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1.直擊雷對建筑物的破壞及保護(hù)方式
1.1直擊雷的保護(hù)
雖然有不少專家學(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法阻止雷擊的發(fā)生。實際上現(xiàn)在公認(rèn)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、避雷帶、避雷網(wǎng)等統(tǒng)稱為接閃器。歷史上對接閃器防雷原理的認(rèn)識產(chǎn)生過誤解。當(dāng)時認(rèn)為：避雷針防雷是因為其尖端放電綜合了雷云電荷從而避免了雷擊發(fā)生，所以當(dāng)時要求避雷針頂部一定要是尖端，以加強(qiáng)放電能力。后來的研究表明：一定高度的金屬導(dǎo)體會使大氣電場畸變，這樣雷云就容易向該導(dǎo)體放電，并且能量越大的雷就越易被金屬導(dǎo)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(hù)物被雷電擊中�，F(xiàn)在認(rèn)為任何良好接地的導(dǎo)體都可能成為有效的接閃器，而與它的形狀沒有什么關(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，如果屋面有天線等通信設(shè)施可在局部加裝避雷針保護(hù)，這樣接閃器的高度不會太高，不會增大建筑的雷擊概率。避雷網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸第一類防雷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不大于5m×5m，第二類防雷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不大于10m×10m，第三類防雷標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不大于20m×20m，避雷針應(yīng)與避雷網(wǎng)可靠連接。
1.1.2引下線
引下線的作用是將接閃器接閃的雷電流安全的導(dǎo)引入地，引下線不得少于兩根，并應(yīng)沿建筑物四周對稱均勻的布置，引下線的間距不大于24米，引下線接長必須采用焊接，引下線應(yīng)與各層均壓環(huán)焊接，引下線采用10毫米的圓鋼或相同面積的扁鋼。對于框架結(jié)構(gòu)的建筑物，引下線應(yīng)利用建筑物內(nèi)的鋼筋作為防雷引下線。
采用多根引下線不但提高了防雷裝置的可靠性，更重要的是多根引下線的分流作用可大大降低每根引下線的沿線壓降，減少側(cè)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，均勻?qū)ΨQ布置可使引下線瀉流時產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場在引下線所包圍的建筑物內(nèi)相互抵消，減小雷擊感應(yīng)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(dǎo)體，接地體應(yīng)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(yīng)將多根接地體連接成地網(wǎng)，地網(wǎng)的布置應(yīng)優(yōu)先采用環(huán)型地網(wǎng)，引下線應(yīng)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(nèi)部電位的均衡。垂直接地體一般長為1.5-2.5米，埋深0.6米，地極間隔5米，水平接地體應(yīng)埋深1米，其向建筑物外引出的長度一般不大于50米�？蚣芙Y(jié)構(gòu)的建筑應(yīng)采用建筑物基礎(chǔ)鋼筋做接地體
綜合防雷方案設(shè)計
2.1前端設(shè)備的防雷
（1）前端設(shè)備有室外和室內(nèi)安裝兩種情況，安裝在室內(nèi)的設(shè)備一般不會遭受直擊雷擊，但需考慮防止雷電過電壓對設(shè)備的侵害，而室外的設(shè)備則同時需考慮防止直擊雷擊。
