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学校综合防雷方案

2018-12-26 23:18:57 luckfishtao 0
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一、前言

雷击已成为大自然的严重自然灾害之一,学校是教书育人,学生聚集的地方,防雷设施尤其重要。近几年来,随着教育事业的快速发展,学校高层建筑物不断增多,电化教育、远程教育等信息技术应用日益普及,雷电隐患也随之增加。2007年5月23日,重庆市开县兴业小学遭受雷击,造成7名学生死亡、39人受伤的重大雷击事故,由此可见,学校做好防雷设施的预防是多么的重要。 

为了保证电子设备的正常运行和人员的安全,必须设计完整有效的防雷方案。

二、现代防雷基本知识

根据不同的破坏机理,雷这种特殊的自然放电现象表现为两种形式:直击雷和感应雷。

直击雷是指带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。其破坏原理主要是机械破坏作用,体现在楼房顶角被雷击落一块水泥,大树被雷劈开,屋外的人畜被雷打死等;带电云层由于静电感应作用,使某一范围带上异种电荷,直击雷发生以后,云层带电迅速消失,而地面某些范围由于散流电阻的存在,以至出现局部高电压;或者由于直击雷放电过程中,强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象,叫做“二次雷”或称“感应雷”,其破坏机理主要是电子设备的过压击穿,造成设备故障或损坏,严重者造成设备整机报废。

“直击雷”是在短时间内以脉冲的形式通过强大的电流,它的峰值有几十KA乃至几百KA,峰值时间很短,以us计的;“感应雷”没有直击雷那么猛烈,但它发生的机率远比直击雷高得多。因为直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害,而感应雷则不论雷云对地闪击,或者雷云对雷云之间闪击,都可能发生并造成灾害。此外,直击雷一次只能袭击一两个小范围的目标,而一次雷击可以在比较大范围内多个小局部同时发生感应雷过电压现象,并且这种感应高电压可以通过电力线、网络线等金属导线传输到很远,致使雷害范围扩大。特别是随着大规模集成电路的应用,防雷已由以前的防直击雷为主发展到今天的综合防雷。

直击雷的防护一般采用楼顶安装避雷带、避雷针等,配合引下线、地网以保护建(构)筑物及建(构)筑物内人员的安全;感应雷的防护主要采用线路上安装雷击过电压保护器,即防雷器,配以线路屏蔽接地、等电位接地处理等综合运用,以保护设备的安全。因此,只是防直击雷或只防感应雷都是不全面的,而应进行综合防雷。

三、现场分析

该学校的建筑物主要有一号楼、二号楼、科技楼、体育馆、食堂、二栋学生宿舍楼组成,其中一号楼是机房所在地,机房内有在较多电子设备,需要做为一个重点防感应雷保护。另外在场外还有监控系统的前端设备也在重点防感应雷保护之内,七栋建筑物不但需要安装完善的直击雷防护设施,还要做好接地、等电位连接和防感应雷保护措施,从而形成一个完善的综合防雷系统。

四、设计依据

1、GB50057-2010《建筑防雷设计规范》

2、GB50174-2004《电子计算机房设计规范》

3、JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》

4、GB9361-88 《计算机场站安全要求》

5、GB7450-87 《电子设备雷击保护导则》

6、GB2887-89 《计算站场地技术文件》

7、GB9361-88 《计算站场站安全要求》

8、GB50169-92 《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》

9、JGJ/T16-92 《民用建筑电气执行规范》

10、IEC1312 《雷电电磁脉冲的防护》

11、XQ3-2000 《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》

五、防雷设计思路

由于学校供电、信号系统防护点多、面广,因此,为了保护建筑物和建筑物内各向电子网络设备不受雷电损害或使雷击损害降低到最低程度,应从整体防雷的角度来进行防雷方案的设计。现在都采取综合防雷,综合防雷设计方案应至少包括5个方面:直击雷的防护、感应雷的防护、屏蔽、等电位联结、防雷接地,缺少任何一方面都是不完整的,有缺陷的和有潜在危险的。

(一)、直击雷的防护   

如果无直击雷防护,按IEC1312的估算几乎所有雷电流都流经进出建筑物的导体型线路(如电源线、信号线等)侵入设备,这样的损害就非常之严重,因此做好直接雷击防护是做感应雷击防护的前提;直击雷防护按照国标GB50057《建筑物防雷设计规范》设计和施工,主要使用避雷针、避雷网、避雷线、避雷带及良好的接地系统,其目的是保护建筑外部不受雷击的破坏,给建筑物内的人或设备提供一个相对安全的环境。  

