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智能化大廈綜合布線系統的防雷與接地

來源:摘自 發布時間:2011-7-7 8:49:45
       摘要:隨著信息處理系統的電子化、設備的高度集成化的提高和數字技術的發展,智能大廈綜合布線縱橫交錯智能化大樓的網絡系統對浪涌較為敏感,電路的雷電承受能力進一步下降,特別是綜合布線連接的網絡交換機、服務器、計算機、監控系統、終端設備容易遭受雷電的侵害,因而這些網絡系統的各類接口應具有更好的防雷性能。文章著重論述智能化大夏綜合布線系統的防雷與接地。
 

  綜合布線系統(PDS)是利用雙絞線或光纜集成的通用傳輸系統,它是智能化建筑物連接“3A”系統的媒介,采用標準的信息配線系統,綜合了所有語音、數據、圖像與監控設備,并將各類設備終端插頭插入標準的終端盒內。由于PDS系統在建筑物內縱橫交錯,它可以使交換系統與其他信息系統彼此相連,使這些系統成為外部通信網絡的一個接入網點。但PDS連接的數據、網絡計算機設備對雷電非常敏感,雷電可以對這些設備造成毀滅性的破壞。

  智能大廈受到雷擊時,大樓內沖擊電位分布和空間瞬時電磁場將關系到建筑物內人身和設備的安全。由于受沖擊時地電位升高,將影響到裝在大樓內而與樓外有電氣聯系的網絡系統。為此,雷電對智能大廈的設備危害來自三個方面,首先,浪涌電流沿著纜線進入網絡系統;其次,由于地電位對網絡系統產生影響,設備的沖擊阻抗的反擊地電位通??蛇_數十至數千伏;另外,現代的計算機網絡對雷電極為敏感,即使幾公里以外的高空雷閃或對地雷閃都有可能導致這些設備的薄弱環節——計算機CPU控制中心誤動或損壞。根據國外資料介紹0.03高斯的磁場強度可造成計算機誤動,2.4高斯即可將元件擊穿。

  對于雷電磁場的影響,主要是雷擊大樓時雷電流在建筑物的分布直接影響到網絡系統設備,特別是對雷擊敏感的計算機控制單元及數字終端設備在智能大廈的布局。合理的在機房安裝設備布局可有效減少雷害;大樓采用聯合接地可有效解決地電位的影響;在大樓內電源、計算機、控制終端、監控系統、終端設備的接口處安裝浪涌保護裝置,并對大樓的出入纜線采取屏蔽、接地等措施,可有效減少雷電對信號及網絡系統的侵害。

1 智能大廈PDS系統遭受雷擊的因素

  PDS系統作為整個大樓的核心要害信息中樞,自然要預先消除任何事故誘發的因素。直擊雷及雷擊時雷電電磁場分布、接地系統。各個子系統的配電單元及計算機網絡與外界聯系的信號數據線、建筑物內部較長的網絡數據線,衛星小站的高頻頭、天饋線應該是雷擊的核心。對于雷電電磁場的影響,主要是雷擊大樓時雷電流在建筑物的分布直接影響到網絡系統設備,特別是對雷擊敏感的計算機控制單元及數字終端設備在智能大廈的布局,合理的布局可將雷害的損失降低到最低限度。大樓采用聯合接地,均壓等電位可有效解決地電位升高的影響,而在大樓內設備間、建筑群子系統、管理子系統、垂直和水平子系統、配電系統、UPS、交換機、服務器、Hub、監控系統、終端設備的接口處安裝浪涌保護裝置,并對大樓的出入纜線采取屏蔽、接地等措施,可有效減少雷電對信號及網絡系統的侵害。衛星通信及無線通信天饋線屏蔽與接地,根據饋線的長度輔以同軸雷電過電壓保護器可充分抑制雷電流通過饋線系統進入衛星收發信機的量級。

2 PDS系統的雷電過電壓保護

2.1 PDS配電系統的雷電過電壓保護

  配電系統雷電過電壓保護并非簡單應用雷電過電壓保護器件,而是運用電磁兼容原理,根據雷電保護區的劃分,對一個需要保護的系統進行綜合、多級雷電過電壓保護。傳統的雷電浪涌保護方法,在選擇浪涌SPD件時,僅考慮被保護的通信設備本身,沒有根據電磁兼容(EMC)原理,把局部或單一的防護措施歸結到系統防雷,即整體防護的概念。由于缺乏系統整體觀念,容易導致在電源系統網絡,甚至在雷電防護的薄弱環節不同點安裝過電壓保護器時,各類防護器件相互之間不能控制和相互協調。由于防護器件在設計時,其防護性能僅僅考慮被保護設備本身的需求,而對于系統的防護,各級防護器件是相輔相成,互相影響的,若用于局部防護的過電壓器件不能有效發揮其防護性能,就會影響整體防護。另外,還有一個重要的立論基礎:“雷電過電壓保護設計必須是建立在聯合接地基礎上”。

