黃顯吞

（百色學(xué)院物理與電信工程系，廣西 百色 533000）

隨著信息時(shí)代的飛速發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多依賴于弱電設(shè)備應(yīng)用于現(xiàn)代化辦公，而微電子設(shè)備的高度集成化、低工作電頻和小工作電流等特點(diǎn)，又帶來(lái)了絕緣強(qiáng)度低、耐過壓過流能力差等致命弱點(diǎn)[1]。于是弱電設(shè)備因遭受雷電危害而造成損壞的安全事故機(jī)率無(wú)疑將會(huì)大大增加，已經(jīng)成為電子時(shí)代的一大公害，并引起有關(guān)部門的高度關(guān)注和重視。而形成于大氣運(yùn)動(dòng)過程的雷電具有很強(qiáng)的危害性與破壞性，主要通過直擊雷、感應(yīng)雷、雷電侵入波等方式危害學(xué)校建筑物內(nèi)弱電設(shè)備安全[2]。當(dāng)發(fā)生雷電時(shí)就會(huì)在閉路電視、網(wǎng)絡(luò)、電話、衛(wèi)星接收天線、廣播設(shè)備等電線上產(chǎn)生較高感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)雖是瞬時(shí)襲擊，但其峰值足以使各種弱電設(shè)備受到損害或者嚴(yán)重干擾而不能正常工作。

由于現(xiàn)階段桂西農(nóng)村學(xué)校建筑物的電氣設(shè)計(jì)主要是針對(duì)強(qiáng)電設(shè)備的防雷系統(tǒng)進(jìn)行考慮，而對(duì)弱電設(shè)備的防雷重視不夠。加上目前行業(yè)中建筑物防雷主要由主體建筑承建商來(lái)完成，而弱電系統(tǒng)的防雷則由另一承包商來(lái)完成，多個(gè)施工單位交叉作業(yè)就容易造成建筑物內(nèi)弱電系統(tǒng)防雷成為薄弱環(huán)節(jié)。為防止和減少雷電對(duì)弱電設(shè)備造成的干擾、損壞及人員傷亡，考慮閃電的各種物理特性和其他危害作用，合理科學(xué)地對(duì)桂西農(nóng)村學(xué)校弱電設(shè)備進(jìn)行先進(jìn)的、綜合性的防雷電危害與抗干擾措施，研究和加強(qiáng)桂西農(nóng)村學(xué)校建筑物內(nèi)弱電系統(tǒng)防雷電危害與抗干擾工作就具重要現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 弱電設(shè)備遭受雷電危害原因分析

桂西農(nóng)村學(xué)校由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)及歷史原因，一般都建在山頂或地勢(shì)較高的地方，因而更容易遭受直擊雷的襲擊和雷電感應(yīng)的干擾。而且學(xué)校的電視廣播、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、閉路監(jiān)控系統(tǒng)、視頻會(huì)議系統(tǒng)、電話系統(tǒng)等弱電設(shè)備均由較為靈敏的電子元器件組成，這些電子元器件的共同特點(diǎn)是耐壓能力十分脆弱，極低的過電壓都會(huì)造成其擊穿損壞[3-4]。根據(jù)雷電襲擊特點(diǎn)，桂西農(nóng)村學(xué)校弱電設(shè)備遭受雷電危害的主要原因有以下幾種形式：

1）雷電直接擊中弱電外部設(shè)備上，因電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等直接可導(dǎo)致?lián)p壞。

2）雷電在對(duì)地放電時(shí)，由于靜電效應(yīng)和電磁效應(yīng)會(huì)在附近的電源線路、信號(hào)線路、埋地管道、接地系統(tǒng)地線上產(chǎn)生靜電以及電磁感應(yīng)電壓，當(dāng)電壓升高達(dá)到一定程度并串到弱電回路中就會(huì)損壞弱電設(shè)備。

3）避雷針、避雷帶、接閃器在接雷后通過接地網(wǎng)的引下線把雷電引入大地，雖然保護(hù)了樓房，但這同時(shí)也產(chǎn)生了很大的瞬變電磁場(chǎng)，該瞬變電磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁脈沖波輻射對(duì)附近的弱電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生致命的破壞。