(二)、感应雷的防护  

1、主供电源系统的防护

统计数据资料表明,微电子网络系统80%以上的雷害事故都是因为与系统相连的电源线路上感应的雷电冲击过电压造成的。因此,做好电源线的防护是整体防雷中不容忽视的一环。   

2、信号系统的防护   

尽管在电源外接引入线路上安装了防雷保护装置,由于雷击发生时,在各种信号线路(如双绞线)感应到的过电压,仍然会影响电子设备的正常运行,甚至彻底破坏电子设备系统。雷击时产生巨大的瞬变磁场,在1公里范围内的金属线路,如网络金属连线等都会感应到极强的感应雷击;另外,当电源线或信号线路传输过来雷击电压时,或建筑物的地线系统在泻放雷击时,所产生强大的瞬变电流,对于信号传输线路来说,所感应的过电压已经足以一次性破坏电子设备。即使不是特别高的过电压,不能够一次性破坏设备,但是每一次的过电压冲击都加速了设备的老化,影响数据的传输和存储,甚至死机,直至彻底损坏。所以对信号线的防雷对于系统的整体防雷来说,是非常重要的环节。   

(三)、屏蔽和等电位连接 

国家标准<建筑物防雷设计规范>GB60057—2010(局部修订条文)明确规定,各防雷区交接处,必须进行等电位联结;尤其建筑物内的计算机房等弱电机房,遭受直击智的可能性比较小,所以在此处除采取电涌保护器进行感应雷防护外,还应采用等电位联结方式来进行防雷保护。不仅要将进出机房线路的金属屏蔽管、金属桥架、配电盘的外壳、进入室内的水管、采暖瞥、机房的金属屏蔽膳、金属隔断、金属门窗以及静电地板的金属支架连接在等电位连接环(或网)上,同时还应将电气保护的PE地也接至等电位连接体上。等电位连攘在建筑的共用接地的方式,最好的方法是通过建筑的主筋来接地。

我们生话的空间存在着大量的磁场,同时雷电也会产生强烈的电磁干扰,而屏蔽是抗电磁干扰最有效的方法。要将弱电机房内的金属门窗与吊顶内的龙骨进行多次连接,如有必要,可在机房内单独作屏蔽网,采用金属管与等电位联结,与屏蔽措施相配合,所有的信息设备均应与建筑物墙壁保持1m远的距离,可有效地屏蔽电磁干扰。

静电也是产生浪涌的原因之一,静电在我们的生活中无处不在,人体因步行和移动带电有时高达2—1 0KV,可以产生对弱电系统的危害。因此防静电也是弱电机房的重要任务之一。比较常用的方法是在机房内铺设防静电地板,此外,机房内装修材料也必须是防静电的,内墙和顶棚表面应使用防静电防火墙板或喷涂导静电环氧涂料,送风管道和送风口应使用导电三聚氰氨材料,避免空气流动时产生静电积聚。

(四)、防雷接地 

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建筑物采用联合接地可有效的解决地电位升高的影响,合格的地网是有效防雷的关键。建筑物的联合地网通常由建筑物基础(含地桩)、环形接地(体)装置、工作(电力变压器)地网等组成。对于敏感的数据通讯设备的防雷,接地系统的良好与否,直接关系到防雷的效果和质量。如果地网不合要求,应改善地网条件,适当扩大地网面积和改善地网结构,使雷电流尽快地泄放,缩短雷电流引起的高过电压的保持时间,以达到防雷要求。

六、防雷设计方案

(一)、直击雷的防护

一号楼、二号楼、科技楼、宿舍、食堂、体育馆、烟囱、卫星接收天线等建(构)筑物应做避雷带或安装避雷针,避雷针保护范围应符合相关标准,有效保护建(构)筑物;避雷带应平整、顺直、牢固,无倒状、断裂;旗杆应做好接地;接地引下线应牢固、平整,且远离出入口,在距地以上1.8米以下设立绝缘保护层。

具体操作

一般采用Φ10-18的热镀锌圆钢,或是水管,沿墙一周布设。如果大楼的面积过大,则需要在楼面布设避网,与避雷带一起,形成整体的接闪系统。

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(二)、感应雷的防护

1、主供电系统的防雷

在雷击事故中,由电力线引雷而损坏电子设备占百分之八十以上,根据IEC规范、国家标准及专家建议,并根据现状及要求,应采取下列防护措施:

