消防火灾报警系统的雷电防护设计毕业论文.docx

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消防火灾报警系统的雷电防护设计毕业论文

火灾自动报警系统的雷电防护

摘要：

消防火灾自动报警系统是楼宇自动化的重要组成部分，其对雷电电磁脉冲非常敏感，近年来雷电电磁脉冲损坏消防火灾自动报警系统的事例日益增多，而对消防火灾自动报警系统雷电防护的研究却甚少。

本文对消防火灾自动报警系统的防雷措施进行了探讨，分析了火灾自动报警系统电源、信号电涌保护器性能参数的选择及消防控制室的屏蔽、接地问题，并介绍了具体的工程实例，提出了一些需要解决的问题。

关键词：

火灾自动报警系统；雷电防护；工程实例；系统阻抗

1引言

近年来，随着计算机及自动控制技术日新月异，使得以先进的大规模集成电路为核心组件的监控、计算机等电子产品广泛应用于火灾自动报警系统中，这些电子设备普遍存在着绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，一旦建筑物受到直接雷击或其附近区域雷击，雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过电源线、通信线、控制线、金属管道和空间辐射等途径侵入建筑物内，威胁室内电子设备的正常工作和安全运行，轻则造成火灾自动报警系统出现误报警、乱报警等非正常工作状态，重则使得系统永久性损坏，严重时还可能造成人员伤亡。

通过对XX市2003年度消防系统雷击事故的调查研究，发现除了设备的主、备电源受损外，报警控制板、显示屏和通讯设备都遭到不同程度的损坏，单XX市市区消防火灾自动报警系统直接经济损失就达百万之巨，如果因为火灾自动报警系统的损坏，而影响了对火灾的报警，其后果不堪设想。

从调查的结果来看，其原因是部分火灾自动报警系统的设计者对幅值高、能量大的雷电侵害缺乏有效的防护措施，而应用者对于专业的雷电防护更是知之甚少，直到事故的发生后才明白雷电防护得重要性，让本可避免雷电乘虚而入造成破坏。

因此，研究解决火灾自动报警系统的雷电防护问题，是解决目前消防火灾自动报警系统的自身安全可靠的迫切需要。

2火灾自动报警系统概述

火灾自动报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成；也可以根据工程的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。

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。

火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温和光，这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。

火灾报警控制器是用来接收火灾探测器发出的火警电信号，并将此火警信号转换为声、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。

火灾报警控制器可分为区域报警控制器和集中报警控制器两种：

⑴区域报警控制器接收火灾探测区域的火灾探测器送来的火警信号，可以说是第一级的监控报警装置。

⑵集中报警控制器用作接收各区域报警控制器发送来的火灾报警信号，还可以巡回检测

与集中报警控制器相连的各区域报警控制器，有无火警信号、故障信号，并能显示出火灾区域和部位与故障区域，并发出声、光报警信号。

集中报警控制器是设置在建筑物消防中心（或消防总控制室）内的总监控设备，它的功能比区域报警控制器更全。

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系统框图如下所示。

3火灾自动报警系统过电压入侵途径

消防火灾自动报警系统由于其结构复杂，控制回路较多等特点，很容易因雷击放电和与此相关电磁感应而导致其系统的毁坏，雷电入侵耦合途径有两种方式：

一种是传导耦合方式，另一种是辐射耦合方式。

3.1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之一，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。

3.1.1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。

⑴雷电流通过接地电阻耦合

图2中避雷器接地电阻Re上的电压可达到100KV（三类），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，对于消防火灾自动报警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。

⑵雷电流通过公共电源耦合

雷电流可以通过消防火灾自动报警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，在无法降低电源内阻及线路阻抗时，另一个根本的方法，在每一个控制回路中加装电涌保护器。

3.1.2电容性耦合

消防火灾自动报警系统有公共电源线、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，下图4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：