4）當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)，建筑物接閃裝置在接閃雷電時(shí)，引下線立即產(chǎn)生高電位，會(huì)對(duì)防雷系統(tǒng)周圍導(dǎo)體產(chǎn)生旁側(cè)閃絡(luò)，這樣就會(huì)對(duì)弱電設(shè)備造成嚴(yán)重危害。

例如學(xué)校的計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它的最大擊穿電壓為幾十伏，電路芯片在10-7J 能量的沖擊下就出現(xiàn)損壞。而每次雷電放電過程中，峰值電流都在幾十千安以上，而電流上升時(shí)間僅為幾個(gè)微秒。因此雷電放電產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁輻射，其產(chǎn)生的過電壓過電流通過輸電線、通信線、接收天線和空間輻射等途徑侵入到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其干擾輻射等能量多數(shù)大于10-7J，這樣就嚴(yán)重威脅到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常工作和安全運(yùn)行。

2 弱電設(shè)備防雷電危害保護(hù)措施

建筑物防雷涉及人身和設(shè)備財(cái)產(chǎn)的安全，根據(jù)桂西農(nóng)村學(xué)校所處的位置特點(diǎn)及弱電設(shè)備遭受雷電危害的原因分析，桂西農(nóng)村學(xué)校的弱電設(shè)備防雷擊保護(hù)分為直擊雷防護(hù)、感應(yīng)雷防護(hù)和雷電入侵波防護(hù)等。那么，采用接地就是簡(jiǎn)單易行且有效的措施，所以“防雷在于接地”——說(shuō)明各種預(yù)防和抗干擾措施都必須配以適合的接地方式才能有效防雷電危害。

2.1 弱電設(shè)備的防直擊雷保護(hù)

由于桂西農(nóng)村學(xué)校大多數(shù)都建在山頂或地勢(shì)較高的地段，因而更容易遭受直擊雷的損害。對(duì)直擊雷的防護(hù)主要由避雷針及其接地裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，避雷針一般安裝在學(xué)校建筑物的樓頂上，而接地裝置則要有針對(duì)性地采取弱電設(shè)備與大樓防雷共同或分開的接地方式。

1）弱電設(shè)備與大樓防雷共同接地方式

由于桂西農(nóng)村學(xué)校大樓大都裝備有電視廣播、電話系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等敏感的弱點(diǎn)設(shè)備，大樓防雷接地、弱點(diǎn)設(shè)備接地、保護(hù)接地可設(shè)置共同接地裝置。弱電設(shè)備與大樓防雷共同接地方式及其等效電路如圖1所示。

圖1 共同接地方式

當(dāng)學(xué)校大樓遭受直接雷擊，雷電流將沿大樓的接地引下線流入大地，并在周圍空間產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)。根據(jù)圖1進(jìn)行分析計(jì)算，這時(shí)在弱電設(shè)備外殼產(chǎn)生的感應(yīng)電壓ut為

那么樓頂N點(diǎn)和弱電設(shè)備外殼t點(diǎn)之間的電位差uNt為

式中，M為防雷引下線與設(shè)備接地引下線之間的互感；L為防雷接地引下線的自感；i為雷電流；R1為防雷接地引下線的電阻；R2為接地電阻。

那么由以上式（1）至式（3）分析可知，當(dāng)互感M越大，ut就越大，而且可能出現(xiàn)以下幾種情況：

（1）當(dāng)大樓防雷接地引下線與弱電設(shè)備的接地引下線貼近時(shí)，M近似于L，此時(shí)弱電設(shè)備外殼感應(yīng)電壓與樓頂電壓幾乎相等，這時(shí)對(duì)設(shè)備的威脅最大。

（2）當(dāng)弱電設(shè)備的接地引下線與大樓的防雷接地引下線靠近時(shí)，由于L≈M，uNt就減少為uNO段的電阻壓降，此時(shí)雖然N點(diǎn)和t點(diǎn)之間較近但不會(huì)產(chǎn)生電位反擊。

（3）當(dāng)弱電設(shè)備的接地引下線與大樓的防雷接地引下線的距離增大時(shí)，M就減??；如果距離增大到一定程度，M≈0，則有

由式（4）分析可知，這接地引下線與大樓的防雷接地引下線的距離增大時(shí)uNt也將增大。但由于t點(diǎn)到N點(diǎn)之間的距離也相應(yīng)增大，所以也不會(huì)使N點(diǎn)和t點(diǎn)間出現(xiàn)反擊電位。

