智能化大厦综合布线系统防雷与接地技术Word文档格式.docx

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1智能大厦PDS系统遭受雷击的因素

　　PDS系统作为整个大楼的核心要害信息中枢，自然要预先消除任何事故诱发的因素。

直击雷及雷击时雷电电磁场分布、接地系统。

各个子系统的配电单元及计算机网络与外界联系的信号数据线、建筑物内部较长的网络数据线，卫星小站的高频头、天馈线应该是雷击的核心。

对于雷电电磁场的影响，主要是雷击大楼时雷电流在建筑物的分布直接影响到网络系统设备，特别是对雷击敏感的计算机控制单元及数字终端设备在智能大厦的布局，合理的布局可将雷害的损失降低到最低限度。

大楼采用联合接地，均压等电位可有效解决地电位升高的影响，而在大楼内设备间、建筑群子系统、管理子系统、垂直和水平子系统、配电系统、UPS、交换机、服务器、Hub、监控系统、终端设备的接口处安装浪涌保护装置，并对大楼的出入缆线采取屏蔽、接地等措施，可有效减少雷电对信号及网络系统的侵害。

卫星通信及无线通信天馈线屏蔽与接地，根据馈线的长度辅以同轴雷电过电压保护器可充分抑制雷电流通过馈线系统进入卫星收发信机的量级。

2PDS系统的雷电过电压保护

2.1PDS配电系统的雷电过电压保护

　　配电系统雷电过电压保护并非简单应用雷电过电压保护器件，而是运用电磁兼容原理，根据雷电保护区的划分，对一个需要保护的系统进行综合、多级雷电过电压保护。

传统的雷电浪涌保护方法，在选择浪涌SPD件时，仅考虑被保护的通信设备本身，没有根据电磁兼容（EMC）原理，把局部或单一的防护措施归结到系统防雷，即整体防护的概念。

由于缺乏系统整体观念，容易导致在电源系统网络，甚至在雷电防护的薄弱环节不同点安装过电压保护器时，各类防护器件相互之间不能控制和相互协调。

由于防护器件在设计时，其防护性能仅仅考虑被保护设备本身的需求，而对于系统的防护，各级防护器件是相辅相成，互相影响的，若用于局部防护的过电压器件不能有效发挥其防护性能，就会影响整体防护。

另外，还有一个重要的立论基础：

“雷电过电压保护设计必须是建立在联合接地基础上”。

2.1.1PDS系统设备间雷电过电压保护

　　在智能大厦配电变压器低压侧应安装标称放电电流不小于100kA的过压型SPD（包括主楼与各建筑群低压电缆引入子系统间的配电箱前）。

低压电力电缆引入设备间机房人口处（在交流稳压器或交流配电屏前），相线及零线应分别对地加装过压型SPD，其标称放电电流应大于20kA（相应的最大通流量为50kA）。

并且，在SPD回路中串接保险丝，其主要目的是防止SPD因各类因素损坏或由于暂态过电压使SPD燃烧（国内外各类系统曾发生过多次此类事故，国内外防雷公司的SPD产品在工程上都要求采用串接保险丝，IEC60364-5-534《过电压保护装置》对此有专门论述），影响供电线路的正常工作（由于以往的规范忽视了在SPD并联回路中串接保险丝，从而给正常供电带来了隐患）。

保险丝标称电流的量级一般为上一级保险丝的1-1.6倍。

　　根据对雷电活动区的划分以及智能大厦的分类、所处的地理环境、建筑物的形式、供电方式的情况，在设计中对电源SPD提出了不同要求。

2.1.2PDS系统二级交接间、各管理子系统设备间的雷电过电压保护

　　在智能大厦配电低压电力电缆引入二级交接间或各管理子系统设备间机房人口处，相线及零线应分别对地加装过压型SPD，其标称放电电流应大于20kA（相应的最大通流量为50kA）；