2.1.1 PDS系統設備間雷電過電壓保護

  在智能大廈配電變壓器低壓側應安裝標稱放電電流不小于100kA的過壓型SPD(包括主樓與各建筑群低壓電纜引入子系統間的配電箱前)。低壓電力電纜引入設備間機房人口處(在交流穩壓器或交流配電屏前),相線及零線應分別對地加裝過壓型SPD,其標稱放電電流應大于20kA(相應的最大通流量為50kA)。并且,在SPD回路中串接保險絲,其主要目的是防止SPD因各類因素損壞或由于暫態過電壓使SPD燃燒(國內外各類系統曾發生過多次此類事故,國內外防雷公司的SPD產品在工程上都要求采用串接保險絲,IEC60364-5-534《過電壓保護裝置》對此有專門論述),影響供電線路的正常工作(由于以往的規范忽視了在SPD并聯回路中串接保險絲,從而給正常供電帶來了隱患)。保險絲標稱電流的量級一般為上一級保險絲的1~1.6倍。

  根據對雷電活動區的劃分以及智能大廈的分類、所處的地理環境、建筑物的形式、供電方式的情況,在設計中對電源SPD提出了不同要求。

2.1.2 PDS系統二級交接間、各管理子系統設備間的雷電過電壓保護

  在智能大廈配電低壓電力電纜引入二級交接間或各管理子系統設備間機房人口處,相線及零線應分別對地加裝過壓型SPD,其標稱放電電流應大于20kA (相應的最大通流量為50kA);

2.1.3 各設備間機房內的雷電過電壓保護

  交換機、Hub、路由器、網絡服務器、遠程傳感器控制系統、測試儀表的拖板式電源插座排內應安裝標稱放電電流為10kA的電源SPD。另外,各類設備應避免直接使用建筑物外墻體的電源插座,直流供電系統也應加裝SPD進行保護。

2.1.4 兩級SPD的隔距

  按照國內外有關文獻及標準,根據兩級SPD的類型,SPD對雷電反應時間的長短,連接線纜的材料粗細都有要求。當兩級都為MOV時,連接線纜隔距一般要求為3-5m;當兩級SPD為不同器件時,連接線纜隔距一般要求為10m或連接線纜電感量為7-15H。因此,為了有可操作性,當上一級為雷擊電流型SPD,次級采用過壓型SPD時,兩者之間的配電纜線隔距應大于10m。當上一級SPD與次級SPD都采用過壓型SPD時,兩者之間配電纜線的隔距應大于5m。

2.2 PDS計算機網絡系統的雷電過電壓保護

2.2.1 信號系統的雷電過電壓保護

  根據ITU-TK11規定筆者建議應堅持《過電壓和過電流防護的原則》電磁兼容的基本原理,配線架與程控交換機用戶板過電壓和過電流防護的關系應是相輔相成的。作為出入通信局站的市話電纜,是雷電過電壓和用戶線與電力線碰線引人的過電流的主要誘因。由于配線架與程控交換機用戶板都具備抗擊雷電過電壓和過電流的能力,作為第一級配線架的保安單元與第二級程控交換機用戶板的保護電路之間有一個協調的關系,第一級用于一次保護的元件與第二級用于二次保護的元件作用是不同的。雷電過電壓和工頻過電流防護的原則:第一級的保護元件要承受雷電過電壓和工頻過電流的主要能量,而第二級保護元件則承受經過第一級保護后剩余的能量,第一級是粗保護,而第二級則是精細保護。第一級元件需承受較大的能量,因為元件選擇問題,所以元件參數動作反應時間可能較慢;而第二級是精細保護,承受的能量較小,故元件參數動作反應時間可以較快。

  通信行業標準目前還沒有提出在智能大廈使用總配線架保安器的應用要求,在YD/T694-1998《總配線架》技術要求中也未作規定,因此,本文根據雷電活動區的劃分,提出了各類保安單元的應用條件,并且對總配線架必須就近接地的原則和纜線的雷電過電壓保護提出了要求,從智能大廈防雷的角度出發,應考慮以下措施:

  (1)進樓電纜應從地下入局;
  (2)進樓電纜的金屬外護套應在智能大廈進線室內就近接地或與地網連接后再人局;
  (3)進樓電纜的信號線均應對地加裝信號SPD后,再接入網絡系統,電纜內的空線對應作保護接地;
  (4)地處少雷區、中雷區的智能大廈的市話配線箱,可采用由氣體放電管或半導體放電管(SAD)與正溫度系數熱敏電阻(PTC)組成的保安單元;
  (5)地處多雷區和強雷區的市話配線箱,必須采用由半導體放電管(SAD)與高分子PTC組成的保安單元;
  (6)總配線架必須就近接地是關系到配線架的保安單元能否對交換機用戶板起到有效保護的關鍵問題。在機房總體規劃時,總配線架宜安裝在建筑物的低層,接地引入線應從地網兩個方向就近分別引入(從地網在建筑物預留的接地端子接地或從接地匯集線上引人);
  (7)市話電纜空線對,應在配線架上接地。