（2）前端設(shè)備如攝像頭應(yīng)置于接閃器（避雷針或其它接閃導(dǎo)體）有效保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)攝像機(jī)獨立架設(shè)時，避雷針最好距攝像機(jī)3－4米的距離。如有困難避雷針也可以架設(shè)在攝像機(jī)的支撐桿上，引下線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(yīng)，沿桿引上攝像機(jī)的電源線和信號線應(yīng)穿金屬管屏蔽。如不考慮直擊雷防護(hù)，此項可不予考慮。
（3）為防止雷電波沿線路侵入前端設(shè)備，應(yīng)在設(shè)備前的每條線路上加裝合適的避雷器，如電源線（220V或DC12V）、視頻線、信號線和云臺控制線。
（4）攝像機(jī)的電源一般使用AC220V或DC12V。攝像機(jī)由直流變壓器供電的，單相電源避雷器應(yīng)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(jī)端還應(yīng)串接低壓直流避雷器。
2.感應(yīng)雷擊對電子信息系統(tǒng)的破壞及其保護(hù)措施
在工作狀態(tài)下, 一般電子信息設(shè)備工作電壓只有幾伏左右。而建筑物電子信息系統(tǒng)遭受雷電的影響是多方面的, 既有直接雷擊, 又有從電源線路, 信號線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感應(yīng), 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(shè)備對雷電沖擊的脆弱性與防雷區(qū)的劃分
2.1．1 電子設(shè)備對雷電沖擊的脆弱性
從實際雷害事故的調(diào)查情況來看, 危害信息系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的主要原因是雷擊電磁效應(yīng)。當(dāng)雷擊建筑物、建筑物附近地面、交流輸電線路以及天空雷云間放電時, 所產(chǎn)生的暫態(tài)高電位和電磁脈沖能夠以傳導(dǎo)、耦合感應(yīng)和輻射等方式多種途徑侵入室內(nèi)信息系統(tǒng)。
2.1．2 防雷區(qū)的劃分
出于防雷電電磁脈沖的目的, 常將建筑物需要保護(hù)的空間劃分為不同的防雷區(qū), 具體劃分如下:
(1) L PZ0a 區(qū): 本區(qū)內(nèi)的各物體都可能受到直接雷擊或?qū)ё呷坷纂娏? 本區(qū)內(nèi)的電磁場強(qiáng)度沒有受到衰減。
(2) L PZ0b 區(qū): 本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到大于所選滾球半徑所對應(yīng)的雷電流直接雷擊, 本區(qū)內(nèi)的電磁場強(qiáng)度也沒有受到衰減。
(3) L PZ1 區(qū): 本區(qū)內(nèi)各物體不可能遭受直接雷擊, 流經(jīng)各導(dǎo)體的雷電流比L PZ0b 區(qū)更小; 本區(qū)內(nèi)的電磁場強(qiáng)度可能衰減, 這將取決于屏蔽措施。
(4) L PZn+ 1 區(qū)(n= 1, 2, 3?) 后續(xù)防雷區(qū)將一個建筑物需要保護(hù)空間劃分為不同防雷區(qū)的意義在于:
① 可以估算出各L PZ 區(qū)內(nèi)雷電電磁脈沖的強(qiáng)度, 以確認(rèn)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(jié)的位置(一般在各防雷區(qū)的交界面上) ;
③ 可以確定不同防雷區(qū)界面上選用電涌保護(hù)器的具體指標(biāo);