2.1.3各设备间机房内的雷电过电压保护

　　交换机、Hub、路由器、网络服务器、远程传感器控制系统、测试仪表的拖板式电源插座排内应安装标称放电电流为10kA的电源SPD。

另外，各类设备应避免直接使用建筑物外墙体的电源插座，直流供电系统也应加装SPD进行保护。

2.1.4两级SPD的隔距

　　按照国内外有关文献及标准，根据两级SPD的类型，SPD对雷电反应时间的长短，连接线缆的材料粗细都有要求。

当两级都为MOV时，连接线缆隔距一般要求为3-5m；

当两级SPD为不同器件时，连接线缆隔距一般要求为10m或连接线缆电感量为7-15H。

因此，为了有可操作性，当上一级为雷击电流型SPD，次级采用过压型SPD时，两者之间的配电缆线隔距应大于10m。

当上一级SPD与次级SPD都采用过压型SPD时，两者之间配电缆线的隔距应大于5m。

2.2PDS计算机网络系统的雷电过电压保护

2.2.1信号系统的雷电过电压保护

　　根据ITU-TK11规定笔者建议应坚持《过电压和过电流防护的原则》电磁兼容的基本原理，配线架与程控交换机用户板过电压和过电流防护的关系应是相辅相成的。

作为出入通信局站的市话电缆，是雷电过电压和用户线与电力线碰线引人的过电流的主要诱因。

由于配线架与程控交换机用户板都具备抗击雷电过电压和过电流的能力，作为第一级配线架的保安单元与第二级程控交换机用户板的保护电路之间有一个协调的关系，第一级用于一次保护的元件与第二级用于二次保护的元件作用是不同的。

雷电过电压和工频过电流防护的原则：

第一级的保护元件要承受雷电过电压和工频过电流的主要能量，而第二级保护元件则承受经过第一级保护后剩余的能量，第一级是粗保护，而第二级则是精细保护。

第一级元件需承受较大的能量，因为元件选择问题，所以元件参数动作反应时间可能较慢；

而第二级是精细保护，承受的能量较小，故元件参数动作反应时间可以较快。

　　通信行业标准目前还没有提出在智能大厦使用总配线架保安器的应用要求，在YD／T694-1998《总配线架》技术要求中也未作规定，因此，本文根据雷电活动区的划分，提出了各类保安单元的应用条件，并且对总配线架必须就近接地的原则和缆线的雷电过电压保护提出了要求，从智能大厦防雷的角度出发，应考虑以下措施：

（1）进楼电缆应从地下入局；

（2）进楼电缆的金属外护套应在智能大厦进线室内就近接地或与地网连接后再人局；

　　（3）进楼电缆的信号线均应对地加装信号SPD后，再接入网络系统，电缆内的空线对应作保护接地；

　　（4）地处少雷区、中雷区的智能大厦的市话配线箱，可采用由气体放电管或半导体放电管（SAD）与正温度系数热敏电阻（PTC）组成的保安单元；

　　（5）地处多雷区和强雷区的市话配线箱，必须采用由半导体放电管（SAD）与高分子PTC组成的保安单元；

　　（6）总配线架必须就近接地是关系到配线架的保安单元能否对交换机用户板起到有效保护的关键问题。

在机房总体规划时，总配线架宜安装在建筑物的低层，接地引入线应从地网两个方向就近分别引入（从地网在建筑物预留的接地端子接地或从接地汇集线上引人）；

　　（7）市话电缆空线对，应在配线架上接地。

2.2.2建筑物内部计算机网络系统的雷电过电压保护

　　长期以来，建筑物防感应雷都是以防止雷电涌沿外线路感应为主，随着网络系统的电子化、高度集成化、微型计算机控制、智能化，特别是数字通信技术的发展，通信系统对雷电的承受能力下降，特别是智能大厦内计算机、控制终端、监控系统、终端设备更容易遭受雷电的侵害。