（4）如果弱電設(shè)備的接地與大樓的防雷接地引下線就近直接連接，設(shè)備外殼t點(diǎn)的電位將上升到N點(diǎn)的電位：

由式（5）分析可知，這種就近直接連接方式將雷擊時(shí)的高電位直接引進(jìn)到設(shè)備外殼，增加了外殼與內(nèi)部器件間的電位差。為此采用均壓環(huán)，將建筑物內(nèi)各個(gè)內(nèi)層保護(hù)區(qū)的界面以及室內(nèi)的金屬設(shè)備、電氣裝置等進(jìn)行等電位連接，形成一個(gè)“等電位島”，保證各個(gè)導(dǎo)電部分之間不會(huì)產(chǎn)生有害的電位差，不發(fā)生旁側(cè)閃絡(luò)放電等。

2）弱電設(shè)備與大樓防雷設(shè)備分開的接地方式

由于弱電設(shè)備采用與防雷設(shè)備分開的專門的接地線單獨(dú)接地，那么弱電設(shè)備與交流電源及大樓的防雷接地系統(tǒng)分開的接地方式就可以避免將干擾引入到敏感的弱點(diǎn)設(shè)備中。弱電設(shè)備與防雷設(shè)備分開的接地方式及其等效電路如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，當(dāng)雷電流流經(jīng)建筑物的金屬體或接地引下線時(shí)在弱電設(shè)備外殼上感應(yīng)的各點(diǎn)電位為

圖2 弱電設(shè)備與大樓防雷設(shè)備分開的接地方式

從以上式（6）至式（9）進(jìn)行比較分析可知，分開接地時(shí)弱電設(shè)備外殼的電位降低了iR。所以，弱電設(shè)備與大樓防雷接地系統(tǒng)分開的接地方式可以避免將干擾引入到敏感的電子設(shè)備中[4]。如果設(shè)備的外殼與接地引下線應(yīng)又能遠(yuǎn)離大樓的防雷引下線，就可以防止發(fā)生電位反擊。顯然針對(duì)桂西農(nóng)村學(xué)校的大樓內(nèi)都裝備有通信廣播、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和其他的敏感弱電設(shè)備，采用弱電設(shè)備與大樓防雷接地系統(tǒng)分開的接地方式比采用共同接地方式較好防護(hù)直擊雷。

2.2 弱電設(shè)備的防感應(yīng)雷保護(hù)

如果雷電不是直接擊到弱電設(shè)備上，而是擊到弱電設(shè)備旁邊的設(shè)施上，或是云對(duì)云放電，那么其產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)就會(huì)在弱電設(shè)備上感應(yīng)出很高的感應(yīng)過電壓[5]，從而對(duì)敏感的弱電設(shè)備造成損壞。例如公用電線、電話線路、閉路電視線路、相鄰導(dǎo)線通路間的互感、空間輻射等都會(huì)使弱電設(shè)備感應(yīng)出很高的感應(yīng)過電壓。那么弱電設(shè)備對(duì)感應(yīng)雷的防范措施就是要在弱電設(shè)備的電源、信號(hào)端等加裝有限壓和泄流功能的避雷裝置以減少因雷電發(fā)生靜電感應(yīng)和電磁效應(yīng)而造成的危害。

2.3 弱電設(shè)備的防雷電侵入波保護(hù)

由于桂西農(nóng)村學(xué)校的電力線、通信線、信號(hào)線的線路都較長(zhǎng)，在發(fā)生雷電時(shí)，雷電流會(huì)沿著電力線路、通信線路或信號(hào)線路侵入弱電設(shè)備系統(tǒng)，對(duì)敏感的電子設(shè)備構(gòu)成危害。那么對(duì)雷電侵入波的防護(hù)主要是對(duì)電力線路在配電變壓器高壓側(cè)、低壓側(cè)各自裝設(shè)氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)（特別是對(duì)于桂西某些重雷區(qū)鄉(xiāng)村學(xué)校，還應(yīng)加裝隔離變壓器進(jìn)行隔離）；對(duì)通信線路以及信號(hào)線路可采用放電管進(jìn)行保護(hù)，也可安裝壓觸電阻或浪涌接收器進(jìn)行防護(hù)。