④ 可以選定敏感電子設(shè)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盒、法拉第籠和各種可以利用的自然屏蔽體來阻擋或衰減侵入建筑物信息系統(tǒng)中的雷電電磁脈沖能量, 保護(hù)信息系統(tǒng)中的電子設(shè)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阻擋和減小電磁能量傳輸?shù)囊环N技術(shù)。屏蔽的目的有兩個: 一是防止外來的電磁能量進(jìn)入某一區(qū)域, 避免這里的敏感電子設(shè)備受到干擾; 二是限制內(nèi)部輻射的電磁能量漏出該內(nèi)部區(qū)域, 避免電磁干擾影響周圍環(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(jié)構(gòu)中含有許多金屬構(gòu)件, 如金屬屋頂、金屬網(wǎng)格、混凝土鋼筋、金屬門窗和護(hù)欄等, 在建造建筑物是, 將這些自然金屬構(gòu)件在電氣上連接在一起, 就可以對建筑物構(gòu)成一個立體屏蔽網(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) 電源線和信號線的屏蔽。從防雷角度來看,在建筑物內(nèi)的所有低壓電源線和信號線都應(yīng)采用有金屬屏蔽層的電纜, 沒有屏蔽的導(dǎo)線應(yīng)穿過鋼管。當(dāng)采金屬絲編織層的電纜時, 要注意在布線上避免出現(xiàn)較嚴(yán)重的彎曲。當(dāng)電纜彎曲時, 靠近內(nèi)半徑一側(cè)的金屬絲覆蓋率很大, 而靠近外半徑一側(cè)的金屬絲覆蓋率則顯著減小, 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(hù)感應(yīng)過電壓而言, 要求電源線或信號線連續(xù)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接地。但是, 多點接地不利于對低頻電磁干擾的抑制。當(dāng)屏蔽層作多點接地后, 各接地點之間將出現(xiàn)有屏蔽層與地構(gòu)成的電氣回路,空間低頻電磁干擾在這些回路中感應(yīng)出低頻電流,這種低頻電流在屏蔽層中流過時所產(chǎn)生的電磁場可能會有一部分透過屏蔽層, 在電纜內(nèi)部的芯與皮回路中再次感應(yīng)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(gòu)成的電氣回路, 這就要求電纜的屏蔽層只能做單點接地。然而在采用單點接地方式后, 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(dāng)?shù)皖l電磁干擾不嚴(yán)
重時, 在需要保護(hù)的空間內(nèi), 屏蔽電纜應(yīng)至少在其兩端以及在其所穿過的防雷區(qū)界面處作接地; 當(dāng)?shù)皖l電磁干擾嚴(yán)重時, 可將屏蔽電纜穿入金屬管內(nèi)或雙層屏蔽電纜的內(nèi)屏蔽層可不接地或只做一端接地。
(3) 儀器和設(shè)備屏蔽。凡是含有對電磁脈沖干擾敏感的設(shè)備和儀器, 都應(yīng)采用連續(xù)的金屬層加以閉封起來, 進(jìn)入儀器及設(shè)備的電源線和信號線以及它們之間的傳輸線均應(yīng)采用屏蔽電纜或穿金屬管進(jìn)行屏蔽。在信號線或傳輸線電纜的兩端應(yīng)保持其屏蔽體具有良好的電氣接觸, 以便構(gòu)成一個完整的屏蔽體系。對于那些重要的儀器或設(shè)備應(yīng)放在屏蔽室里。
2.3 均壓措施
將建筑物內(nèi)不同的電纜外屏蔽層、設(shè)備外殼、金屬構(gòu)件和進(jìn)出金屬管道通過電氣搭接連接在一起,形成一個電氣的連續(xù)整體, 能夠有效地避免在不同金屬物之間出現(xiàn)過高的暫態(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(dāng)雷擊于建筑物的防雷裝置時, 防雷裝置中各部位暫態(tài)電位的升高可能會對其周圍的金屬物發(fā)生反擊, 損壞設(shè)備。將鋼筋混凝土建筑物中的鋼筋和金屬構(gòu)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(nèi)信息系統(tǒng)免受反擊的危害, 就需要對電子設(shè)備及其所聯(lián)系的電源線和信號線采取均壓措施, 即將設(shè)備外殼和線路外屏蔽層與建筑物中接地金屬構(gòu)件進(jìn)行電氣連接, 實現(xiàn)電位均衡。