式中：

当耦合电容较小时，即WCR2＜＜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、接地电阻，抑制电容性耦合的有效方法是减小耦合电容C，工程中主要采取屏蔽和隔离的措施。

3.1.3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：

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、接地电阻，那么抑制电感性耦合的主要方法是减小互感。

3.2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，辐射耦合的途径主要有天线、电缆、机壳等。

鉴于上面所述，我们就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。

4火灾自动报警系统雷电防护措施

消防火灾自动报警系统雷电防护工程是一个系统工程，应按照“综合治理、层层设防”的原则，从直击雷到感应雷进行全方面的雷电防护。

4.1电源系统的防雷措施

结合消防的供配电要求，属于一类防火建筑的消防控制室、消防水泵、消防电梯、防排烟措施、火灾自动报警、自动灭火装置、火灾事故照明、疏散指示标志和电动的防火门窗、卷帘、阀门等消防用电为一级负载，一般应有两个独立电源供电，如图6所示。

参照上图在雷电防护设计时，按国家规X和消防火灾自动报警系统自身的特点一般按常规电涌保护器需要采取三级防护措施，才能达到多级分流，逐级降压的目的，实现了电涌保护器的限制电压能在火灾自动报警系统设备耐受的X围内：

4.1.1交流电源第一级的防护

高压变压器后端到楼宇总配电室加电源SPD作一级防护。

相关产品的技术参数要求为：

在城市中雷区低压电缆引入配电室处，应具有标称放电电流不小于20KA的限压型SPD；地处在多雷区、强雷区应具有标称放电电流不小于40KA的限压型SPD；当建在郊区，地处中雷区以上，应安装冲击通流容量大于60KA的限压型SPD。

限制电压小于4.0KV。

4.1.2交流电源第二级的防护

楼宇总配电室至消防水泵、控制室、电梯、照明等配电盘作二级防护措施。

SPD标称放电电流取值不小于20KA（8/20us），限制电压小于2.5KV。

4.1.3交流电源第三级的防护

重要的精密设备如消防控制室的控制器和CRT显示器、计算机主机、消防通讯设备、应急广播等装置的UPS电源前端加装三级SPD。

标称放电电流取值不小于10KA（8/20us），限制电压小于1.0KV。

4.1.4直流电源的防护

对于直流供电系统电源SPD，其通流容量不小于5KA，动作电压不应小于1.5倍直流系统额定电压。

4.1.5安装电涌保护器需注意问题

⑴火灾自动报警系统的主电源保护开关不应采用漏电保护器，控制器的电源引入线应直接与消防电源连接严禁使用电源插头，因此在控制器前端不应使用电源插座型避雷器。

⑵在双电源供电系统及备用柴油发电机组及其它应急电源，为了保证系统供电可靠性及雷电、投切过电压对电子设备的损坏，都应按上述原则装设SPD予以保护。

4.2信号系统的防雷措施

火灾自动报警系统的信号线路主要有报警线、通讯线、广播总线、总线、及联动控制线，为了防止雷电电磁脉冲从信号线路侵入系统，必须在线路上加装SPD予以保护,下面以海湾安全技术XX的产品为例就SPD性能参数的选择进行分析。

4.2.1报警线路的防护

报警线路主要是将探测器感测到的信号传输到控制器供其决策，GST108型控制器其探测回路技术参数为：

●　输出电压:

　总线24V，允许X围：

20V～28V；

●　静态电流2.4mA；

●　报警电阻X围150Ω—470Ω；

所以在选择SPD的最大持续工作电压UC应大于28V的20%以上，通流容量大于3KA，

在测试波形为6KV/3KA（8/20us）下，限制电压最优应低于2.5倍正常工作电压，还要考虑接入电阻插入损耗的要求。

4.2.2联动控制线路的防护

联动控制线是将控制系统发出的控制信号传递给输出控制模块，从而控制消防设备的启动或停止，同时向消防控制中心传送消防灭火设备动作与否的回答信号，由于消防控制总线较长，易感应雷电过电压，另外受控继电器的状态翻转或瞬态跳动也易产生过电压，因此输出控制模块应予以保护，其参数选择应根据具体的控制模块的技术参数而定，像GST108型控制器其触点输出容量1A，电压DC24V，那么SPD的UC值可选30V，最大持续工作电流应大于1A，插入损耗应小于0.5dB。

