仿古建筑雷电实验室防雷设计方案.docx
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仿古建筑雷电实验室防雷设计方案
仿古建筑雷电实验室
防雷设计方案
CDIO第七组
指导老师：
牟翔永
组长：
张正东
组员：
丁小梅、刘愚诗、侯顺、李少君、曾广湖、文科、包率
第一章雷电危害及防雷原理
雷击是年复一年的严重自然灾害之一。
随着我国现代化建设的不断提高，通信、控制等弱电设备越来越多，规模越来越大。
一方面大型电子计算机网络，程控交换机组等系统设备耐过电流、耐雷电压的水平越来越低，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波的侵入，致使雷电灾害频频发生。
一、雷击的分类
雷击一般分为直接雷击和感应雷击。
直接雷击——指雷电直接击在建筑物、构架、树木、动植物上，由于电效应、热效应和机械效应等混合力作用，直接摧毁建筑物，构筑物以及引起人员伤亡等。
由于直击雷的电效应，有可能使微电子设备遭受浪涌过电压的危害。
感应雷击（又称二次雷击）——指雷云之间或雷云对地之间的放电而在附近的架空线路、埋地线路、金属管线或类似的传导上产生感应电压，该电压通过传导体传送至设备，间接摧毁微电子设备。
感应雷击对微电子设备，特别是通讯设备和电子计算机网络系统的危害最大，据资料显示，微电子设备遭雷击损坏，80%以上是由感应雷引起的。
另外还有操作过电压，即是指当电流在导体上流动时，会产生磁场储存能量，当负载（特别是电感性大的负载）电器设备开关时，会产生瞬时过电压，操作过电压同感应雷击一样，可以间接损坏微电子设备。
二、雷电危害
近些年来由于高新技术的发展，尤其是电子技术的飞速发展，推动了电子用电设备的普及和应用，其中借助计算机系统进行信息处理、数据处理、自动化控制、网络通讯、设计开发等，大大提高了人们的工作质量和效率。
但先进的电子设备包括电子计算机耐受过电压、过电流的能力相对较低，同时也缺乏必要的雷害防护技术措施，
另外，在现代高新技术电子产品的生产中大量采用了大规模及超大规模的电子集成电路制造技术，当今电子设备、计算机系统的网络化程度越来越高，如通讯系统、视频、信号、工业自动化控制网络、计算机网络系统等，它们的传输线路，特别是暴露在室外的长距离输送线，以及动力电源输送线路等，都有可能遭受雷击，产生雷击过电压，并侵入设备，将设备击毁。
1971年美国通用研究公司R·D希尔用仿真试验建立模式证明：
由于雷电干扰，对无屏蔽的计算机当磁感应强度Bm=0.07GS时，计算机会误动作；当Bd=2.4GS时，计算机设备会永久性损坏。
人类在1973年将1万个元件安置在1cm2面积上，这标志着进入信息时代，这个面积数值一直在逐渐变小。
特别是电子技术从本世纪六十年代的电子管元器件发展到八十年代大型集成电路以来，元件的耐受能量已由0.1~10J降至10―8~10―6J，因而设备损坏率骤然升高。
各种设备、元件摧毁能量参见图1。
图1
由上图可见，尽管雷击干扰数十年变化不大，但电子设备的抗冲击水平在下降，间接导致雷击干扰灾难系数增加。
一位奥地利人对其所在地区自1960年~1992年间雷击损失保险理赔件数进行过统计，发现在这33年中，该地区因直接雷击造成的事故（火灾、建筑物破坏等）每年都约为100起左右，而电子设备的损坏却由1960年的931起上升到1992年的23768起！
[图2]
图2
图3
图3是慕尼黑TELA保险公司的损害分析，说明雷害损失从1978年到1994年的17年中上升了400%。
而德国法兰克福ELELTRA保险公司的统计说明在1994年的灾害赔偿中雷击过电压损失占33.8%，为第一位（图4）。
图4
这种雷击灾害的损失与我国近年来的情况基本相同。
我国城市中的雷击电子设备损害可占雷电灾害总损失的80%以上。
鉴于上述原因，IEC61312-1（《雷电电磁脉冲的防护通则》）标准中“引言”称“鉴于各种类型的电子系统，包括计算机、电信设备、控制系统等（在本标准中称之为信息系统）的应用在不断增加，使本国际标准的制定成为必需。
这样的信息系统用于商业及工业的许多部门，包括高资金投入、大规模及高度复杂的工业控制系统，对这样的系统从代价和安全方面考虑非常不希望由雷电导致系统运转的停顿。
”