經(jīng)過電位均衡之后, 就可以有效地限制設(shè)備與構(gòu)件和設(shè)備與設(shè)備之間的暫態(tài)電位差, 從而避免發(fā)生反擊。進(jìn)出建筑物的電源線和信號線等, 也需要加以暫態(tài)電位均衡。在未發(fā)生雷擊時, 這些線路中的帶電導(dǎo)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, 否則將會造成短路, 妨礙它們的正常運(yùn)行。為此, 可在各線路中的帶電導(dǎo)體上采用避雷器或電涌保護(hù)器以及保護(hù)間隙來與建筑物的防雷接地裝置進(jìn)行電氣連接, 實施暫態(tài)均壓。在發(fā)生雷擊時, 帶電導(dǎo)體與其他部分之間將出現(xiàn)高的暫態(tài)電位差, 使得與這些導(dǎo)體相連接的保護(hù)器件動作限壓, 呈現(xiàn)出接近于短路的電氣連接, 于是就實現(xiàn)了暫態(tài)電位均衡。而雷擊結(jié)束后, 線路恢復(fù)正常運(yùn)行,由于帶電導(dǎo)體的工作電壓相對很低, 不足以使保護(hù)器件動作, 則保護(hù)器呈現(xiàn)開路狀態(tài), 不會影響帶電導(dǎo)體的正常工作。
2.3．2 等電位聯(lián)結(jié)
均壓措施是通過等電位聯(lián)結(jié)來實現(xiàn)的。通常, 所有進(jìn)入建筑物的外來金屬管道、電源線和信號線等在穿過各防雷區(qū)時, 均應(yīng)在各區(qū)的交界處做等電位聯(lián)結(jié), 以預(yù)防雷電感應(yīng)侵入波沿這些途徑進(jìn)入信息系統(tǒng)。電源線和信號線從某一處進(jìn)入被保護(hù)空間L PZ1 區(qū), 它們首先在設(shè)于L PZ0a 區(qū)或L PZ0b 區(qū)與L PZ1 區(qū)界面處的等電位聯(lián)結(jié)帶上做等電位聯(lián)結(jié)。當(dāng)外來的金屬管道和電源線與信號線從不同地點進(jìn)入建筑物時, 宜設(shè)若干條聯(lián)結(jié)帶, 以供各管道和線路進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)。等電位聯(lián)結(jié)帶宜就近連到環(huán)形接地體、內(nèi)部環(huán)形條體或此類的鋼筋上。
2.4 箝位保護(hù)
實際調(diào)查結(jié)果表明, 雷電侵入波主要是從電源線和信號線等途徑侵襲到信息系統(tǒng)中去的, 所以必須在這些線路上采取箝位保護(hù)措施。
2.4．1 電源保護(hù)
將電源保護(hù)器安裝在電子設(shè)備的電源線側(cè), 對沿線路來的雷電暫態(tài)過電壓進(jìn)行抑制, 這就構(gòu)成了電源保護(hù)的基本模型。從電路結(jié)構(gòu)上看, 電源保護(hù)器可以分為單級和多級結(jié)構(gòu)。單級保護(hù)器一般是一個保護(hù)元件或是與其他元件的組合。在單級保護(hù)支路中串入熔斷器是起到電流保護(hù)作用, 用于防止保護(hù)元件在抑制異常嚴(yán)重過電壓時被過流燒毀。將壓敏電阻與保護(hù)間隙串聯(lián)的目的是為了有效地切斷工頻續(xù)流和抑制正常時的泄漏電流, 此外的保護(hù)間隙也可以換成放電管。單級保護(hù)只能對雷電暫態(tài)過電壓進(jìn)行一次性抑制, 在一些保護(hù)要求較高的場合, 就需要采用多級保護(hù)。最簡單的多級保護(hù)器只包含兩級, 即兩級保護(hù)器。
2.4．2 信號保護(hù)
與電源保護(hù)模式相仿, 信號保護(hù)就是在電子設(shè)備的信號線上設(shè)置信號保護(hù)器, 以抑制沿信號線侵入的雷電暫態(tài)過電壓。信號保護(hù)器的結(jié)構(gòu)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(hù)頻率不太高的信號線路, 而放電管則適合于保護(hù)高頻信號線路。
3.雷電過電流入侵方式