4.2.3消防总线的防护

消防的主机属于精密电子产品，并在电梯机房、水泵房、配电房、电梯门口等重要的地方安装固定式分机，并在每一楼层安装一个或多个插座，其接线示意图如图7所示，为了保护主机，在主机输入端应装设SPD，SPD参数应根据其技术特性来选择。

如GST-TS-Z01A型消防主机技术参数为：

工作电压DC24V，允许X围DC20V~DC28V；馈电输出总线电压DC24V，最大输出电流0.25A等参数选择SPD最大持续工作电压大于30V，最大持续工作电流大于0.3A，通流容量大于500A，限制电压小于60V及插入损耗小于0.5dB。

4.2.4消防广播线路的防护

以海湾安全技术XXLD-8305编码广播切换模块为例，其用于总线制消防广播系统中正常广播和消防广播间的切换。

模块对两路同时切换，可接收外来回答信号，也可在换到消防广播后进行自回答并将切换信息传回火灾报警控制器以表明切换成功。

模块在总线制消防广播系统中的应用方法如图8所示。

由于广播音箱暴露于LPZ0B区并且背景广播和消防广播线都较长容易感应雷电过电压，所以应在编码广播切换模块处和广播设备主机处装设SPD予以保护，对LD-8305模块来说，其广播音箱的输入信号为120V定压输入，那么SPD的Uc值取180V，SPD通流容量大于1.5KA（8/20us），插入损耗不大于0.5dB。

4.2.5计算机端口及通讯端口SPD参数的选择

接口形式RS232，网络标称电压12V，通流容量500A，限制电压18V，插损＜0.2dB。

接口型式RS485，网络标称电压6V，通流容量500A，限制电压9V，插损＜0.2dB。

消防火灾自动报警系统总体的雷电防护系统图见附图

（1）。

4.3屏蔽

火灾自动报警系统的电子设备中大量采用半导体器件和集成电路，这些电子和微电子元器件是十分脆弱的。

雷电电磁脉冲可以在电源或信号线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。

利用屏蔽体来阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播是一种有效的防护措施，电子设备常用的屏蔽体屏蔽室的外部金属网、有设备的金属外壳和电缆的金属护套等。

4.3.1外部屏蔽

对于消防系统的心脏——消防控制室一般应设在高层建筑物的低层中心部位，应首先利用建筑中的结构钢筋与金属门窗框初步构成一个带门窗开口的屏蔽笼，另外在门窗上分别加装金属网并与门窗框实施有效的电气连接，这样就成为一个完整的屏蔽笼，构成对电磁脉冲辐射的初级屏蔽，如图9所示。

4.3.2设备屏蔽

消防控制室内对电磁脉冲敏感的电子仪器都应采用连续的金属层加以屏蔽起来，在各个电子仪器之间的信号连线要采用屏蔽电缆,或采用穿金属管进行屏蔽，信号电缆的屏蔽层与仪器的屏蔽体具有良好的电气连接，使它们构成一个完整的屏蔽体系。

另外消防控制室内电子设备金属外壳应用最短导线将其与等电位连接带连接。

4.3.3电源线和信号线屏蔽

火灾自动报警系统的电源线和信号线在阻燃的要求上还应采用金属屏蔽层电缆或穿铁管、槽加以屏蔽，并应在金属管上采取防火保护措施，消防联动控制、自动灭火控制、通讯、应急照明及应急广播等线路，也应穿金属管保护并宜敷设在非燃烧体结构内。

