壓，擊壞低壓電子設備。
�。�3）地電位反擊電壓通過(guò)接地體入侵；雷擊時(shí)強大的雷電流經(jīng)過(guò)引下線(xiàn)和接地體泄入大地，在接地體附近放射型的電位分布，若有連接電子設備的其他接地體靠近時(shí)，即產(chǎn)生高壓地電位反擊，入侵電壓可高達數萬(wàn)伏。建筑物防直擊雷的避雷引入了強大的雷電流通過(guò)引下線(xiàn)入地，在附近空間產(chǎn)生強大的電磁場(chǎng)變化，會(huì )在相鄰的導線(xiàn)（包括電源線(xiàn)和信號線(xiàn)）上感應出雷電過(guò)電壓，因此建筑物避雷系統不但不能保護計算機反而可能引入了雷電。
4.觀(guān)測場(chǎng)內設備的雷害形式
觀(guān)測場(chǎng)內設備主要了雷害形式有直擊雷對電子信息設備的破壞以及過(guò)電壓。
在保護重要的電子信息設備時(shí), 多數采用多級浪涌保護器防護, 以達到分級泄流, 避免單級保護因過(guò)大的雷擊電流而出現損壞概率高和產(chǎn)生高殘壓。通過(guò)合理的多級泄流能量配合, 保證浪涌保護器有較長(cháng)的使用壽命和設備電源端口的殘壓低于設備端口耐雷電沖擊電壓, 確保設備安全。為了保證雷電高電壓脈沖沿電源線(xiàn)路侵入時(shí), 各級涌保浪護器都能分級啟動(dòng)泄流, 避免多級涌保浪護器出現盲點(diǎn), 根據ITU , K 20,IEC61312-3 的規定, 兩級浪涌保護器間必須有一定的線(xiàn)距長(cháng)度( 即一定的感抗或加裝退藕元件) 來(lái)滿(mǎn)足避免盲點(diǎn)的要求。同時(shí)規定, 末級電源線(xiàn)路浪涌保護器的保護水平必須低于被保護設備對浪涌電壓的耐受能力。各級電源線(xiàn)路涌保浪護器能量配合最終目的是將總的威脅設備安全的電壓電流浪涌值減低到被保護設備能耐受的安全范圍內, 而各級電源線(xiàn)路涌保浪護器泄放的浪涌電流不超過(guò)自身的標稱(chēng)放電電流。雖然雷電感應電壓經(jīng)電源線(xiàn)路浪涌保護器法短路泄流,但是在電子信息設備電源端口仍然會(huì )有殘壓, 即使是經(jīng)多級避雷器分級泄流, 在電子信息設備電源端口仍然會(huì )有一定的殘壓。在日本的一些關(guān)于電子信息系統防感應雷雷害的文章中還提到了一種隔離法, 就是在被保護設備電源端口加設隔離變壓器, 用這個(gè)隔離變壓器隔離掉沿線(xiàn)路入侵的威脅設備安全的電壓電流浪涌。因為《建筑物電子信息系統防雷技術(shù)規范》中并未提到這種方法, 所以在實(shí)際設計中我們還是采用等電位連接, 共用接地系統, 浪涌保護器和屏蔽及適當的布線(xiàn)措施等做為主要的防雷措施。