2.2.2 建筑物內部計算機網絡系統的雷電過電壓保護

  長期以來,建筑物防感應雷都是以防止雷電涌沿外線路感應為主,隨著網絡系統的電子化、高度集成化、微型計算機控制、智能化,特別是數字通信技術的發展,通信系統對雷電的承受能力下降,特別是智能大廈內計算機、控制終端、監控系統、終端設備更容易遭受雷電的侵害。由于在智能大廈內集中了交換機、傳輸設備、監控及網絡設備、控制終端、電源、無線設備等系統,各系統之間的內部連接線路縱橫交錯、非常復雜,連接線路可達100~200m,這些連接線路因雷電電磁場的感應,將雷電浪涌傳到系統之間的接口電路中去,對浪涌較為敏感的接口電路產生影響和沖擊。另外,由于線纜物理結構上的差異,對雷電電磁場感應影響的大小也有所不同,因而就要求這些通信系統的接口應具有更好的防雷性能。

  IEC-61644對連接通信、信號網絡接口的浪涌保護裝置提出了基本的要求和測試方法,ITU-TK系列文件對于各種通信系統的雷電保護和測試也提出了指導性方法,最近,ITU推出的K41建議——《電信中心內部通信接口抗雷電過電壓能力》中,主要涉及的是不出局且長度在100m左右的網絡數據線。該建議的推出表明,國際上已經將電信中心內部通信接口抗雷電過電壓的要求提到很重要的位置上。這些文件表明:“建筑物內部的計算機雷電防護方法和SPD的應用已趨成熟,并走向規范化”。

  另外,通過郵電部設計院對深圳、江門、茂名、東莞、韶關、南昌、湖南、河北、南寧等十幾個省市的通信大樓雷害事故的統計表明:樓內網絡接口設備、計算機控制終端、交換機的CPU控制模塊、交換機及移動通信的控制終端、微機接口電路、設備測試臺、交換機計費系統微機、營業廳內的收費微機、營業用多路計費器、測量室自動測量系統、監控系統等雷擊損壞的事故時有發生。另外,移動通信、微波站內的網管監控及干線監控、遙信接口、數據采集板等設備也時遭雷擊。這表明,計算機、控制終端及網絡設備的接口是防雷電浪涌侵入的薄弱環節。國外的研究表明:“現代數字化網絡系統的控制計算機,對雷電極為敏感。即使幾公里以外的高空雷閃或對地雷閃出也有可能導致這些網絡系統的薄弱環節計算機CPU控制中心誤動或損壞。根據國外資料統計,0.03高斯的磁場強度可造成計算機誤動,2.4高斯即可使元件擊穿”。

  從另一個方面講,國外廠商早在20世紀90年代初期(國內在1995年前后)就已經推出了大量的計算機、控制終端及網絡設備用的SPD,并已有很大規模。其中,用于計算機、控制終端及網絡設備的SPD已經系列化,并且其質量和性能完全能滿足通信系統的要求。另外,由于半導體放電管的出現,其元件的特殊性及優良品質使得用半導體放電管元件組合的SPD可以免去每年的例行檢測,且保證了通信系統安全可靠的運行。

  因此,對智能大廈計算機、控制終端及網絡設備進行雷電過電壓保護的條件已經成熟,從減少成本和合理投資的角度出發,建議僅對建在多雷區、強雷區的智能大廈內的計算機、控制終端及網絡設備進行雷電過電壓保護,對于建在中雷區的智能大廈內的計算機、控制終端及網絡設備,如果該區時有雷擊損壞的事故發生,則應參考執行。另外,從智能大廈的調研情況看,現有的智能大廈計算機、控制終端及網絡設備的數據線,由于各方向的線數不多、控制單元分散,一般都用的是無屏蔽的線纜,改為屏蔽線和串金屬管線在施工和運作方面都有困難(垂直管線除外),而且成本將非常高,而安裝SPD既經濟、又方便,并且提高了通信系統安全可靠性。對智能大廈計算機、控制終端及網絡設備實施雷電過電壓保護,可參照下列條款:

  (1)智能大廈內計算機、控制終端及網絡數據線的雷電過電壓保護設計應根據其在大樓內具體的雷電保護區位置、保護等級來確定SPD的保護參數;
  (2)建在城市內,地處中雷區以上的智能大廈內計算機、控制終端及各類網絡數據線,若長度小于50m,各類網絡數據線宜穿金屬管道(金屬管道應電氣連接),金屬管兩端應就近與均壓網焊接。建在郊區或山區,地處多雷區、強雷區內的智能大廈的計算機、控制終端及各類網絡數據線,若長度小于30m,各類網絡數據線宜穿金屬管道,金屬管兩端應就近與均壓網焊接;
  (3)建在城市,地處中雷區以上的智能大廈內的計算機、控制終端及各類網絡數據線,若長度大于50m而小于100m,應在設備的一端采用數據線SPD保護,若長度大于100m,應在兩端采用數據線SPD保護;
  (4)建在郊區或山區,地處多雷區、強雷區的智能大廈內計算機、控制終端及各類網絡數據線,若長度大于30m、小于50m,應在設備的一端采用數據線SPD保護,若長度大于50m,應在兩端采用數據線SPD保護;
  (5)地處多雷區以上的智能大廈對于有出人網絡數據線的設備,雷電過電壓保護設計必須采用下列措施:
 ?、倏刂萍皵祿杉玫挠嬎銠C接口應采用計算機接口SPD保護;
 ?、谠诰钟蚓W工作站的輸入端及文件服務器前應采用數據線SPD;
 ?、鄢鋈舜髽堑母黝惤饘贁祿€兩端設備必須采用數據線SPD保護;
  (6)出人大樓的各類金屬信號線應穿金屬管后,再從地下引入其他機房,金屬管兩端應就近與地網焊接。

