（山东省雷电防护技术中心 山东 济南 250031）
【摘 要】火灾自动报警及消防联动系统作为现代化楼宇的自动化重要组成部分之一，对雷击电磁脉冲非常敏感，近年来因雷击造成的系统损坏案例日益增多。本文对火灾自动报警及消防联动系统的雷灾原因进行了重点分析，从系统的电气和电子线路防护、屏蔽、等电位及接地措施等方面出发，提出了有效的防护措施。
【关键词】火灾自动报警；消防联动控制系统；雷击电磁脉冲
Research on Lightning Protection Technology of Automatic Fire Alarm and
Fire Control Linkage System
Sun Jing-cha Tang Qiao-ling
【Abstract】As one of the modern building is an important part of the automation of automatic fire alarm and fire linkage system, is very sensitive to the lightning electromagnetic pulse system in recent years caused by the lightning damage cases are increasing. In this paper, the cause of lightning disasters have automatic fire alarm and fire linkage system were analyzed from the perspective of system of electrical and electronic circuit protection, shielding, equipotential and grounding measures, put forward effective protective measures.
【Keywords】Automatic fire alarm; Fire linkage control system; Lightning electromagnetic pulse
【中图分类号】TU252 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）06-0252-02
随着计算机技术的飞速发展，越来越多的大规模集成电路作为核心部件应用于火灾自动报警及消防联动控制系统，对电磁干扰敏感、绝缘强度低和过电压、电流耐受能力差是这些设备的显著弱点，一旦附近发生雷击，雷击电磁脉冲将沿各种线路或空间辐射等方式侵入，造成系统故障[1]。通过对火灾自动报警及消防联动系统的雷电灾害事故调查发现，显示屏、报警控制板、通信设施及电源系统均因遭受雷击而不同程度损坏，如果适逢火灾发生，则后果不堪设想。本文分析了雷电入侵途径，结合主要危害来源雷击电磁脉冲的特点，提出了针对性的防护措施。
1.火灾自动报警及消防联动系统简介
火灾自动报警系统包含火灾探测器、区域报警器和集中报警器；根据不同工程的要求与各种灭火设施和通讯装置联动，形成消防联动系统。即由自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统[2]。
火灾探测器探测到火灾发生阶段产生的烟雾、高温和光后，将探测信号传输至火灾报警控制器，然后控制器将其转换为声、光报警信号并显示其着火部位或报警区域，以提醒人们尽早采取灭火措施。目前广泛使用总线制火灾报警控制器，其采用了计算机技术、传输数字技术和编码技术，大大提高了系统报警的可靠性，同时也减少了系统布线数量，有二总线制、三总线制和四总线制之分，一般的火灾自动报警及消防联动系统如图1所示（图略）。
2.雷电入侵途径
通过对济南市某检验中心火灾自动报警及消防联动控制系统雷击事故的调查发现，系统电源、报警系统控制板、通信设备和显示屏均有遭雷击损坏的现象。
雷电入侵建筑物的途径一般包含以下几种：（1）直击雷。雷电直接击中建筑物或其直击雷防护装置后，部分雷电流将沿电源和信号线路直接入侵系统。（2）闪电感应。雷电通过静电感应和电磁感应，在线路上感应出高电压入侵系统。（3）雷击电磁脉冲。通过传导耦合和辐射耦合的方式，沿各种线路或通过电磁场侵入系统。（4）反击。由于雷电流在泄放过程中会在其通道上形成高电压，当等电位措施不当或安全距离不够时，会发生反击。（5）操作过电压。大负载的设备突然投入和切除，暂态过电压将沿线路侵入系统。
鉴于现代化楼宇的直击雷防护措施、等电位连接和接地措施均较为完善，因直击雷、闪电感应、反击和操作过电压造成的损坏概率较低，结合火灾自动报警及消防联动控制系统的控制回路较多的特点，雷击电磁脉冲是造成系统损坏的主要原因。而雷击电磁脉冲入侵的途径有两种：一种是传导耦合，另一种是辐射耦合。