① 在变压器进入总配电房处并联安装我科盛电气公司的三相电源防雷箱KSJ-380BJ/160做为一级防雷,并以最短的距离将地线接到接地母排上,对整个学校的电源系统进行防雷保护。KSJ-380BJ/160 共 1 台

② 在每栋楼的总电源箱处并联安装我公司的单相电源防雷箱KSJ-380BJ/80(通流容量40-80KA)做为二级防雷(根据电压选型),并以最短的距离将地线接到接地母排上,对整栋楼的电源系统进行防雷保护。KSJ-380BJ/80共 5 台

③ 根据实际供电使用情况,在每栋楼的部分楼层并联安装我公司的单相电源防雷器KSJ-220B/40(通流容量20-40KA)做为第三级防雷(根据电压选型)。

KSJ-220B/40共 10 台

2、其它弱电系统设备感应雷防护措施

弱电系统如消防系统、保安监控系统、计算机网络系统、通信线路等,下述是针对这些系统所做防雷保护措施,

(1)、 消防系统的防雷

消防电子设备采用交流供电时,在交流电源系统中应设置SPD保护,由消防控制室引出的信号线联动控制线等,应根据建筑物的重要性,装设适配的SPD消防控制室与本地区或城市119报警指挥中心之间联网的进出线路端口应装设信号防雷器。

消防控制室内,应设置S型等电位接地网格,室内所有设备主机、联动控制盘等设备的机架(壳)配线槽、设备保护接地、电源系统保护接地、SPD接地端均应做等电位连接。

在集中火灾报警及联动控制柜处分别加装电源、控制信号防雷器。

具体安装如下:

① 在直流消防电源配电盘的直流电源系统安装KSJ-DC24/D系列的低压直流电源防雷器(根据电压选型)。KSJ-DC24/D 共 套

② 在火灾报警控制系统的报警主机、联动控制柜、火警广播、对讲通信等系统的设备前端分别加装电源防雷器KSJ-DC24/D(根据电压选型)、控制信号防雷器KSJ-K485/3P。

KSJ-DC24/D共 套;KSJ-K485/3P共 个

③ 消防控制室与本地区或城市“119”报警指挥中心之间联网的进出线路端口安装KSJ-K485/3P的通信线路防雷器。KSJ-K485/3P共 个

④ 对进出消防广播功放盘、背景音乐功放盘的信号线路安装KSJ-A60/RJ11音频信号防雷器。KSJ-A60/RJ11共 个

(2)保安监控系统防雷

监控系统一般由以下三部分组成:

前端部分:主要由摄像机、镜头、云台、防护罩、支架等组成。

传输部分:使用同轴电缆、电线、多芯线等地埋或沿墙敷设传输视频、音频或控制信号等。

终端部分:主要由画面分割器、监控器、控制设备等组成。

雷电波会沿电源线、信号传输线或进入监控室的金属管线侵入设备,造成设备损坏;或者雷云放电时产生很强的瞬变电磁场使处在电磁场中的监控设备和传输线路会感应出较大的电磁感应及带电雷云使传输线路上产生静电感应损害损坏监控设备;所以宜采取以下措施:

室内监控中心机房的防雷

① 在监控中心电源输入端安装1套我公司的KSJ-M/2AC40单相电源防雷器(通流容量20-40KA),对监控系统电源进行防雷保护。 KSJ-M/2AC40共 1 套

② 在重要设备(如硬盘录象机、画面分割器等)电源端分别安装一套我公司的KSJ-Z6/10防雷插座对设备进行精细保护。KSJ-Z6/10共 个

③ 网络交换机的防雷保护:采用KSJ-C100/RJ45 单口网络信号防雷器串联安装在网络交换机的前端,另有机架式的16路网络防雷器KSJ-C100/RJ45-16)或24路网络信号防雷器(KSJ-C100/RJ45-24)可选,安装更方便。

④ 在监控中心视频每线上安装一套我公司KSJ-V40/BNC-16型号的视频信号防雷器。另有机架式的16路视频信号防雷器KSJ-V40/BNC-16可选,安装更方便。KSJ-V40/BNC-16共 套

在报警器前端信号线接入处加装控制信号防雷器KSJ-K485/3P,对报警器的信号线做有效的防雷保护。 KSJ-K485/3P共 个

⑤ 用截面积不小于6mm2的多股铜线将主控机房和所有弱电设备间的防雷装置、金属构架、金属装置、外来导体、电气和电讯装置连接至接地母排做等电位连接。

由于监控摄像机有部分处于建筑物内,建筑物有一定的屏蔽作用,不易受到直击雷的影响,因此,在室内的摄像机不需考虑直击雷防护,但需做感应雷防护;在室外的立杆上的摄像机因所处位置较高,易遭直击雷的影响,因此,要考虑直击雷的防护和感应雷的防护。