2.2.3 建筑物內PDS系統與外界有聯系的傳輸設備的雷電過電壓保護

  郵電部設計院對全國十幾個省市智能大廈的雷害調研表明,“許多出入智能大廈的電纜及光纜未按智能大廈的標準進行接地處理,由于進入大樓的PCM電纜芯線未加裝保安單元,特別是進入無線智能大廈的纜線未加裝保安單元,致使PCM接口、PCM邏輯盤、話路板以及2Mb接口被雷擊壞的事故時有發生”。而這些存在的問題,正是IECl312和ITU-K系列文件專門論述的要點,為了減少雷害事故的發生,這些問題更應引起我們的注意。

  (1)出人智能大廈的電纜,應在進線室將金屬鎧裝外護層做接地處理;
  (2)出入智能大廈的光纜,應將纜內的金屬構件,在終端處接地;
  (3)進入智能大廈的PCM電纜芯線應加裝保安單元,空線對應就近接地;
  (4)進入無線智能大廈的纜線應加裝保安單元后,再與上下話路的終端設備相連。

2.3 衛星、無線天饋系統的雷電過電壓保護

  根據對廣東、福建、廣西、湖南、浙江、遼寧等省無線系統的雷擊情況調研,由天饋線引入的雷電浪涌損壞通信設備的事故概率是小概率事件。鑒于無線通信系統依據所處的具體地理環境來確定同軸SPD的安裝原則,并根據電磁兼容的原理,提出同軸SPD接地端子的接地引線應在機房外接地。另外,無線通信的天饋線的雷電過電壓保護還應滿足:

  (1)建在城市內孤立的高大建筑物或建在郊區及山區,地處中雷區以上的無線系統,當饋線采用同軸電纜,且長度超過30m時,應在同軸電纜引進機房入口處安裝標稱放電電流不小于5kA的同軸SPD,同軸SPD接地端子的接地引線應從天饋線人口處外側的接地線、避雷帶或地網引接;
  (2)建在城市內孤立的高大建筑物上的衛星站,其饋線系統應穿鐵管(鐵管應與避雷帶焊接相連)并且饋線兩端應接地后再進入機房。

2.4 智能大廈遙控、監控系統雷電過電壓保護設計

  (1)出入智能大廈的遙控、監控系統控制線必須埋地,線纜的金屬外護套兩端應就近接地;
  (2)建在中雷區以上的智能大廈,其內部的遙控、監控系統的纜線(纜線中含控制、電源、視頻線),若長度大于50m小于100m時,應在設備的一端采用SPD保護,若長度大于100m,應在兩端采用SPD保護。對于出入智能大廈的遙控、監控系統的纜線(纜線中含控制、電源、視頻線),應在兩端分別安裝SPD保護;
  (3)出入智能大廈遙控、監控系統的纜線若采用光纜傳輸信號,應將纜內的金屬構件在兩端接地,無需采用SPD保護。但為兩端設備供電的電源芯線應對地安裝標稱導通電壓大于供電電壓最大值10V,標稱放電電流為10kA的過壓型SPD(應根據3.6.2條對長度要求的內容確定一端或兩端采用SPD保護);
  (4)監控信號采集器的遙信輸入端應加裝由SAD組成的數據線SPD;
  (5)監控系統的云臺、防雨罩必須就近接地。

2.5 PDS雷電過電壓保護器件的選擇

2.5.1 配電系統的雷電過電壓保護器件的選擇

  (1)電源用雷電過電壓保護器件的選擇,雷電過電壓保護器件包括:
浪涌保護器的分類:根據IECl312-1(通則)、IEC-1312-3(浪涌保護器的要求)、IECl643-2(低壓系統的浪涌保護器)及ITU-TK36(保護裝置的選擇),浪涌保護器(SurgeProtectiveDevices簡稱SPD)可由氣體放電管、放電間隙、MOV、SAD、齊納二極管、濾波器、保險絲等元件混合組成。國內外各種類型SPD產品一般都由這些元器件組成。浪涌保護器可分為三類:電壓開關型SPD(Voltage Wwitehing Type SPD); 限壓型SPD (Voltage LimitingTypeSPD);組合型SPD(CombinationTypeSPD)。