从传统的避雷观念和认识上也容易把人们对雷害防护的认识引向一个误区。
在传统观念上人们普遍认为只要按照国家的建筑物防雷设计规范做好建筑物的防雷措施，如安装好建筑物的防雷装置（避雷针、引下线和接地装置的总称）均压环等，建筑物内外的所有防雷工作就“万事大吉”了。
但当雷击现象发生时，建筑物的防直击雷装置非但不能保护好建筑物内的各种用电设备免遭雷击，反而使其遭受雷击的可能性增大，而且建筑物的避雷装置接闪能力越强，遭雷击侵入的可能性就越大。
这是因为当雷电击中建筑物避雷装置的避雷针上或击中附近其它建筑物的避雷针时，避雷针引下线就承担起了使雷击入侵电流入地释放的作用，在雷击电流快速的由引下线导入大地时，瞬时间内在引下线上自上而下的产生了一强力的变化磁场，处在这个强力变化磁场作用范围内的所有用电器、信号、电源及它们的传输线路都因相对地切割了这个强力变化磁场的磁力线而产生出感应高压，进而在与地线的低电位之间产生电压差，从而迅速将用电设备击毁。
同时，当强大的雷电流导入地网时，由于地网本身有电阻（地电阻），会产生地电位，形成地电位反击，从而击毁设备，在下图中建筑物的内部会受到地电位抬升以及雷电感应的干扰。
图5
三、雷电防护区的划分
按照IEC61312-1及GB50057-94（2000）要求，将要保护的空间划分为不同的防雷区，以规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和指明各区交界处的等电位连接点的位置。
各区以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征。
防雷区宜按以下分区：
1、LPZOA区：
直击雷非防护区，本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；本区内的电磁场没有衰减。
2、LPZOB区：
直击雷防护区，本区内的各物体不可能遭到直接雷击，但本区内的电磁场没有衰减。
3、LPZ1区：
屏蔽防护区，本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZOB更小；本区内的电磁场可能衰减，这取决于屏蔽措施。
4、LPZ2区等：
后续防雷区，当需要进一步减小导入的电流和电磁场时，应引入后续雷区，并按照需要保护的系统所要求的环境选择后续防雷区的要求条件。
通常，防雷区的数越高，电磁环境的参数越低。
在两个防雷区的界面上应将所有通过界面的金属物做等电位连接，并宜采用屏蔽和防浪涌措施。
信息系统建筑物防雷区划分一般原则详见图1。
四、雷电对电子设备损害途径
主要有三个途径：
直击雷经过接闪器（如避雷针、避雷带、避雷网等）而直放入地，导致地网地电位上升。
高电压由设备接地线引入电子设备造成地电位反击。
雷电流沿引下线入地时，在引下线周围产生磁场，引下线周围的各种金属管（线）上经感应而产生过电压。
进出大楼或机房的电源线和通信线等在大楼外受直击雷或感应雷而加载的雷电压及过电流沿线窜入，入侵电子设备。
五、针对此三种途径所进行的防护
1、接闪与接地：
大楼通过建筑物主钢筋，上端与接闪器，下端与地网连接，中间与各层均压网或环形均压带连接，对进入建筑物的各种金属管线实施均压等电位连接，具有特殊要求的各种不同地线进行等电位处理。
这样就形成一个法拉第笼式接地系统。
它是消除地电位反击有效的措施。
2、均压连接与屏蔽：
安装均压环，同时通信电缆线槽及地线线槽需用金属屏蔽线槽，且做等电位连接。
其布放应尽量远离建筑物立柱或横梁，通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能与建筑物立柱或横梁交叉。
3、分流：
进入建筑物大楼的电源线和通讯线应在不同的防雷区交界处，以及终端设备的前端根据IEC61312——雷电电磁脉冲防护标准，安装上不同类别的电源类SPD以及通讯网络类SPD（SPD瞬态过电压保护器）。
SPD是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手段。
雷电防护是一个全方位工程，其全面防护参见图3。
图3：
雷电全方位保护
第二章设计依据
一、设计依据