金属屏蔽层阻挡和衰减电磁脉冲的性能不仅与屏蔽层的材料和屏蔽层上网眼大小有关，而且还与屏蔽层的接地方式有关。

可将电缆穿入金属管内或采用双屏蔽电缆，将金属管或双屏蔽电缆的外屏蔽层的两端与两电子设备外壳分别连接并就近接地，金属管内的电缆单屏蔽层或双屏蔽电线的内屏蔽层可以采用一端接地，这样既可保证安全，又有利于抑制低频干扰。

如图10所示。

4.4接地

火灾自动报警系统的接地装置的接地电阻应符合下列要求：

采用共用接地装置时，接地电阻不应大于1Ω；采用专用接地装置时，接地电阻不应大于4Ω。

同时，系统应设置专用接地干线由消防控制室接地端子板引至接地极。

将火灾自动报警系统的电子设备与防雷接地共用一个接地系统是比较容易实现的，不过将电子设备与防雷接地共地，雷击时暂态大电流可以通过电路的耦合对电子设备形成干扰或产生过电压。

为了克服这些副作用，有些消防产品生产厂商要求电子设备与防雷接地分开，采用许多复杂的隔离和绝缘措施将电子设备的接地连线引出到离防雷接地系统较远（20m以外）的地方单独接地。

实际上，这种分开接地是不太容易实现的，由于各种线路、金属管道和建筑物构架中的钢筋纵横交错以及一些建筑物不断扩建，在设计与施工很难做到分开接地。

为此，笔者认为可以在电子设备单独接地的地线引入户处用瞬间等电位连接器（低压避雷器或放电间隙）与建筑物的总接地网连接。

当建筑物遭受雷击时，其地电位抬高导致瞬间等电位连接器放电，从而使电子设备接地与建筑物接地网达到大致相等的电位水平；在正常情况下，避雷器或放电间隙将两个接地分开，有利于抗干扰。

5工程实例

2003年8月28日和9月8日礼来XX制药XX消防火灾自动报警系统先后两次遭到雷击，损坏了多块控制板。

根据现场勘察分析，公司位于XX工业园区内，周围无高大建筑物，环境较为空旷，雷电环境较差，配电间、消防泵房无防直击楼措施，雷电流通过电源线、信号线及空间电磁场耦合引入设备，导致设备损坏。

为了全方位防止雷电电磁脉冲，本工程做了直击雷和感应雷防护措施。

5.1直击雷防护采取的改造措施

根据现场情况，在配电间、消防泵房各屋顶的四周做了避雷带，沿墙壁（靠近绿化带一侧）引二根扁钢作为引下线，在绿化带处做一组接地网，其中避雷带用25mm×4mm热镀锌扁钢，垂直接地体用2500mm×50mm×50mm×5mm的热镀锌角钢，水平接地体用40mm×4mm的热镀锌扁钢，要求接地电阻小于1Ω。

其施工图见附图

（2）。

5.2感应雷防护措施

5.2.1电源系统过电压防护

⑴在配电房总配电柜内安装了德国PHOENIX三相电涌保护器，产品型号为FLT35/3+1CTRL-0.9/I，作为第一级保护。

SPD（电涌保护器）产品前端加装了63A/3P梅兰日兰空气开关。

⑵在各分电盘内重点对消防火灾自动报警系统电源线路采取了第二级保护保护措施：

在分电盘H-1-3E，L-G-1，H-2-3E，L-2-1内分别安装了1套德国PHOENIX三相电涌保护器，产品型号为VALMS-320。

SPD（电涌保护器）产品前端加装了32A/3P梅兰日兰空气开关。

⑶对消防火灾自动报警系统电源线路进入各监控盒前端采取了第三级保护：

在Interface1，Interface4，Interface6，Interface10，监视屏，MCB10前端（分电盘L-G-1）分别安装了1只德国PHOENIX单相电涌保护器，产品型号为PT2-PE/S230AC-ST。