  雷擊電流型SPD(歸屬于電壓開關型SPD類):是安裝在通信局(站)建筑物外雷電保護區0區的SPD,可最大限度地消除電網后續電流,以疏導10/350μs的模擬雷電沖擊電流(無論這些電流是遠處的雷電過電壓還是由直擊雷引起的)。雷擊電流型SPD一般由高性能火花隙組成,它的特點是放電能力強,但殘壓較高,通常為2000~4000V,檢驗測試器件采用一般10/350μs的模擬雷電沖擊電流波型。
限壓型SPD:限壓型SPD一般由氧化鋅壓敏電阻 (MOV)及半導體放電管(SAD)等元器件組成,是安裝在雷電保護區建筑物內的SPD,可疏導8/20μs的模擬雷電沖擊電流,在過電壓保護中具有逐級限制雷電過電壓的功能,檢驗測試器件的殘壓一般采用8/20μs的模擬雷電沖擊電流波型。

  混合型電源SPD:半導體放電管(SAD)與MOV組成的混合型電源SPD。
半導體放電管主要技術特征包括:對浪涌電壓的響應速度非???,與原有的保護單元相比,對陡峭的雷擊電壓可以充分抑制,這樣使原來的保護單元多級保護設計變得簡單,而且更加小型化;利用半導體內部的電子和空穴原理進行工作,不存在劣化問題,保養簡單,使用壽命增加;用硅PN結的工作原理設計半導體放電管,其雙向、單向、開關動作均能自由、精確地設計出來,一致性較好。因此,采用半導體放電管(SAD)與MOV組成的混合型電源SPD,可能利用SAD對浪涌電壓的響應速度非??斓忍攸c,在一般雷電過電壓的保護時,由SAD承受浪涌電流,其標稱放電電流可達10~20kA;若遇到較大量級的雷電過電壓,第一級由SAD組成的電路保險管可自動斷開,由第二級MOV作為雷電過電壓保護,作為混合型電源SPD,其MOV能承受沖擊通流能量一般大于100kA。

  MOV與濾波器組成的混合型電源SPD:根據一個典型的沿配電線路侵入的雷電波,其浪涌波形是符合傅立葉變換的,其大部分能量分量具有相對較低的頻率,采用MOV與濾波器組成的混合型電源SPD在同一測試條件下,可以具有比單一并聯的SPD更低的殘壓。RFI濾波器可對150kHz~20MHz的雷電波進行濾波;標稱放電電流40kA時殘壓可小于1000V。

  (2)SPD技術參數和名稱術語:

  標稱導通電壓:在施加恒定直流lmA電流的情況下,MOV啟始動作電壓。
  SPD的標稱放電電流:用來劃分SPD等級,具有8/20μs、10/350μs模擬雷電電流沖擊波的放電電流。
  沖擊通流容量:SPD不發生實質性破壞而能通過規定次數、規定波形的電流峰值最大限度。
  SPD殘壓:模擬雷電沖擊電流通過SPD時,SPD端子間呈現的電壓(其中采用MOV的限壓型SPD,殘壓的大小與采用元件的直流1mA參考電壓、元件的組合形式及所承受的雷電電流大小等參數有關)。

  10/350s與8/20μs模擬雷電電流沖擊波能量的比較:10/350μs是描述建筑物遭受直擊雷時的模擬雷電電流沖擊波,脈沖為10/350μs波形的電荷量約為8/20μs模擬雷電電流沖擊波電荷量的20倍。即:
Q(10/35μs)≌20Q(8/20μs)

  由于10/350μs模擬雷電電流沖擊波的能量遠大于8/20μs模擬雷電電流沖擊波的能量,因此,一般需要使用電壓開關型SPD(如放電間隙、放電管)才能承受10/350μs模擬雷電電流沖擊波,而由MOV、SAD組成的SPD所承受的標稱放電電流是8/20μs模擬雷電電流沖擊波。

  (3)SPD的功能要求

  電源用SPD模塊及SPD箱的功能既要滿足SPD一般性能的需要,又要考慮環境集中監控對SPD性能監控的要求。另外,根據IECl643-1相關條文規定,用于電源配電系統、由MOV、SAD及濾波器組成的混合型SPD在國內外通信局(站)已經大量使用。

  一般要求:SPD應根據雷電保護區分區原則,按照雷電保護區所在位置正確選用;SPD的殘壓并非是衡量SPD好壞的唯一指標,選擇SPD應在同一測試指標下考慮SPD所選元器件的參數及元器件組合方式;SPD的選擇應考慮通信局(站)遙信及監控的需要;用于交流系統的過壓型SPD標稱導通電壓一般為Un=2.2U(U為運行工作電壓的最大值);用于直流系統的過壓型SPD標稱導通電壓一般為1.5U≥Un≥1.2U(U為運行直流工作電壓的最大值)。功能要求:建在城市、郊區、山區等不同環境下的通信局(站),設計選用過壓型SPD時,必須考慮通信局(站)供電電源的不穩定因素,對SPD的標稱導通電壓提出要求;通信局(站)采用的雷電過電壓模塊SPD,應具有以下功能:SPD模塊損壞告警、遙信插孔、SPD模塊替換、熱容和過流保護;通信局(站)采用的雷電過電壓保護電源避雷箱,應根據通信局(站)的具體情況,具有供電電壓顯示、SPD模塊損壞告警、雷電記數、保險跳閘顯示、備用SPD模塊自動轉換、遙信插孔、SPD模塊替換、浪涌識別抑制器、熱容和過流保護等功能,可根據用戶要求進行選擇。