同時(shí)，為了減小雷電電磁波干擾，弱電設(shè)備應(yīng)裝設(shè)防電磁干擾的屏蔽網(wǎng)，屏蔽網(wǎng)可以由金屬網(wǎng)或網(wǎng)格構(gòu)成，對(duì)電磁干擾起到屏蔽作用[6]。而且弱電設(shè)備機(jī)房四周都應(yīng)裝設(shè)金屬屏蔽網(wǎng)，所有信號(hào)線（不論室內(nèi)和室外）都必須屏蔽，架空電力線在進(jìn)入弱電設(shè)備機(jī)房前必須改為屏蔽電纜或穿鋼管，電纜或鋼管兩端都應(yīng)可靠接地，并在布線時(shí)線間應(yīng)注意分開走線，避免平行鋪設(shè)以減少感應(yīng)。

3 弱電設(shè)備機(jī)房防雷接地

弱電設(shè)備機(jī)房采用避雷針或避雷網(wǎng)防直擊雷，在弱電設(shè)備機(jī)房外地下應(yīng)圍繞機(jī)房敷設(shè)閉合環(huán)形水平接地體[7]。那么桂西農(nóng)村學(xué)校弱電設(shè)備的接地裝置應(yīng)采用水平接地體圍繞建筑物敷設(shè)成閉合環(huán)形，周邊引出若干條水平放射線以降低沖擊接地電阻，并做好地網(wǎng)的橫向和縱向均壓。弱電設(shè)備機(jī)房防雷接地如圖3所示。

圖3 弱電設(shè)備機(jī)房防雷接地示意圖

在圖3中機(jī)房?jī)?nèi)各種電纜的金屬護(hù)套、設(shè)備金屬外殼以及工作接地、保護(hù)接地等，均應(yīng)以最短距離與環(huán)形接地母線相連接[8]。室內(nèi)的環(huán)形接地母線與室外的閉合接地體和樓頂?shù)沫h(huán)形避雷帶之間，至少應(yīng)有4 根對(duì)稱布置的連接線互相連接，且相鄰連接線間的距離不宜超過18m。弱電設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)高頻、低頻工作接地母線采用120mm×0.35mm 的紫銅帶，機(jī)架用40mm×4mm 的扁鋼接到環(huán)形接地體上。同時(shí)，弱電設(shè)備應(yīng)與同一樓內(nèi)動(dòng)力、建筑物的避雷器

共用一個(gè)接地網(wǎng)。建筑物主鋼筋之間應(yīng)焊接，上端和房頂、中間與各層之間均壓網(wǎng)連接，接地母線焊接成電氣上連通的法拉第籠或接地系統(tǒng)，用于加大進(jìn)行分流、均壓和減小反擊過電壓，以保證建筑物內(nèi)弱電設(shè)備及相關(guān)設(shè)施的正常運(yùn)行和人身的安全。

4 結(jié)論

現(xiàn)代防雷技術(shù)的主要目標(biāo)是讓人員、設(shè)備以及建筑物免受雷電災(zāi)害。以上分析了桂西農(nóng)村學(xué)校弱電設(shè)備遭受雷電危害原因，以及弱電設(shè)備對(duì)直擊雷、感應(yīng)雷、雷電侵入波的防護(hù)措施，探討弱電設(shè)備與大樓防雷共同與分開接地方式的優(yōu)劣點(diǎn)，得出弱電設(shè)備與大樓防雷接地系統(tǒng)分開的接地方式比較好防護(hù)直擊雷，并提出提出采取均壓環(huán)、加裝有限壓和泄流功能的避雷裝置以及地下敷設(shè)閉合環(huán)形水平接地體等措施，解決長(zhǎng)期以來(lái)桂西農(nóng)村學(xué)校弱電設(shè)備因遭受雷電危害與干擾而難于防護(hù)問題。那么根據(jù)弱電設(shè)備的接地要求以及桂西當(dāng)?shù)赝寥离娮杪瘦^高等特點(diǎn)，如何確定接地的范圍及地點(diǎn)，計(jì)算接地體和接地線的數(shù)量、面積及埋設(shè)方法等將是下一步研究重點(diǎn)和探索方向。

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