关键词 智能建筑 接地 屏蔽 等电位连接
1 概述
随着信息技术的迅速发展，智能建筑物向自动化、信息化和节能化方向发展，微电子应用技术为代表的新技术已渗透到智能建筑的各个应用领域，并且不断增大。建筑物内微电子设备繁多而且复杂，这些微电子设备通常属于耐过电压等级低，防干扰要求高的弱电设备，最怕受到雷击。遭受雷击时，一部分能量（约 50%）通过建筑物外部防雷装置泄入大地，另一部分能量则通过雷电流感应或耦合在金属管线上进入建筑物内破坏设备，因此，智能建筑的防雷保护成为一个越来越重要的课题摆在我们面前。
2 传统防雷系统存在的缺陷
2.1 传统避雷针
避雷针原理是雷云放电接近地面时,使地面电场发生畸变,在避雷针的顶端,形成局部电场强度集中的空间,影响雷电先导放电的方向,引导雷电向针放电,再通过引下线,接地装置将雷电流引入大地,从而保护物体。从原理上来说,避雷针实际上是引雷针,增加某区域雷击概率,起到引火烧身的作用。
2.2 保护范围
世界各国对避雷针保护范围的计算各有不同,有折线法、曲线法、改进折线法等计算方法。以上计算方法有一个共同点,就是针越多,保护范围越宽。
BG50057 - 94 国标采纳IEC推荐的“滚球法”:是指以一定半径的球体在装有接闪器的建筑物上滚过,滚球被建筑物上所装的接闪器撑起,这时球体的弧与建筑物之间的范围。长期实践证明这一理论与实际不完全符合，如高层建筑物,即使顶层装上避雷针,但顶层以下的楼层也会遇到侧击雷的袭击。
2.3 雷击避雷针时的二次效应
雷电袭击建筑物避雷针，由引下线将雷电流引入大地，由于大地电阻的存在，雷电电荷不能快速全部的与大地负电荷中和，必然引起局部地电位升高，造成很高的感应过电压、接触电压、跨步电压及反击等一系列二次效应。交流配电地和直流逻辑地将这种高电位引入机房，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。这种反击电压少则数千伏，多则数万伏，直接烧坏用电器的绝缘部分，对人身及微电子设备造成很大威胁。
由此可知,传统防雷的缺陷,已不能满足智能建筑及其微电子设备的防雷要求,有必要采用更为先进的防雷设备并从建筑物整体防雷的角度来提供更有效的防雷保护。
3 智能建筑遭受雷电的途径
智能建筑遭受雷电电击的途径主要有三种：
(1)直击雷：雷电直接击中智能建筑的露天设备造成设备损坏，或雷电直接击中架空线缆，造成线缆熔断等设备损坏的现象，称为直击雷。
(2)雷电感应：电磁感应和静电感应称为感应雷，又叫做二次雷。它对设备的损害没有直击雷来得猛烈，但它发生的机率要比直击雷大得多。
(3)雷电波侵入：智能控制系统的电源线、信号传输线或进入控制室的金属管线遇到雷击或被雷电感应时，雷电波沿着这些金属导线侵入到设备内，造成电位差使设备损坏的现象，称为雷电波侵入。
雷电波侵入将通过线缆间接传输给智能建筑的系统及设备，间接造成设备损坏。
因此,应根据雷电的不同作用方式整体考虑智能建筑的防雷系统。
4 智能建筑的整体防雷系统
4.1 智能建筑防雷必要性
传统的防雷系统利用避雷针、屋顶接闪器、法拉弟笼及基础内接地网进行防雷接地, 虽然能对智能建筑及其中的人员起到保护，但对由于雷电感应、电磁脉冲、电路浪涌等引起的电子干扰,传统的防雷系统存在以下几个方面的缺陷：
(1) 雷电直接击中延伸在智能建筑外的供电及通信数据线, 雷电感应电流可迅速侵入至建筑物内部。
(2) 城市大型电力电网的切换及大型电力用户的启停而产生的浪涌。
(3) 智能建筑内部电气设备(如空调主机、电梯、大功率水泵等) 的频繁启停而产生的浪涌。
(4) 供电、通信及数据线路与其连接的其他建筑物或地面被雷击中而传输或感应的电磁脉冲和浪涌电流。
(5) 静电通过数据线路对设备电流表元件直接的损害。
通过以上分析可知智能建筑中的防雷技术显得愈加重要，而且要求更加全面的防雷技术。由于智能建筑中线缆密布、设备繁多，微电子系统复杂，且防护能力单薄，为保证系统、设备安全、正常地运行，必须采取专门的措施加以保护，所以智能建筑的防雷保护是一个严密的系统工程。因此智能建筑防雷除了考虑建筑本身的直击雷防护措施外,还必须高度重视雷电电磁兼容性,加强和完善建筑物内电子设备的雷电防护措施。IEC 有关技术文件将两者分别定义为“外部防雷系统”和“内部防雷系统”,在它们的界面则采取共用接地体、屏蔽、均压、等电位连接等技术处理方法,使两者有效结合起来,形成一个相对独立而又统一的整体防雷体系。
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4.2 外部防雷系统
智能建筑的外部防雷主要是指防直击雷和防侧击雷,其作用是保护建筑物本身不遭受雷击。所以必须有良好的共用接地系统和泄流通路。
4.2.1 共用基础接地体