  SPD沖擊通流容量的選擇。單純從價格的意義上講,沖擊通流容量較小的SPD的價格小于沖擊通流容量大的SPD,但從技術經濟比的角度去考慮問題,可能這一觀點又有了新的含義,通流容量是指SPD不發生實質性破壞而能通過規定次數、規定波形的最大電流峰值,沖擊通流容量較小的SPD在通過同樣的雷電流的條件下其壽命遠小于沖擊通流容量大的SPD。根據有關資料介紹:“MOV元件在同樣的模擬雷電流8/20μs、10kA測試條件下,通流容量為135kA的MOV的壽命為1000-2000次,通流容量為40kA的MOV的壽命為50次,兩者壽命相差幾十倍(據筆者分析,被測試的MOV元件可能是由小通流容量的MOV組合型的產品。但測試結論也可以說明,沖擊通流容量較小的SPD在通過同樣的雷電流的條件下其壽命遠小于沖擊通流容量大的SPD)”。由于配電室、電力室人口處的SPD要承受沿配電線路侵入的浪涌電流的主要能量,因此,其SPD在滿足人口界面處標稱放電電流要求的前提下,可根據情況選擇較大通流容量的SPD。

2.5.2網絡數據線雷電過電壓保護器件的選擇

  (1)SPD標稱導通電壓:各類信號線、數據線、天饋線、計算機網絡接口的SPD標稱導通電壓1.2U≥Un≤1.5U(U為額定工作電壓的最大值),工作電流應滿足系統的要求;
  (2)各類SPD用元器件:各類信號線、數據線、天饋線、計算機網絡接口的SPD元器件一般可有:陶瓷放電管、半導體放電管(SAD)、氧化鋅壓敏電阻(MOV)、PTC等元器件組成。陶瓷放電管的優點在于通流能力大,但響應速度慢,該器件主要用于非靈敏設備的保護。MOV的缺點主要是極間電容較大,不適合傳輸速率較快的快速以太網和ATM網絡。SAD的廣泛應用是由于響應速度快,極間電容界于放電管和MOV之間,缺點是通流能量小(其失效模式是短路接地,在信號回路中作為防雷使用是最好的選擇)。

  在滿足信號傳輸速率及帶寬的情況下,盡可能采用半導體放電管,半導體放電管有以下主要技術特征:

 ?、賹擞侩妷旱捻憫俣确浅??,與原有的保護單元相比,對陡峭的雷擊電壓可以充分抑制,使原來的保護單元多級保護設計變得簡單,而且更加小型化;
 ?、诶冒雽w內部的電子和空穴原理進行工作,不存在劣化問題,其保養簡單,使用壽命增加,無須進行經常性保安單元放電管的檢測工作;
 ?、塾霉鑀N結的工作原理設計的半導體放電管,其雙向、單向開關動作均能自由精確設計,一致性較好;
 ?、馨雽w放電管既適用于普通電話的300-3400Hz模擬傳輸,又適用于ISDN的2B+D數字傳輸(MDF配線架國內基本上采用由放電管作為雷電的過電壓保護器件,隨著程控交換機在國內的普及,程控交換機內集成化程度不斷提高及控制方式不斷更新,程控交換機內部使用的器件要求具備高速率、寬頻帶、可靠性強等特點,現代化程控交換機需要與之特點相適應的保安單元。因此,原有放電管式的保安單元已經不可能有效地保護程控交換機的安全運行,現階段半導體放電管是取代現有氣體放電管保護電話交換機和用戶終端設備抗雷電電涌理想的器件。為此,國外已經大量采用固體放電管SAD組成的保安單元)。

2.5.3 SPD的選擇

  SPD選擇原則可參考下列要求:

  (1)信號線SPD的選擇

 ?、傩盘柧€SPD的箝位電壓應滿足網絡系統接口的需要,工作電壓及電流應滿足系統的要求,對雷電響應時間應在納秒級;
 ?、诳偱渚€架的保安單元應符合YD/T694-1998總配線架技術要求的規定;
 ?、坌盘朣PD應滿足信號傳輸速率及帶寬的需要,其接口應與被保護設備兼容;
 ?、苄盘朣PD的插入損耗應滿足通信系統的要求;
 ?、菪盘朣PD的標稱放電電流為3kA。

  (2)同軸SPD的選擇

 ?、偻SSPD插入損耗應≤0.2dB,駐波比≤1.2,工作電壓及電流應滿足系統的要求,同軸SPD最大輸入功率能滿足發射機最大輸出功率的需要,安裝與接地方便,具有不同的接頭,同軸SPD與同軸電纜接口應具備防水功能;
 ?、谕SSPD的標稱放電電流應≥5kA。