① 在室外摄像机的立杆上安装一支短避雷针,以保护立杆之上的摄像机不遭直击雷的袭击。避雷针引下线可采用镀锌圆钢或多股电缆线与大地可靠连结,接地电阻小于10欧;在某些不方便施工的场所(比如立杆位于水泥地面)也可利用摄像机立杆做引下线,前提是立杆必需接地良好,符合接地电阻要求。

② 球机防雷:在每台球形摄像机前端的电源、视频、控制线上安装一套我公司KSJ-DVK220监控摄像机专用三合一防雷器,根据摄像机供电电压不同,有12V、24V、220V可选。KSJ-DVK220共 套

③ 枪机防雷:在每台固定式摄像机前端的电源、视频线上分别安装我公司KSJ-DV220监控摄像机电源视频二合一防雷器。根据摄像机供电电压不同,有12V、24V、220V可选。KSJ-DV220 共 套

④ 监控系统的电源线、信号线的传输过程中必须进行屏蔽埋地处理,可在电缆进入终端和前端设备前穿金属管埋地引入,在入户端将电缆金属外皮、钢管同防雷接地接置相连。

注:防雷器安装在离被保护设备距离越近越好。

(3)、屏蔽和等电位连接

建筑物之间的连接电缆应敷设在金属管道内,这些金属管道从一端到另一端应全线电气贯通,并连到各建筑物的等电位连接带上。电缆屏蔽层也应连到这些连接带上。

将进入大楼的各类金属管线的屏蔽层、机架等在进入大楼前进行等电位连接后接地,在进入设备房前再进行二次等电位连接后接地。

在建筑物入口处,即LPZ0B与LPZ1区交界进行总等电位连接后接地,在后续的雷电防护区交界处按总等电位连接的方法进行局部等电位连接,连接主体包含系统设备本身(含外露可导电部分)、PE线、机柜、机架、电气和电子设备的外壳、直流工作地、防静电接地、金属屏蔽线缆外层、管道(水管、采暖和空调管道等金属管道)、屏蔽槽、防雷器器SPD的接地等均以最短的距离就近与这个等电位连接带直接连接。

架空电力线由于终端杆引下后应更换为屏蔽电缆,进入大楼前应水平直埋50m以上,埋深于地面下0.6m以上,屏蔽层两端接地,非屏蔽电缆应穿镀锌铁管并水平直埋50m以上,铁管接地。

在计算机机房、监控机房、消防机房、程控交换机房等防静电地板下面沿墙四周分别加装等电位铜排,规格40mm*3mm。机房内的安全保护接地,信号工作地,屏蔽接地,防静电接地和防雷器接地等均应连接到局部等电位接地端子板上。机房内金属设备、机柜外壳等均连接到等电位铜排上做保护接地,保护接地线用6mm2多股绝缘铜地线。防静电地板支架与等电位铜排的接地采用软铜带。等电位铜排与层接地端子的连接,采用不小于35mm2多股绝缘铜地线。

等电位采用M型等电位连接网络。

各级防雷器(SPD)连接导线应平直,其长度不宜超0.5米。带有接线端子的电源线路应采用压接;带有接线柱的防雷器宜采用线鼻子与接线柱连接。

(4)、防雷接地系统

接地是防雷系统重要的组成部分,只有将雷电流的能量泄放到大地,才能可以保证电子设备免遭雷击灾害;等电位连接的目的,在于减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差,防止雷电反击。因此必须建立完善的接地系统及等电位连接。

1、接地系统(地网)设计:根据GB50057-94的要求,我们可以用热镀锌角钢与热镀锌扁钢作为材料,制作地网。地网的一般要求,建筑接地不大于30欧,电源接地不得大于10欧,普通弱电系统接地不得大于4欧;如果采用联合接地方式,则要求要不大于1欧。而在实际施工过程中,视具体的情况,采用不用的组合,优化材料,可以达到优化设计的目的。如下为常规地网的设计示例:

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普通地网施工大样图

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(2)具体实施方法:

根据学校实际情况,在建筑物大楼四周离外墙3米远处设置闭合人工地网,水平接地体采用热镀锌扁钢,垂直接地体采用热镀锌角钢和非金属低电阻接地模块相结合的方式。

① 地网由垂直接地体(L45×45×2500mm热镀锌角钢),水平接地体(40×4mm热镀锌扁钢),接地模块(600*500*45mm)构成,如果土质条件差,比如土壤电阻率大于300Ωm的情况下,应该增加长效降阻剂,或在周围和回坑泥土中加入一定比例的食盐、铁屑、木炭、炉灰、氮肥渣、电石渣、石灰等。避雷线弯曲处不得小于90°,弯曲半径不得小于圆钢直径的10倍.