智能建筑应建立综合的共用接地系统。因为智能建筑内各种交流、直流设备众多,线路纵横交错,应将建筑物内的交流工作地、安全保护地、直流工作地与建筑物用作防雷接地的钢筋良好连接,形成一个完整的共用接地体。避免接地线之间存在电位差,以消除感应过电位的反击现象,保证电子设备正常运行。
4.2.2足够的泄流通路和均压措施
利用建筑物钢筋混凝土中的钢筋作防雷引下线,从屋顶就增多其分流支路,减小各导体上雷电流数量,并且建筑外廓各个角上的柱筋应被利用。由于智能建筑大多为高层建筑,还应采取防侧击雷措施,在30 m 以上应将建筑的外圈梁钢筋焊接连通形成均压环,并与防雷引下线相连。充分利用建筑物的桩基钢筋、柱钢筋、各圈梁钢筋、屋顶楼面钢筋,使它们可靠焊接,形成良好的雷电流泄流通路。
4.3 内部防雷系统
内部防雷包括防雷电感应,防反击以及防雷电波侵入。良好的内部防雷能减少建筑物内的雷电流和所产生的电磁效应,并能防止反击、接触电压、跨步电压等二次雷害和雷电磁脉冲所造成的危害。内部防雷主要采取屏蔽、等电位连接等措施。
4.3.1 合理的屏蔽
在智能建筑内,电磁兼容措施是非常重要的,为了避免所用设备的功能障碍,避免甚至会出现的设备损坏,构成布线系统的设备应当能够防止内部自身传导干扰和外来干扰。这些干扰的产生有的是因为导线之间的耦合现象,有的是因为电容效应或电感效应。
其主要来源是超高电压,大功率辐射电磁场,自然雷击放电。这些现象会对用来发送或接收很高传输效率的设备产生很大的干扰。因此对这些设备及其布线必须采取保护措施,免受来自各种方面的干扰。屏蔽及其正确接地是防止电磁干扰的最佳保护方法。
对于智能建筑,屏蔽的效果取决于初级屏蔽网的衰减程度、屏蔽层的厚度(接近电磁波的波长) 、网孔密度(密度大) 、屏蔽材料(低频时用高导磁材料,高频时用 Cu、Pb 为主的导磁材料) 。为保证电子电路在雷击电流等强感应情况下的正常运行,建议采用双层屏蔽的方法来完成数字信息安全传输,将外屏蔽层两端接地,内屏蔽层单端接地或通过压敏电阻接地。
4.3.2 等电位连接
为保证智能建筑内部不产生反击和危险的接触电压、跨步电压,应当使建筑物地面、墙板和金属管、线路等都处于同一电位,为此钢筋混凝土建筑物应在各层的适当位置预埋与房屋结构内防雷导体相连的等电位连接板,以便与接地主干线相连。智能建筑中的等电位连接包括总等位连结和局部等电位连结。
5 智能建筑防雷新技术
5.1 新一代避雷针技术
随着建筑物智能程度的提升，防雷技术也日益受到重视，一种提前放电避雷针渐成避雷针的主流。
它解决了传统避雷针被动接闪、二次雷击效应严重的局限，在我国获得了越来越广泛的应用。
新一代的避雷针无源、无辐射，其能量来自闪电发生前地面和云层之间的电势差。它在雷击发生临界点提前产生一个向上先导，形成雷电优先通路，克服了传统避雷针被动接闪的不足，大幅提高了防雷保护范围。
新一代避雷针的主要特点：(1)精确的提前放电，完全主动式引雷。(2)同等条件下，比普通避雷针保护范围大。避雷针提前产生向上先导，相当于将避雷针增长了数 10m，因而增大了保护范围。(3)减小了二次雷击效应影响。由于在远离建筑物的高空处接闪，地面场强大幅度降低。(4)安全可靠，免维护。新一代避雷针无放射元素，耐腐蚀，抗风能力强。无源、无耗能元件，本身不会受浪涌冲击影响，寿命长。
5.2 新型网络防雷器
智能建筑中的网络电子设备多采用了超大规模集成电路，其本身很容易在高电压、高电流情况下烧毁。因此早期的避雷针防雷、电源防雷等已经不能适应需求。在雷击发生时会产生很强的电场，导致这个区域内的电位大大高于其它区域，而作为电的良导体－双绞线很容易在电位不相等时对雷电形成感应，从而遭遇雷害。
网络防雷器是安装在需要保护设备的前端，使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体，将可能进入的雷电流阻拦在外，将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地，与避雷针、电源防雷器两者共同形成一个全方位的防雷整体，确保后接设备的安全。网络防雷器与其它防雷器相比具备电容小、残压低、通流大、响应快的特点。
6 结语
智能建筑的雷害是多方面的,而且破坏性巨大。
采取泄流、均压、接地、屏蔽、等电位联接等系统的综合整体防护措施,可大大减少雷击时对智能建筑及内部信息系统的危害。随着智能化技术的逐渐发展及智能建筑在我国的不断普及,智能建筑的防雷技术也将不断得到完善。
参考文献
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[4] 谢文龙, 陈曦, 刘作军.基于电磁兼容的智能建筑防雷设计[J].天津理工学院学报, 2002(4).
论文作者:房勇
论文发表刊物:《科技中国》2018年6期
论文发表时间:2018/8/10
标签：防雷论文; 雷电论文; 智能建筑论文; 避雷针论文; 建筑物论文; 设备论文; 电位论文; 《科技中国》2018年6期论文;