SPD（电涌保护器）产品前端加装了16A/1P梅兰日兰空气开关。

5.2.2信号系统过电压防护

XX礼来消防火灾自动报警系统采用的是英国GENT公司的产品,属于总线环行连接方式,其主要技术参数为：

●　工作电压：

有源界面AC220V，无源界面DC36.8V；

●　额定工作电流：

0.5mA；

●　单线长度不超过1000m；单线接入阻抗＜15Ω；

因此采取以下措施：

⑴在消防火灾自动报警系统监控环路引入各监控盒前端安装了XX雷迅信号电涌保护器，产品型号为SR-E48V/4S，安装在Interface1，Interface2，Interface3，Interface5，Interface6，Interface9各一只，Interface10，门岗监视屏各两只。

⑵在消防火灾自动报警系统PHD引入Interface3前端，substationzone12引入Interface4前端，PHDBell引入Interface4前端，H-E-1引入监视屏前端，H-F-1引入监视屏前端，sprinkler引入监视屏前端分别安装一只XX雷迅信号电涌保护器，产品型号为SR-E48V/4S。

⑶在安装信号电涌保护器SR-E48V/4S后的调试过程中，经过消防系统设备供应商、信号电涌保护器设备生产厂和建设单位四方技术论证后，将值班室总控中心的输入输出端口处的SPD按照串接方式，其它环路上采用并接方式，这样既满足了系统正常工作的要求，又达到了系统防雷电电磁脉冲干扰的目的。

信号电涌保护器SR-E48V/4S产品质保延至二年。

工程经复检后投入运行，所有电涌保护器均运行良好，工作设备运行正常。

防直击雷，感应雷设施均正常投入使用。

SPD安装图附图（3）

6结论

消防火灾自动报警系统是比较精密的电子系统，尽管有些消防厂家生产的产品具有一定的干扰抑制技术，但对于雷电这高能量、大电流来说根本无济于事，在进行合理的消防火灾自动报警系统设计时，存在一些问题。

像SPD一般的保护电路如图11所示，其中ZL对电感有一定的要求外，其电阻部分也十分重要，即使输入电压增长非常缓慢至刚刚低于电涌保护器的静态点火电压时，串联的保护二极管不会遭到破坏。

那么在进行火灾自动报警系统防雷工程设计时，是不是每个探测器及一些输入输出模块都要装设SPD呢？

消防火灾自动报警系统对外来接入电阻具有一定的要求，那么过多的装设SPD对系统的灵敏性会有一定的影响，甚至远程控制失效，所以应选择一些易受雷击的设备予以保护。

另外现在消防报警系统的技术日新月异飞速发展，新技术的使用会带来雷电防护系统设计的更高的要求，这要求在雷电防护方案设计时应充分跟建设单位、设备供应商进行沟通。

参考文献：

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[2]YD/T5098-2001通信局（站）雷电过电压保护工程设计规X.

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中国建筑标准设计研究所,2003.

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清华大学,2003.

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XX科学技术,2001.

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[10]门茂琛等.建筑物中公共广播系统设计应注意的问题.建筑电气.2004（总第93期）.

TheLightningProtectionagainstAFAS

LIUXiao-dong

（DepartmentofElectronicEngineering,NUIST,Nanjing210044,china）

Abstract:

AutomaticFireAlarmSystemisaimportantpartofmodernbuildings,itissensitivetothelightningelectromagneticpulse,thelightningdisturbancedthingsofAFASbeemoreandmore,butthestudyoftheAFASlightningprotectionisfewer.ThispaperdiscussthesynthesizeprotectionmeasurementtoAFAS,summarizesomemethodstoprotectfromthelightningdamage,andanalyzetheproblemofshieldingandgrounding.Finallyputforwardssomequestionsthroughtheexample.

Keywords:

AFAS;lightningprotection;engineerexample;systemimpedance