弱电系统防雷分析与设计

程敏

（湖北省蕲春县气象局 湖北黄冈 435300）

1 前言

雷电发生在因强对流而形成的雷雨云中，是一种云地之间强烈瞬间放电现象。目前我国雷电发生的频率特征是：陆地多于海洋，夏季多于春秋季。雷电产生的电压可高达数百万伏，瞬间电流可高达数十万安培[1～2]。因此，一次雷电发生的时间虽然非常短，但其却能释放出威力巨大的能量。雷击分为直接雷击和感应雷击两类。直接雷击声光并发，电闪雷鸣，它是直接击在大地、建筑物、防雷装置或其它物体上，产生显著的电效应、热效应和机械力，造成被击中物体的破坏和伤亡，尤其对建筑物、输电线、人、畜等影响巨大。而感应雷击则不能被人直观察觉，但后果严重，它是由于雷雨云放电时的电磁感应作用或静电感应，使建筑物上的金属物件，如管道、钢筋、电线等感应出与雷雨云电荷相反的电荷，造成金属部件间的放电现象，其主要通过电源线、信号线、天馈线或地电位反击等方式进入室内造成用电设备的损坏或工作人员的伤亡[3]。本文对雷电产生破坏的原理和造成危害的主要途径进行了分析。结合当地气候、地形、环境和弱电系统防雷现状等多种因素对蕲春县水利大楼做了一个完整的防雷设计，给出了最佳的设计方案。

2 弱电系统防雷设计现状

2.1 弱电系统防雷设计的重要意义

随着城市化的发展，高层建筑和电器设备的增多，弱电系统往往受到能量巨大的雷电侵袭时损失巨大，所以弱电系统防雷受到越来越多的关注[4]。特别是蕲春地区雷雨频繁，且蕲春县水利大楼四周空旷，地势相对较高，进户电源、信号线路未做任何屏蔽、接地措施，所以很容易造成网络系统、消防系统、监控系统等遭受雷击损坏，蕲春县水利大楼每年都会因为雷击事故造成一些损失，所以对弱电系统做好防雷设计有非常重要的意义。

2.2 弱电系统的设计要点

2.2.1 直击雷的防护

直击雷的防护是保护建筑物或者其他物体本身不受到雷电的损害，将强大的雷电流沿着防雷设备或者建筑物框架泄入大地。防直击雷主要采用避雷针、避雷带、避雷网、避雷线等传统避雷装置，只要按照规范要求设计施工，就能对直击雷进行有效的防御。

2.2.2 感应雷防护

据统计，仪器设备遭受雷击伤害的60～80%是由雷电波侵入电源线窜入设备而引起的，因此，对电子仪器设备的供电系统进行防雷保护显得十分重要。国标GB50057-94（2000年版）规定，当电源采用TN系统时，从建筑物内总配电盘（箱）开始引出的配电线路和分支线必须采用TN-S系统[5]。行业标准中也规定当供电为TN-C系统时，应将TN-C系统改造为TN-C-S系统，低压供电系统入户后，N线和PE线必须分开。

在供电系统变压器的低压电进入分配电柜前端以及重要设备前端安装相应的浪涌保护器，能有效预防雷电波从电源系统侵入，从而保护供电、用电设备。第2、3…N级同时还能有效的抑制感性负载的操作过电压，起到一定的电源净化作用，这对于设备的安全运行和延缓设备老化有着积极的意义。

3 现场勘察及雷击环境分析

历史气象资料统计表明：蕲春县属于湿度较大地区，年雷暴日为47天，属于雷电多发地带，为多雷区（GB50343-2004定义）。

蕲春县水利大楼位于蕲春县漕河镇，最高八层。现从蕲春县水利大楼地理位置、供电系统、直击雷保护环境来分析：①建筑物四周空旷，相对较高，且建筑物设避雷带进行直击雷防护，进户电源、信号线路未做任何屏蔽、接地措施，所以总进线控制柜遭受多次雷击是必然的；②没有在供电线路总线使用电涌保护器进行防护；③办公用局域网的服务器、网络交换机、集线器等没有电涌保护措施和等电位连接措施；④监控系统未做接地措施，未安装电涌保护器，且曾受过雷击损坏。

4 防雷的保护措施

根据蕲春县水利大楼所处的气候、地形、周围环境以及地质结构等因素进行综合分析，办公楼位于城市主干道地段，建造在多雷地区（年雷暴日≥40d/a）。应在其屋顶女儿墙上安装避雷带进行接闪。利用截面积为80mm2扁钢作引下线，尽可能多的布置引下线（平均间距不大于25m），均匀布置在办公楼四周，使雷电流分多路引导泄入大地，降低雷电在附近导体或电线、电缆上的感应电势或电流，同时与接地网进行良好的焊接。整栋楼的接地，包括避雷带接地、浪涌保护器、防静电接地等宜共用接地网，其接地电阻值不大于4Ω。接地网应在大楼四周作环形闭合接地处理，在每根引下线处，布置2～3根垂直接地极，垂直接地极长2.5m，埋深0.5m以下，作用是降低冲击接地电阻及固定环形闭合装置[6]。

根据现场勘测情况，遵循防雷设计的规范、标准，结合防雷工程经验，若要切实有效地实现水利大楼的防雷保护，减少雷击灾害的损失，以下几点是尤其应该予以重视的：在水利大楼低压总配电箱出线端安装第一级电源避雷器，用于整个水利大楼所有用电设备的第一级电源防护。在办公机房电源配电箱内或办公机房电源配电箱外的附加配电箱内安装第二级电源避雷器，用于办公机房内所有用电设备的第二级电源防护。在精密设备的电源插座处使用插座式电源避雷器。对监控系统安装相对应的电源、信号避雷器。

5 计算机中心机房等电位连接

由于蕲春县水利大楼的建筑物为钢筋框架结构，根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）对屏蔽、接地和等电位连接的要求，直接利用建筑物自然接地体（建筑物主梁钢筋）作为计算机中心机房雷电过电压防护装置的泄流通道。为了防止地电位反击现象，在计算机中心机房的静电地板底下做接地均压环，使用铜排在机房特定的地方做成田字网格，至少两点与大梁主钢筋相连，也可以利用等电位汇流排把所有系统的接地全部就近连接到均压环上或汇流排上，消除地电位反击现象的发生。要求接地电阻值R≤4Ω，对整个机房进行屏蔽，采用不锈钢材料组成1m×1m网格。

6 小结

防雷工作不再是简单的避雷带和电源避雷器的施工安装，而是一项对方方面面有着高要求的系统工程，应本着高标准、严要求、高可靠性同时兼顾经济、实用的原则，在遵照执行国家有关的防雷规范标准和行业标准的基础上，还需结合建筑物所在地的气候、地形、环境等多种因素，设计出效果最佳的防雷系统，对建筑物起到有效的防雷保护。在弱电系统防雷设计中，必须紧密结合当地的实际情况，不断收集和积累各项数据和资料，经常总结防雷防护工作中的经验教训，提出新的更加有效的保护技术措施，以满足不断发展的弱电系统防雷的需要。