由感應(yīng)雷產(chǎn)生的雷電過電壓過電流主要有以下三個途徑：
（1）由供電電源線路入侵；高壓電力線路遭直擊雷襲擊后，經(jīng)過變壓器耦合到各低壓0.38kv/0.22kv線路傳送到建筑物內(nèi)各低壓電氣設(shè)備；另外低壓線路也可能被直擊雷擊中或感應(yīng)雷過電壓。據(jù)測，低壓線路上感應(yīng)的雷電過電壓平均可達(dá)10kv，完全可以擊壞各種電氣設(shè)備，尤其是電子信息設(shè)備。
（2）由建筑物內(nèi)計算機(jī)通信等信息線路入侵；可分為三種情況：
1、當(dāng)?shù)孛嫱怀鑫镌庵睋衾状驌魰r，強(qiáng)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，使高壓入侵線路。
2、雷云對地面放電時，遭線路上感應(yīng)出上千伏的過電壓，擊壞與線路相連的電器設(shè)備，通過設(shè)備連接侵入通信線路。這種入侵沿通信線路傳播，涉及面廣，危害范圍大。
3、若通過一條多芯電纜連接不同來源的導(dǎo)線或者多條電纜平行鋪設(shè)時，當(dāng)某一導(dǎo)線被雷電擊中時，會在相鄰的導(dǎo)線感應(yīng)出過電壓，擊壞低壓電子設(shè)備。
�。�3）地電位反擊電壓通過接地體入侵；雷擊時強(qiáng)大的雷電流經(jīng)過引下線和接地體泄入大地，在接地體附近放射型的電位分布，若有連接電子設(shè)備的其他接地體靠近時，即產(chǎn)生高壓地電位反擊，入侵電壓可高達(dá)數(shù)萬伏。建筑物防直擊雷的避雷引入了強(qiáng)大的雷電流通過引下線入地，在附近空間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場變化，會在相鄰的導(dǎo)線（包括電源線和信號線）上感應(yīng)出雷電過電壓，因此建筑物避雷系統(tǒng)不但不能保護(hù)計算機(jī)反而可能引入了雷電。
4.觀測場內(nèi)設(shè)備的雷害形式
觀測場內(nèi)設(shè)備主要了雷害形式有直擊雷對電子信息設(shè)備的破壞以及過電壓。
在保護(hù)重要的電子信息設(shè)備時, 多數(shù)采用多級浪涌保護(hù)器防護(hù), 以達(dá)到分級泄流, 避免單級保護(hù)因過大的雷擊電流而出現(xiàn)損壞概率高和產(chǎn)生高殘壓。通過合理的多級泄流能量配合, 保證浪涌保護(hù)器有較長的使用壽命和設(shè)備電源端口的殘壓低于設(shè)備端口耐雷電沖擊電壓, 確保設(shè)備安全。為了保證雷電高電壓脈沖沿電源線路侵入時, 各級涌保浪護(hù)器都能分級啟動泄流, 避免多級涌保浪護(hù)器出現(xiàn)盲點, 根據(jù)ITU , K 20,IEC61312-3 的規(guī)定, 兩級浪涌保護(hù)器間必須有一定的線距長度( 即一定的感抗或加裝退藕元件) 來滿足避免盲點的要求。同時規(guī)定, 末級電源線路浪涌保護(hù)器的保護(hù)水平必須低于被保護(hù)設(shè)備對浪涌電壓的耐受能力。各級電源線路涌保浪護(hù)器能量配合最終目的是將總的威脅設(shè)備安全的電壓電流浪涌值減低到被保護(hù)設(shè)備能耐受的安全范圍內(nèi), 而各級電源線路涌保浪護(hù)器泄放的浪涌電流不超過自身的標(biāo)稱放電電流。雖然雷電感應(yīng)電壓經(jīng)電源線路浪涌保護(hù)器法短路泄流,但是在電子信息設(shè)備電源端口仍然會有殘壓, 即使是經(jīng)多級避雷器分級泄流, 在電子信息設(shè)備電源端口仍然會有一定的殘壓。在日本的一些關(guān)于電子信息系統(tǒng)防感應(yīng)雷雷害的文章中還提到了一種隔離法, 就是在被保護(hù)設(shè)備電源端口加設(shè)隔離變壓器, 用這個隔離變壓器隔離掉沿線路入侵的威脅設(shè)備安全的電壓電流浪涌。因為《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》中并未提到這種方法, 所以在實際設(shè)計中我們還是采用等電位連接, 共用接地系統(tǒng), 浪涌保護(hù)器和屏蔽及適當(dāng)?shù)牟季�措施等做為主要的防雷措施。