2.1 传导耦合方式
传导耦合是雷电流与电子设备之间的主要耦合途径，传导耦合必须在雷电流与电子设备之间存在完整的电路连接，雷电流沿着这一连接电路入侵到电子设备。传导耦合的连接线路包括互连导线、电源线、信号线等，传导耦合按其耦合方式可以分为阻抗性耦合、电容性耦合和电感性耦合[3]。
2.1.1 共阻抗耦合
当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路的电流在该公共阻抗形成的电压就会影响到另一个电路，这就是共阻抗耦合。
（1）雷电流通过接地电阻耦合。
图2（图略）中避雷器接地电阻Re上的电压可达到上百千伏，其中的一部分电压会作用到探测器及周围的物体上，这时往往会产生火花放电。此时，即使信号线没有遭到雷击，设备的信号输入端也会遭到过电压。这也说明，对于消防系统的远程设备如探测器、联动控制模块应予以保护，此外应将地线尽量缩短并加粗，以降低公共地线阻抗。
（2）雷电流通过公共电源耦合。
雷电流可以通过系统的公共直流电源输出阻抗(包括电源内阻、电源与电路间连接的公共导线阻抗)从一个控制回路耦合到另一个控制回路。如图3（图略）中电路2的电流的任何变化都会影响到电路1的电源电压。因此应尽量降低电源内阻及线路阻抗，如果仍然不能满足要求，则应当在每一个控制回路中加装电涌保护器。
2.1.2 电容性耦合
火灾自动报警及消防联动控制系统有公共电源线、消防控制线、通讯线等，如果电源总线遭到雷击，过电压可通过电容性耦合从一个电路耦合到另一个电路，图4（图略）为一对平行导线所构成的两路间的电容性耦合模型及其等效电路。
根据等效电路，可以计算出雷击电路在电路2上耦合的电压为：
（1）
当耦合电容较小时，即ωCR2＜＜1时，U2=jωCR2U1。
由此可见，电容性耦合引起的感应过电压正比于雷电流的工作频率、耦合电容、雷电过电压和接地电阻，抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容C，主要采取屏蔽和隔离的措施。
2.1.3 电感性耦合
除了电容性耦合方式外，雷电电磁场还将通过电感性耦合侵入电子设备，图5（图略）为两导线构成的两电路间的电感性耦合模型及其等效电路。电路1中的干扰电流I1在电路2的负载电阻R和R2上产生的骚扰电压Un1和Un2为：
（2）
电感性耦合引起的感应过电压正比于雷电流的工作频率、互感、雷电过电流和接地电阻，因此抑制电感性耦合的主要方法是减小互感，合理布线和良好的屏蔽措施能有效降低互感。
2.2 辐射耦合方式
辐射耦合是雷电电磁脉冲通过其周围的媒介以电磁波的形式向外传播，雷电电磁波能量按电磁场的规律向周围空间发射，当屏蔽措施不完善时可直接作用于线路板，造成系统故障，辐射耦合的途径主要有天线、电缆、机壳等。
鉴于上面所述，可以针对雷电波入侵的路径进行系统的防护。对那些有源线路加装电涌保护器（SPD）使之瞬态实现均压等电位，防止过电压的出现，保证设备的安全。
3.雷电防护措施
火灾自动报警及消防联动控制系统属于一项系统工程，结合雷电的主要入侵途径，应当从电源和信号线路、屏蔽、等电位连接和共用接地几个方面出发，按照“预防为主、安全第一”的原则设置雷电防护措施。
3.1 电源系统的防雷措施
电源系统的雷电防护措施主要是加装适配的电涌保护器，采取分级防护的办法。随着防雷技术的不断发展，火灾自动报警及消防联动控制系统的电源防护在设计阶段已经较为完善，与系统所在的建筑物电气系统进行统筹考虑，一般分三级或四级进行防护，达到多级分流，逐级降压的目的。
各级SPD的参数选择应当按照《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）中的相关要求计算后确定。为了便于监测各SPD的运行状态，可以选用智能型SPD，这样从控制室能做到全面监测，确保其发生故障后能及时更换，实时处于良好的工作状态。
3.2 信号系统的防雷措施
火灾自动报警及消防联动控制系统的信号线路较多，包含通讯线、广播总线、报警线、电话总线、及联动控制线等，应当综合考虑信号SPD的安装、屏蔽及综合布线措施。
3.2.1 信号SPD的设置
鉴于通讯线、广播总线、报警线、电话总线、及联动控制线等线缆的特性各不相同，例如报警线路、联动控制线和电话总线的工作电压都是24V，而广播音箱的输入信号为120V定压输入，不同线路的工作电流也存在区别，因此应当根据线路的工作频率、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式和特性阻抗等参数来选择适配的信号电涌保护器，所选用的SPD的最大持续工作电压Uc应大于线路上的最大工作电压1.2倍，Up应低于被保护设备的耐冲击电压额定值Uw[4]。