依据国际电工委员会IEC标准、法国NFC标准、德国VDE标准和中国GB标准与部委颁发的设计规范的要求，大楼和大楼内之计算机房、程控机机房等设备都必须有完整完善之防浪涌保护措施，保证该系统能正常运作。
这包括电源供电系统、不间断供电系统，电脑网络、卫星通信设备等装置，均应有SPD防护装置保护。
设计依据包括有：
（1）GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》
（2）GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》
（3）GB50174-93《电子计算机机房安全设计规范》
（4）GB2887-89《计算站场地技术文件》
（5）GB9361-88《计算站场地安全要求》
（6）GB50054-95《低压配电设计规范》
（7）GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》
（8）GB3482-3483-83《电子设备雷击实验》
（9）IEC61024-1:
1990《标准建筑物防雷》
（10）IEC61312-1:
1995《雷电电磁脉冲的防护通则》
（11）YD5003-94《电信专用房屋设计规范》
（12）YDJ26-89《通讯局（站）接地设计暂行技术规定》
（13）JGJ/T16-92《民用建筑电气执行规范》
（14）IEC61643《SPD电源防雷器》
（15）IEC61644《SPD通讯网络防雷器》
（16）VDE0675《过电压保护器》
二、方案设计原则
☐严格按照国标颁布标准以及相关的国际标准实施防雷工程。
☐根据电子及电气设备的不同功能及不同受保护程度确定防护要点，作分类保护。
☐在做好系统防雷的基础上，达到最大节约资金的目的，符合客户要求。
第三章勘测与分析
雷电实验室勘查数据记录表
单位名称
成都信息工程学院
项目名称
雷电实验室内部防雷系统设计
项目地点
仿古建筑雷电实验室
日期
2012-3-20
建筑物尺寸
长
7.25m
宽
2.75m
高
4m
建筑物用途
办公及研究雷电
接地要求（接地电阻大小）
小于0.5欧姆
被保护对象描述
实验室是单独的一间长方形房间，房间位于整座三层楼房的第一层，钢筋混凝土结构，与雷电教研室一墙之隔，北面和东面各有一窗，窗户金属框架均做等电位连接。
房间里放置SPD测试仪和冲击电流发生装置各一台。
无电子信息设备。
器材名称
高度
距离
相对位置
SPD测试仪
120cm
相对左墙宽1.2m，相对长为0.5m、1.5m
冲击电流发生装置
140cm
在SPD测试仪右侧，相距为1.55m,相对长为0.8m、1.5m
气象条件：
年均雷暴日（Td）
雷击年平均密度（Ng）
建筑物分类（一/二/三）
分区（LPZ）
雷电灾害历史
34d
3.4
第二类
LPZ1
无
土壤特征
岩石/土壤
土壤电阻率
50欧米
布线：
电源进线（三相/单相）
三相
建筑物本身等电位连接网络（S/M）
M
供配电接地形式
TN-C-S
信号线进出管道
宜选用金属屏蔽层的电缆，并宜埋地敷设，在防雷分区交界处的金属屏蔽层应做等电位连接
两地网间预计距离
20m
设计两地网连接方式
远处地网通过绝缘电缆越过近处地网连接建筑物
附：
建筑物图示
第四章防雷设计方案
现场概况
雷电实验室位于成都信息工程学院航空港校区仿古建筑物内，该地区周围无高大建筑物，亦无雷击灾害的历史。
该地区年平均雷暴日为34天。
雷电实验室建筑面积15平方米，位于仿古建筑一层东面。
根据雷电实验室的功能、性质和重要性以及周边的地理及气象情况，此次防雷方案主要为以下几个方面：
1、接地网设计
2、过电压防护
3、等电位设计
4、室内电气设备的接地
5、其他设备的处理
一、接地网设计
由于实验室设备要求采用单独接地系统,故需要在教学楼外面单独增加地网工程一处,该地网应距实验室所在教学楼地网20米以上，防止建筑物造雷击时在地网之间击穿。
接地电阻要求小于2欧姆。
地网可以采用目字网格形状，根据阻值大小可适当增加垂直接地极数量。
在实验室周围的土壤中接地体可使用镀锌角钢，一般采用40×40×4（mm）或50×50×5（mm）的角钢，长度为2.5m，端部削尖，以便打入土中。
接地体连线一般用4×40（mm）的扁钢或Φ16mm2的圆钢相连接（如下图）.
埋入接地体时应先挖一地沟，深度应在0.7m以下.