由于在智能大厦内集中了交换机、传输设备、监控及网络设备、控制终端、电源、无线设备等系统，各系统之间的内部连接线路纵横交错、非常复杂，连接线路可达100～200m，这些连接线路因雷电电磁场的感应，将雷电浪涌传到系统之间的接口电路中去，对浪涌较为敏感的接口电路产生影响和冲击。

另外，由于线缆物理结构上的差异，对雷电电磁场感应影响的大小也有所不同，因而就要求这些通信系统的接口应具有更好的防雷性能。

　　IEC-61644对连接通信、信号网络接口的浪涌保护装置提出了基本的要求和测试方法，ITU-TK系列文件对于各种通信系统的雷电保护和测试也提出了指导性方法，最近，ITU推出的K41建议——《电信中心内部通信接口抗雷电过电压能力》中，主要涉及的是不出局且长度在100m左右的网络数据线。

该建议的推出表明，国际上已经将电信中心内部通信接口抗雷电过电压的要求提到很重要的位置上。

这些文件表明：

“建筑物内部的计算机雷电防护方法和SPD的应用已趋成熟，并走向规范化”。

　　另外，通过邮电部设计院对深圳、江门、茂名、东莞、韶关、南昌、湖南、河北、南宁等十几个省市的通信大楼雷害事故的统计表明：

楼内网络接口设备、计算机控制终端、交换机的CPU控制模块、交换机及移动通信的控制终端、微机接口电路、设备测试台、交换机计费系统微机、营业厅内的收费微机、营业用多路计费器、测量室自动测量系统、监控系统等雷击损坏的事故时有发生。

另外，移动通信、微波站内的网管监控及干线监控、遥信接口、数据采集板等设备也时遭雷击。

这表明，计算机、控制终端及网络设备的接口是防雷电浪涌侵入的薄弱环节。

国外的研究表明：

“现代数字化网络系统的控制计算机，对雷电极为敏感。

即使几公里以外的高空雷闪或对地雷闪出也有可能导致这些网络系统的薄弱环节计算机CPU控制中心误动或损坏。

根据国外资料统计，0．03高斯的磁场强度可造成计算机误动，2.4高斯即可使元件击穿”。

　　从另一个方面讲，国外厂商早在20世纪90年代初期（国内在1995年前后）就已经推出了大量的计算机、控制终端及网络设备用的SPD，并已有很大规模。

其中，用于计算机、控制终端及网络设备的SPD已经系列化，并且其质量和性能完全能满足通信系统的要求。

另外，由于半导体放电管的出现，其元件的特殊性及优良品质使得用半导体放电管元件组合的SPD可以免去每年的例行检测，且保证了通信系统安全可靠的运行。

　　因此，对智能大厦计算机、控制终端及网络设备进行雷电过电压保护的条件已经成熟，从减少成本和合理投资的角度出发，建议仅对建在多雷区、强雷区的智能大厦内的计算机、控制终端及网络设备进行雷电过电压保护，对于建在中雷区的智能大厦内的计算机、控制终端及网络设备，如果该区时有雷击损坏的事故发生，则应参考执行。

另外，从智能大厦的调研情况看，现有的智能大厦计算机、控制终端及网络设备的数据线，由于各方向的线数不多、控制单元分散，一般都用的是无屏蔽的线缆，改为屏蔽线和串金属管线在施工和运作方面都有困难（垂直管线除外），而且成本将非常高，而安装SPD既经济、又方便，并且提高了通信系统安全可靠性。

对智能大厦计算机、控制终端及网络设备实施雷电过电压保护，可参照下列条款：

（1）智能大厦内计算机、控制终端及网络数据线的雷电过电压保护设计应根据其在大楼内具体的雷电保护区位置、保护等级来确定SPD的保护参数；

（2）建在城市内，地处中雷区以上的智能大厦内计算机、控制终端及各类网络数据线，若长度小于50m，各类网络数据线宜穿金属管道（金属管道应电气连接），金属管两端应就近与均压网焊接。