  (3)網絡數據線SPD的選擇

  計算機、控制終端、監控系統網絡數據線用的雷電過電壓保護器件有RJ45、RJll、RS232、RS422、RS485接口及同軸型數據線SPD等,其中,RJ系列的SPD分為單端口和多端口產品,其SPD的工作電壓和傳輸速率可供選擇。

  計算機接口、控制終端、監控系統的網絡數據線SPD應滿足各類接口設備傳輸速率的要求,SPD接口的線位、線排、線序應與被保護設備接口兼容,設計時應在滿足設備傳輸速率條件下,優先采用由半導體放電管組成的保護電路SPD。計算機接口、控制終端、監控系統的網絡數據線SPD的標稱放電電流應≥3kA。

  2.6 PDS系統的接地

  2.6.1 相關防雷接地標準

  (1)信息產業部標準YDJ26-89《通信局(站)接地設計暫行技術規定》(綜合樓部分);
  (2)信息產業部標準YD5098-2001《通信局(站)雷電過電壓保護工程設計規范》;
  (3)國家標準GB50057-94《建筑物防雷設計規范》;
  (4)國家標準GB50174-93《電子計算機機房設計規范》(標準要求采用聯合接地);
  (5)國家標準GB9361-88《計算機場地安全要求》 (要求分設計算機接地專設并與建筑物內部金屬構件絕緣);
  (6)國家標準GB2887-89《計算機場地技術條件》也規定了計算機接地工作地、保護等地的接地電阻值;
  (7)公安部標準GAl73-1998《計算機信息系統防雷保安器》(中華人民共和國社會公共安全行業標準,即各部標準外的行業)。

2.6.2 PDS系統的接地要求

  (1)智能大廈PDS系統接地的目的智能大廈的接地,其主要目的有:

 ?、俦Wo工作人員和維護人員及設備的使用者,防止危險電壓的安全保護;
 ?、诒WC通信設備的安全,防止危險電壓的保護;
 ?、巯拗仆ㄐ畔到y中的串話電流(如市話交換機)、噪聲和電磁干擾電流,使其低于某一個(規定)數值,以保證通信系統的正常工作;
 ?、芊乐拐髌鳟a生的高頻電流和交流工頻電流影響通信;
 ?、萏峁┤说赝ǖ?,保護通信局(站)的安全。

  (2)信息系統接地的分類

  針對上述目的,在20世紀90年代以前由于通信局(站)接地一般采用分散接地,接地方式有:

 ?、僦绷鞴ぷ鞯?;
 ?、诮涣鞴ぷ鞯?;
 ?、郾Wo地(交、直流保護地;防雷接地);
 ?、芊乐闺姶鸥蓴_和屏蔽接地;
 ?、菪盘柦拥?電路接地,即工作接地)。

  在90年代以后,原郵電部標準YDJ26-89《通信局(站)接地設計暫行技術規定》(綜合樓部分)將局(站)的接地分為:

 ?、俟ぷ鞯?;
 ?、诒Wo地(含屏蔽地);
 ?、劢ㄖ锏姆览捉拥?。

  這三種地在標準中規定共同合用一組接地體,即通信局(站)的聯合接地方式。

  (3)智能大廈建筑物的混凝土鋼筋基礎為PDS系統提供一個良好的地網。國家標準GB50057-94《建筑物防雷設計規范》要求建筑物的接地一般都采用其鋼筋混凝土基礎作為地網,因為建筑物鋼筋混凝土基礎埋地較深,與大地的接觸面積大,在相同的土質條件下,用其基礎作接地體比一般人工接地所得的電阻低得多。另外,基礎鋼筋埋設在混凝土中,作為接地體的鋼筋不會受到外力的損傷和破壞,不需要維護,使用期限長,接地電阻穩定,對于通信局(站)這種接地方法是相當有效的。同樣,利用辦公大樓、高層建筑的基礎作為智能大廈PDS系統的接地是可行的;

  (4)網型、星型和星型一網狀混合型接地的特點

 ?、倬W狀分配接地如圖1所示。網狀分配接地減少了不同設備接地之間的電位差,通信系統可以從不同的方位就近接地。另外,這種網狀分配接地由于相互之間沒有一個嚴格的絕緣要求,對建筑物內的金屬構件包括可能被連接的混凝土的鋼筋,以及電纜支架、槽架無需專門做絕緣處理,因此,實施施工較為容易;
 ?、谛切头峙浣拥厝鐖D2所示。提出星型分配接地主要解決了通信系統的干擾問題,因為這種分配接地的方式減少了環流電流的干擾,使得干擾電流不能形成回路。星型分配接地的實施方案,一般由若干個主干地線分別由公共接地匯流排引出,每個主干地線(120mm2)再分幾路分支地線,每個分支地線(50imm2)接到n個大列地線,每根大列地線分別接到列內各個機架;
 ?、坌切鸵痪W狀混合型接地如圖3所示。星型一網狀混合型接地對設備的一部分接地采用網狀布置,而另一部分對交流和雜音較為敏感的設備的接地采用星型布置;
 ?、躊DS系統及網絡設備的接地。PDS系統的地線系統是典型的星型分配接地的衍生物樹枝型分配接地,只需從公共接地匯流排引出一根垂直的主干地線到各子系統室的分接地匯流排,再由分接地匯流排分若干路引至列架和機架,互相之間沒有回路。因此,不會通過地線網絡對其它電路產生影響。