焊接接地体和接地体连线时一定要焊接牢靠，防止假焊。
焊接完后，对此焊接处和连接接地体露出钢的地方，都要作防腐处理。
焊接具体方法要求如下：
接地线连接时一般采用对焊。
如果是扁钢，焊缝长度为扁钢宽度的两倍；如是圆钢，焊缝的长度应为圆钢直径的6倍。
接地体连线向地面引出时最好多引几根。
在做完接地体时，一定要先测量接地电阻值，达到设计要求后再埋土，埋土时一定要夯实。
布局：
地网应埋在实验楼后面的空地下面.距离原实验楼整个地网20米，防止击穿.布局如
图所示：
二、过电压防护
根据GB50057-2010第6.4条：
在LPZ0A或LPZ0B区交界处，在从室外引来的线路上安装的SPD，应选用符合I级分类试验的产品。
当线路有屏蔽时，通过每个SPD的雷电流可按上述确定的雷电流的30％考虑。
SPD宜靠近屏蔽线路末端安装。
以上述得出的雷电流来选用SPD。
当按上述要求选用配电线路上的SPD时，其标称放电电流In不宜小于15kA。
在工艺配电箱前端安装BC级电源避雷器，
1、第一、二级（BC级）电源防雷器选型，德国菲尼克斯PHOENIXPOWERSETBC/3+1/FM型电源防雷器,即可满足一、二级防雷保护的要求，该类型防雷产品具有如下优势。
一、响应速度快，系统响应速度为25纳秒以下。
二、残压低，相对零，零对地分别降到900V和1500V以下。
三、具有热容和过流保护功能，通过远程报警接口可提供远程监控。
四、具有老化损坏告警功能，通过远程报警接口可提供远程监控。
五、紧凑设计，节省安装空间。
六、不受导线解耦距离限制。
七、不受工作电流限制。
八、节省能源，无须使用解耦器，不在产生因电感线圈带来的热耗散。
项目
型号
技术参数
POWERSETBC/3+1/FM
标称电压 UN
230V/400V
最大持续工作电压UC
260V/440V
通流量Iimp
155KA
响应时间ta
25ns
保护水平（8/20）
0.9KV
IP等级
IP20
阻燃等级
V0
（建议）在配电室总电源处安装B级电源避雷器
第一（B级）电源防雷器选型，德国菲尼克斯PHOENIXFLT35/3+1型电源防雷器,即可满足一级防雷保护的要求，该类型防雷产品具体参数如下。
项目
型号
技术参数
FLT35/3＋1
标称电压 UN
400V
最大持续工作电压UC
440V
通流量Iimp（10/350）
100KA
响应时间ta
1μs
保护水平（8/20）
0.9KV
IP等级
IP20
阻燃等级
V0
2、第二级防护处理措施（雷达配电箱电源系统防护）：
在雷达配电箱电源安装德国PHOENIX电源防雷器VAL-MS230IT/3+1/FM。
VAL－MS230IT系列产品具有以下特点：
⏹VAL-MS230IT/3+1防雷器最大通流量为40KA/相（8/20us）；
⏹VAL-MS230IT/3+1最大持续工作电压为385V，在电网出现波动时仍能正常使用；
⏹VAL-MS230IT/3+1型防雷器提供共、差模保护方式（L－N，N－PE保护）；
⏹脱扣机构采用专利脱扣保险装置，焊点采用温控断路技术，内置过流保护装置，避免短路事故与火险发生（其失效安全性能够在防雷器损坏后可靠与电网脱离保证线路的安全）；
⏹N－PE模块是全球唯一具热脱扣指示装置防雷模块，能够泄放12KA（10/350us）雷电流；
⏹每个模块基座上都编有码环，不同电压等级、不同类型模块编码环不同，防止插错插反；
⏹热脱扣装置位于压敏元件的顶端，当压敏元件出现失效变型，压敏电阻受热从中间向两侧扩张，不会挤压脱扣装置，从而保证脱扣机构能正确指示压敏元件损坏情况；
⏹热脱扣装置双弹簧结构，避免单弹簧易疲劳、易损坏的缺点，使脱扣机构更安全、更稳定；
项目
型号
技术参数
VAL-MS230IT/3+1-FM
IEC类别/VDE规格等级/EN类型
II/C/T2
标称电压 UN
230V
最大持续工作电压UC
385V
额定通流量In（8/20）μs
20KA
最大通流量Imax（8/20）μs
40KA