建在郊区或山区，地处多雷区、强雷区内的智能大厦的计算机、控制终端及各类网络数据线，若长度小于30m，各类网络数据线宜穿金属管道，金属管两端应就近与均压网焊接；

　　（3）建在城市，地处中雷区以上的智能大厦内的计算机、控制终端及各类网络数据线，若长度大于50m而小于100m，应在设备的一端采用数据线SPD保护，若长度大于100m，应在两端采用数据线SPD保护；

　　（4）建在郊区或山区，地处多雷区、强雷区的智能大厦内计算机、控制终端及各类网络数据线，若长度大于30m、小于50m，应在设备的一端采用数据线SPD保护，若长度大于50m，应在两端采用数据线SPD保护；

　　（5）地处多雷区以上的智能大厦对于有出人网络数据线的设备，雷电过电压保护设计必须采用下列措施：

　　①控制及数据采集用的计算机接口应采用计算机接口SPD保护；

　　②在局域网工作站的输入端及文件服务器前应采用数据线SPD；

　　③出人大楼的各类金属数据线两端设备必须采用数据线SPD保护；

　　（6）出人大楼的各类金属信号线应穿金属管后，再从地下引入其他机房，金属管两端应就近与地网焊接。

2.2.3建筑物内PDS系统与外界有联系的传输设备的雷电过电压保护

　　邮电部设计院对全国十几个省市智能大厦的雷害调研表明，“许多出入智能大厦的电缆及光缆未按智能大厦的标准进行接地处理，由于进入大楼的PCM电缆芯线未加装保安单元，特别是进入无线智能大厦的缆线未加装保安单元，致使PCM接口、PCM逻辑盘、话路板以及2Mb接口被雷击坏的事故时有发生”。

而这些存在的问题，正是IECl312和ITU-K系列文件专门论述的要点，为了减少雷害事故的发生，这些问题更应引起我们的注意。

（1）出人智能大厦的电缆，应在进线室将金属铠装外护层做接地处理；

（2）出入智能大厦的光缆，应将缆内的金属构件，在终端处接地；

　　（3）进入智能大厦的PCM电缆芯线应加装保安单元，空线对应就近接地；

　　（4）进入无线智能大厦的缆线应加装保安单元后，再与上下话路的终端设备相连。

2.3卫星、无线天馈系统的雷电过电压保护

　　根据对广东、福建、广西、湖南、浙江、辽宁等省无线系统的雷击情况调研，由天馈线引入的雷电浪涌损坏通信设备的事故概率是小概率事件。

鉴于无线通信系统依据所处的具体地理环境来确定同轴SPD的安装原则，并根据电磁兼容的原理，提出同轴SPD接地端子的接地引线应在机房外接地。

另外，无线通信的天馈线的雷电过电压保护还应满足：

（1）建在城市内孤立的高大建筑物或建在郊区及山区，地处中雷区以上的无线系统，当馈线采用同轴电缆，且长度超过30m时，应在同轴电缆引进机房入口处安装标称放电电流不小于5kA的同轴SPD，同轴SPD接地端子的接地引线应从天馈线人口处外侧的接地线、避雷带或地网引接；

（2）建在城市内孤立的高大建筑物上的卫星站，其馈线系统应穿铁管（铁管应与避雷带焊接相连）并且馈线两端应接地后再进入机房。

2.4智能大厦遥控、监控系统雷电过电压保护设计

（1）出入智能大厦的遥控、监控系统控制线必须埋地，线缆的金属外护套两端应就近接地；

（2）建在中雷区以上的智能大厦，其内部的遥控、监控系统的缆线（缆线中含控制、电源、视频线），若长度大于50m小于100m时，应在设备的一端采用SPD保护，若长度大于100m，应在两端采用SPD保护。

对于出入智能大厦的遥控、监控系统的缆线（缆线中含控制、电源、视频线），应在两端分别安装SPD保护；

　　（3）出入智能大厦遥控、监控系统的缆线若采用光缆传输信号，应将缆内的金属构件在两端接地，无需采用SPD保护。

但为两端设备供电的电源芯线应对地安装标称导通电压大于供电电压最大值10V，标称放电电流为10kA的过压型SPD（应根据3．6．2条对长度要求的内容确定一端或两端采用SPD保护）；