② 地网的埋深,不得小于0.5m,垂直接地体之间的间隔,一般为垂直接地体的深度的两倍。人工地网,一定要预留接地端,作为系统接地点及测试点使用。

③ 接地体(地网)埋设位置应尽量在距建筑物3m以外,当接地体装置埋设在距建筑物出入口或人行道小于3m时,应采用在接地装置上面敷设50~90mm厚度沥青层,其宽度应超过接地装置(地网)2m,当接地遇有白灰焦渣层而无法避开时,应换土或用水泥砂浆进行保护。

(3)、接地电阻的测量1、测量方法:

① 如图5所示,沿被测接地极E′,使电位探测针P′和电流探测针C′依直线彼此相距20m,插入地中,且电位探测针P′要插于接地极E′和电流探测针C′之间。

② 用导线将E′、P′和C′分别接于仪表上相应的端纽E、P、C上。

③ 将仪表放置水平位置,检查零指示器的指针是否指于中心线上。若偏离中心线,可用零位调整器将其调整指于中心线。

④ 将“倍率标度”置于最大倍数,慢慢转动发电机的手柄,同时旋动“测量标度盘”,使零指示器和指针指于中心线。当零指示器指针接近平衡时,加快发电机手柄的转速,使其达到每分钟120转以上。调整“测量标度盘”,使指针指于中心线上。

⑤ 如果“测量标度盘”的读数小于1,应将“倍率标度”置于较小的倍数,再重新调整“倍率标度盘”,以得到正确的读数。

当指针完全平衡在中心线上以后,用“测量标度盘”的读数乘以倍率标度,即为所测的接地电阻阻值2、注意事项:使用接地测量仪(接地摇表)时,应注意以下几个问题:

① 当“零指示器”的灵敏度过高时,可将电位探测针插入土壤中浅一些;若其灵敏度不够时,可沿电位探测针和电流探测针注水使之湿润。

② 测量时接地线路要与被保护的设备断开,以便得到准确的测量数据。

③ 当接地极E′和电流探测针C′之间的距离大于20m,电位探测针P′的位置插在E′C′之间的直线几米以外时,其测量的误差可以不计;但E′C′的距离小于20m时,则应将电位探测针P′正确地插于E′C′直线中间。

④ 当实测接地电阻达不到要求时,可首先采用增加接地极的方法来减小接地电阻。如仍不能满足要求,可根据实际情况采取下面一些措施:置换电阻率较低的土壤;接地极深埋;人工处理,即在接地极周围土壤中加入降阻剂;使用接地模块。

⑤ 在使用传统测量方法不便利的场所,可使用E2000型数字式接地电阻测试仪,它无需辅助线和探测针,只要将卡头在被测极上卡住,便可读出接地电阻值。

七、产品的安装及说明

(1)电源防雷器的安装要求

1、安装于各级配电箱(柜)、设备的进线端;

2、与电源线缆并联(直流电源防雷器除外);

3、接地线采用10多股铜线或16mm2单股铜线;

4、所有地线按就近原则以最短的距离接地

5、电源防雷器的前端须串联快速熔断丝或空气开关,以防止短路电流导致系统故障(防雷箱中装有空气开关),直流的除外。

(2)信号防雷器的安装要求

1、安装于设备与信号线的连接端口,尽量靠近设备;

2、与数据线串联;

3、确认与数据进线方向一致;

4、接地线采用2.5 mm2的标准黄绿双色地线;

(3)等电位连接和地网地线安装要求

1、设备的等电位接地线采用10-25 mm2多股铜线或35mm2单股铜线;

2、所有地线按就近原则以最短的距离接地

3、地网的接地引线采用25 mm2的铜线或φ8mm以上的镀锌圆钢;

八、结束语

防雷是一门边缘科学,防雷系统必须讲究科学性、经济实用、耐久可靠三条原则 。现代化电子设备防雷是一个复杂的问题,需采用综合治理的方法,根据特殊情况对症下药,将可能产生雷击的因素排除,才能将雷害威胁减小至最低的限度,如果该工程按本方案施工,基本可以安枕无忧。

九、工程预算

工程总预算合计为¥ 元,分为地网工程预算和防雷设备预算。