鉴于目前市场上针对不同信号线路的信号电涌保护器产品已经非常成熟，可以直接按照各线路的系统参数等选择适配的产品。需要注意的是，由于信号电涌保护器是串联接入系统，如果所有模块均进行防护，则加装的信号SPD数量就多，必然会导致系统的灵敏性下降甚至是远程控制失效，因此应当对一些易受雷击的设备或核心设备进行防护。
3.2.2 屏蔽及合理布线
雷击电磁脉冲会在各线缆上感应出暂态过电压波，也可以直接辐射到这些元器件上，使电子设备工作失灵或损坏。为了降低或防止雷击电磁脉冲的危害，屏蔽和综合布线是有效的阻挡或衰减电磁脉冲能量传播的手段。屏蔽措施包含外部屏蔽、设备屏蔽和线路屏蔽。
外部屏蔽主要是利用建筑物自身钢筋实现。现代化楼宇的钢筋自身就组成了一个法拉第笼，具有一定的屏蔽效果，并且楼层越低的位置屏蔽效果越好，因此首先应当将火灾自动报警及消防联动控制系统的心脏—消防控制室设置在高层建筑物的低层中心部位。
设备屏蔽是利用设备自身金属外壳实现。控制室内所有对电磁脉冲敏感的设备均应当利用自身已接地的金属外壳组成的密闭金属盒加以屏蔽，各个电子仪器之间的信号线缆要采用屏蔽电缆,或穿金属管屏蔽敷设，信号电缆的屏蔽层与设备的屏蔽体应具有良好的电气连接，使其构成一个完整的屏蔽体系。
线路屏蔽是要求火灾自动报警及消防联动控制系统的所有线缆均应当采用屏蔽电缆或穿金属管、金属线槽敷设并做好接地。由于金属屏蔽层降低或衰减电磁脉冲的性能与屏蔽层的材料、屏蔽层网眼尺寸及屏蔽层的接地方式有关，因此在实际运行时，可采用屏蔽线缆穿金属管敷设的双层屏蔽措施，将外层屏蔽层与两端的电子设备外壳可靠连接并接地，内层屏蔽采用一端接地，这样不仅可以降低雷击电磁脉冲干扰，还有利于抑制低频干扰[5]。
合理布线可以最大程度减小感应回路的面积，从而减小信号或电源系统线路上感应的浪涌幅值。将线缆布设于靠近建筑物自然接地体部位的位置或者将信号线缆与电源线缆靠近布设，可以将感应回路的面积减到最小。
3.3 等电位连接及共用接地
火灾自动报警及消防联动控制系统的核心部位消防控制室多为兆赫兹级的数字线路，应当采用M型等电位连接。可以在防静电地板下利用厚度0.3mm的铜箔组成1m×1m的网格，并通过多点接入建筑物的等电位连接网络中。机房内的设备均应就近与等电位连接导体可靠连接，每台设备的等电位连接线的长度不宜大于0.5m，并宜在对角位置设置两根长度相差20%的连接线[6]。
按照《火灾自动报警系统设计规范》（GB50116-2013）的要求，共用地网阻值不大于1Ω，专用接地阻值不大于4Ω[6]。为了避免共用地网时，雷击暂态过电压可以通过耦合对电子设备形成干扰或产生过电压，部分厂商要求设置专用地网，采用隔离和绝缘措施将电子设备的接地连线引至20m以外的地方单独接地。在实际操作过程中，由于各种线缆、金属管道和结构钢筋等金属部件纵横交错，很难实现单独接地。因此火灾自动报警及消防联动控制系统的直流工作地、交流工作地、屏蔽地、安全保护地和防雷接地等宜与建筑物基础地网共用，接地阻值不大于1Ω。
4.结语
每一项火灾自动报警及消防联动控制系统均有其自身特点，应当结合每个项目的自身特点，从接闪、分流、等电位连接、屏蔽、安装SPD和接地等方面出发，做好雷电防护措施，防止或减少雷击造成的损坏。
参考文献
[1]张小青.建筑物内电子设备的防雷保护[M].北京：电子工业出版社，2002：42.
[2]周敏莉，李顺康.火灾自动报警系统规范应用探析[J].消防科学与技术,2014,33（11）：1316-1320.
[3]杨庆鸿.浅析火灾自动报警系统的防雷设计[J].中国科技信息，2012,12（101）：153.
[4]刘晓东.火灾自动报警系统的雷电防护探讨[J].电气应用，2006,5（01）：34-37
[5]中华人民共和国住房与城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.（GB50057-2010）建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社,2010：45-46.
[6]中华人民共和国住房与城乡建设部.（GB50116-2013）火灾自动报警系统设计规范[S].北京：中国计划出版社,2014：41，55.
作者简介：孙荆茶（1983-）男，汉族，湖北荆门人，本科，工程师，主要从事雷电防护工作。
论文作者:孙荆茶,唐巧玲
论文发表刊物:《建筑知识》2017年6期
论文发表时间:2017/6/19
标签：屏蔽论文; 火灾论文; 过电压论文; 雷电论文; 系统论文; 脉冲论文; 措施论文; 《建筑知识》2017年6期论文;