　　（4）监控信号采集器的遥信输入端应加装由SAD组成的数据线SPD；

　　（5）监控系统的云台、防雨罩必须就近接地。

2.5PDS雷电过电压保护器件的选择

2.5.1配电系统的雷电过电压保护器件的选择

（1）电源用雷电过电压保护器件的选择，雷电过电压保护器件包括：

　　浪涌保护器的分类：

根据IECl312-1（通则）、IEC-1312-3（浪涌保护器的要求）、IECl643-2（低压系统的浪涌保护器）及ITU-TK36（保护装置的选择），浪涌保护器（SurgeProtectiveDevices简称SPD）可由气体放电管、放电间隙、MOV、SAD、齐纳二极管、滤波器、保险丝等元件混合组成。

国内外各种类型SPD产品一般都由这些元器件组成。

浪涌保护器可分为三类：

电压开关型SPD（VoltageWwitehingTypeSPD）；

限压型SPD（VoltageLimitingTypeSPD）；

组合型SPD（CombinationTypeSPD）。

　　雷击电流型SPD（归属于电压开关型SPD类）：

是安装在通信局（站）建筑物外雷电保护区0区的SPD，可最大限度地消除电网后续电流，以疏导10／350μs的模拟雷电冲击电流（无论这些电流是远处的雷电过电压还是由直击雷引起的）。

雷击电流型SPD一般由高性能火花隙组成，它的特点是放电能力强，但残压较高，通常为2000~4000V，检验测试器件采用一般10／350μs的模拟雷电冲击电流波型。

　　限压型SPD：

限压型SPD一般由氧化锌压敏电阻（MOV）及半导体放电管（SAD）等元器件组成，是安装在雷电保护区建筑物内的SPD，可疏导8／20μs的模拟雷电冲击电流，在过电压保护中具有逐级限制雷电过电压的功能，检验测试器件的残压一般采用8／20μs的模拟雷电冲击电流波型。

　　混合型电源SPD：

半导体放电管（SAD）与MOV组成的混合型电源SPD。

　　半导体放电管主要技术特征包括：

对浪涌电压的响应速度非常快，与原有的保护单元相比，对陡峭的雷击电压可以充分抑制，这样使原来的保护单元多级保护设计变得简单，而且更加小型化；

利用半导体内部的电子和空穴原理进行工作，不存在劣化问题，保养简单，使用寿命增加；

用硅PN结的工作原理设计半导体放电管，其双向、单向、开关动作均能自由、精确地设计出来，一致性较好。

因此，采用半导体放电管（SAD）与MOV组成的混合型电源SPD，可能利用SAD对浪涌电压的响应速度非常快等特点，在一般雷电过电压的保护时，由SAD承受浪涌电流，其标称放电电流可达10~20kA；

若遇到较大量级的雷电过电压，第一级由SAD组成的电路保险管可自动断开，由第二级MOV作为雷电过电压保护，作为混合型电源SPD，其MOV能承受冲击通流能量一般大于100kA。

　　MOV与滤波器组成的混合型电源SPD：

根据一个典型的沿配电线路侵入的雷电波，其浪涌波形是符合傅立叶变换的，其大部分能量分量具有相对较低的频率，采用MOV与滤波器组成的混合型电源SPD在同一测试条件下，可以具有比单一并联的SPD更低的残压。

RFI滤波器可对150kHz~20MHz的雷电波进行滤波；

标称放电电流40kA时残压可小于1000V。

（2）SPD技术参数和名称术语：

　　标称导通电压：

在施加恒定直流lmA电流的情况下，MOV启始动作电压。

　　SPD的标称放电电流：

用来划分SPD等级，具有8／20μs、10／350μs模拟雷电电流冲击波的放电电流。

　　冲击通流容量：

SPD不发生实质性破坏而能通过规定次数、规定波形的电流峰值最大限度。

　　SPD残压：

模拟雷电冲击电流通过SPD时，SPD端子间呈现的电压（其中采用MOV的限压型SPD，残压的大小与采用元件的直流1mA参考电压、元件的组合形式及所承受的雷电电流大小等参数有关）。