响应时间ta
25ns
保护水平（8/20）
1.6KV
IP等级
IP20
环境温度
-40℃至80℃
阻燃等级
V0
3、在终端设备前端（通信设备、雷达设备和空调等）加装德国PHOENIX电源防雷插座CBT-SCHUKO。
做第三级防雷保护，使防雷效果更完善。
其产品外形和技术参数见下表。
项目
型号
技术参数
CBT-SCHUKO
标称电压 UN
230V
最大持续工作电压UC
250V
标称通流量In
2.5KA
最大涌流量Imax
8KA
响应时间ta
25ns
保护水平（8/20）
1.1KV
IP等级
IP20
阻燃等级
V0
防雷器安装位置示意图
三、等电位设计
1、实验室内主要金属构件（包括门、窗）和进入房间的金属管道
2、供电线路含外露可导电部分
3、防雷装置
等电位联结内各联结导体之间的连接采用焊接。
焊接处不应有加渣、咬边、气孔及未焊情况
等电位联结端子板应采用螺栓连接，以便于拆卸进行定期检测，
等电位连联结及端子宜采用铜制材料；基础采用钢材进行等电位联结
实行等电位连接的连接体为金属连接导体和无法直接连接时而做瞬态等电位连接的电涌保护器（SPD）
通过星型（S型结构或网形M型）结构把设备直流地以最短的距离连到邻近的等电位连接带上。
小型机房宜选S型，在大型机房宜选M型结构。
经考察，该实验室应采用网形M型结构更合理
四、室内电气设备的接地
在机电设备安装过程中，电气设备的接地是必不可少的，接地系统的正确安装不仅可以保护建筑物和设备免遭意外的故障电流或雷电导致的损坏，而且还具有保护人身安全的作用。
对于复杂的建筑物如智能化建筑和复杂的大型重要设备，常规的接地方法可能无法以满足要求，应当对接地安装工程中的土壤影响、接地电阻的测量进行具体分析。
１.1电气系统中需保护接地的范围
下列电气装置外露可导电部分，除另有规定者外，均应保护接地：
－电机、变压器、电器、携带式及移动式用电器具等的底座和外
壳；
－电气设备传动装置；
－互感器的二次绕组；
－配电屏（箱）、控制屏（箱）、各类箱体操作台等金属的框架；
－户内外配电装置的金属构架和钢筋混凝土构架以及靠近带电
部分的金属围栏和金属门等；
－封闭式组合电器和箱式变电站的金属箱体；
－电力电缆和控制电缆的金属护套，穿线的金属管；
－电气用各类金属构架、支架等；
－电缆桥架、电缆线槽及金属支架；
－电涌保护器；
－发电机中性点外壳、发电机出线柜和封闭式母线（密集型或空
气绝缘型）金属外护层；
－装有避雷线的电力线路杆塔；
－在非沥青地面的居民区，无避雷线小接地电流架空电力线路的
金属杆塔和钢筋混凝土杆塔；
－安装在配电线路杆塔上的开关设备、电容器等电力设备。
１.2电气系统中不需保护接地的范围
下列电气装置外露可导电部分，除另有规定者外，可不做保护接
地：
－电气装置安装在非导电场所，其地板和墙体对地绝缘电阻：
额
定电压500V时，绝缘电阻不小于50kΩ；额定电压超过500V时，绝
缘电阻不小于100kΩ，可使用0级设备。
在该场所内，人体伸臂2m
范围内，不会同时触及两个外露可导电部分或一个外露可导电部分和
任何一个外部可导电部分；在伸臂的范围外，该距离可缩短至1.25m。
必需采取措施防止通过外部可导电部分在该场所之外出现电位。
－超低电压（SELV）用电设备；
－安装在配电屏、控制屏和配电装置上的电气测量仪表、继电器
和其它低压电器等的外壳，以及当发生绝缘损坏时，在支持物上不会
引起危及人身安全电压的绝缘子金属底座等；
－安装在已接地的金属构架上的设备，如套管等（应保证电气接
触良好）；
－额定电压220V及以下的蓄电池室内的支架；
－与已接地的机床机座之间有可靠电气接触的电动机和电器外
壳；7
－双重绝缘的用电设备；
－采用电气隔离保护方式供电的用电设备，隔离变压器的每个绕
组，只供电给单台设备；每个绕组供电给多台设备时，各设备间应做
不接地的等电位联结。
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