　　10／350s与8／20μs模拟雷电电流冲击波能量的比较：

10／350μs是描述建筑物遭受直击雷时的模拟雷电电流冲击波，脉冲为10／350μs波形的电荷量约为8／20μs模拟雷电电流冲击波电荷量的20倍。

即：

Q（10／35μs）≌20Q（8／20μs）由于10／350μs模拟雷电电流冲击波的能量远大于8／20μs模拟雷电电流冲击波的能量，因此，一般需要使用电压开关型SPD（如放电间隙、放电管）才能承受10／350μs模拟雷电电流冲击波，而由MOV、SAD组成的SPD所承受的标称放电电流是8／20μs模拟雷电电流冲击波。

　　（3）SPD的功能要求。

　　电源用SPD模块及SPD箱的功能既要满足SPD一般性能的需要，又要考虑环境集中监控对SPD性能监控的要求。

另外，根据IECl643-1相关条文规定，用于电源配电系统、由MOV、SAD及滤波器组成的混合型SPD在国内外通信局（站）已经大量使用。

　　一般要求：

SPD应根据雷电保护区分区原则，按照雷电保护区所在位置正确选用；

SPD的残压并非是衡量SPD好坏的唯一指标，选择SPD应在同一测试指标下考虑SPD所选元器件的参数及元器件组合方式；

SPD的选择应考虑通信局（站）遥信及监控的需要；

用于交流系统的过压型SPD标称导通电压一般为Un=2.2U（U为运行工作电压的最大值）；

用于直流系统的过压型SPD标称导通电压一般为1.5U≥Un≥1.2U（U为运行直流工作电压的最大值）。

功能要求：

建在城市、郊区、山区等不同环境下的通信局（站），设计选用过压型SPD时，必须考虑通信局（站）供电电源的不稳定因素，对SPD的标称导通电压提出要求；

通信局（站）采用的雷电过电压模块SPD，应具有以下功能：

SPD模块损坏告警、遥信插孔、SPD模块替换、热容和过流保护；

通信局（站）采用的雷电过电压保护电源避雷箱，应根据通信局（站）的具体情况，具有供电电压显示、SPD模块损坏告警、雷电记数、保险跳闸显示、备用SPD模块自动转换、遥信插孔、SPD模块替换、浪涌识别抑制器、热容和过流保护等功能，可根据用户要求进行选择。

　　SPD冲击通流容量的选择。

单纯从价格的意义上讲，冲击通流容量较小的SPD的价格小于冲击通流容量大的SPD，但从技术经济比的角度去考虑问题，可能这一观点又有了新的含义，通流容量是指SPD不发生实质性破坏而能通过规定次数、规定波形的最大电流峰值，冲击通流容量较小的SPD在通过同样的雷电流的条件下其寿命远小于冲击通流容量大的SPD。

根据有关资料介绍：

“MOV元件在同样的模拟雷电流8／20μs、10kA测试条件下，通流容量为135kA的MOV的寿命为1000-2000次，通流容量为40kA的MOV的寿命为50次，两者寿命相差几十倍（据笔者分析，被测试的MOV元件可能是由小通流容量的MOV组合型的产品。

但测试结论也可以说明，冲击通流容量较小的SPD在通过同样的雷电流的条件下其寿命远小于冲击通流容量大的SPD）”。

由于配电室、电力室人口处的SPD要承受沿配电线路侵入的浪涌电流的主要能量，因此，其SPD在满足人口界面处标称放电电流要求的前提下，可根据情况选择较大通流容量的SPD。

2.5.2网络数据线雷电过电压保护器件的选择

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