  另外,接至列架和機架的接地線,其目的是為列架和機架中的各類網絡設備提供接地通路,因此,機架中所有設備均應與其保持良好的電氣連接,即所有網絡設備的外殼接地線應通過該點接地。

  (5)從電磁兼容的角度談屏蔽接地和信號接地。星型網絡實際上也被稱為“一點接地”網絡,其各個分支點之間沒有閉合回路,從而防止了相互之間的傳導耦合干擾,由于它們僅在“一點”相互連接,由此獲得基準“零電位”。從信號接地系統來講,應分別連在這個“基準點”,其“基準點”可設在智能大廈內或設施的任何位置,國外的做法一般是采用將該點接至“大地”的接地電極上,認為在這一點的電位接近于“大地”的零電位。

  從雷電保護和電力故障保護來講,將防雷保護地線和交流保護地接至“大地”接地電極上是有意義的,這樣可以避免雷電流和電力故障影響其它系統的正常工作,并能迅速安全地通過接地電極流人地下,就近散流。但“一點接地”在智能大廈中作為接地網絡有其致命的缺點,因為要用很長的接地連接線,而對于信號接地系統,較長的接地連接線在低頻時對信號影響不大,高頻時又有很多問題:

 ?、俑哳l時網絡將變為高阻抗;
 ?、诟哳l時各路地線之間將會出現由分布電容形成的電容耦合;
 ?、鄹哳l時長導線將變為等效天線。

  由于“一點接地線”網絡只有在低頻時才是低阻抗,當頻率升高時由于導線電感的作用而變為高阻抗。從電磁兼容的角度考慮頻率的劃分是依照1MHz為高頻、低頻的分界頻率。

  一般認為,以1MHz為低頻與高頻的分界頻率是恰當的,在信號頻率為1MHz以下時,用“一點接地”系統(在自然空間1MHz的波長為300m,為了消除接地連線成為等效天線的概率、減少長導線相互間的電感耦合,其長度不超過波長的十分之一,即λ/10。對于MHz的波長來講λ/10就是30m),信號頻率為1MHz以上時,則采用多點接地系統(同樣在高頻時,屏蔽體一端接地是無效的,因為屏蔽體(線)對地有分布電容的耦合,所以實際上等效于多點接地,因此,高頻時電纜的屏蔽層必須兩端接地才能有好的屏蔽效果)。

  (6)SPD的連接線、接地線的要求。電源SPD的連接線及接地線截面積應符合下表的要求,數據線SPD以及其他類型SPD的接地線截面積應不小于2.5mm2,連接線及接地線材料為多股銅線。

  模塊電源SPD的接線端子與相線和零線之間的連接線長度應小于0.5m,其接地線的長度應小于1m,且應就近接地。SPD箱的接線端子與相線和零線之間的連接線長度可根據實際情況適當加長,避雷箱連接線加長后,其截面積應適當增大。避雷箱接地線的長度應小于1m,連接線宜采用凱文接線方式就近接地。

  (7)雷電過電壓保護SPD對接地電阻的要求。智能大廈的聯合接地地網的接地電阻值已滿足SPD接地的需要,因此,對在使用的SPD接地電阻值不做嚴格要求,設計時僅需將使用的各類SPD的接地端子就近接地。

3 結束語

  智能大廈內部的計算機網絡系統包含了ATM(異步)交換機、傳輸設備、監控及網絡設備、控制終端、電源、無線等子系統。各子系統之間的內部連接線路縱橫交錯,其網絡接口對雷電較為敏感的電路又是防雷電侵入的薄弱環節,大樓雷電電磁場的分布直接影響到具有敏感元器件的計算機及控制終端的布局。在設計規劃時,對大樓內網絡設備的安裝位置應避開雷電涌集中的雷電流分布通道,力求安裝在建筑物的中部位置,即雷電電磁場最小的室內中央位置,并且網絡設備避免直接使用大樓的外墻體的電源插孔。

  另外,智能大廈PDS系統的雷電過電壓保護建立在大樓的接地系統共用一個接地網,即聯合接地的基礎上,采用SPD(正確選用各類SPD)對侵人大樓內計算機、控制終端及網絡數據線、信號線、傳輸設備、遙控、監控系統及無線系統天饋線的雷電過電壓進行抑制,并對智能大廈出入纜線采取屏蔽、接地等措施,可有效減少雷電對信號及網絡系統的侵害。雖然智能大廈PDS系統雷電過電壓保護是防雷要素中極為重要的因素之一,但由于如何減少雷害確是一個整體的、全面的防雷問題,因此只有將防雷問題從各個方面加以解決,按照聯合接地均壓等電位的理論、避雷針的保護半徑、浪涌電流就近疏導分流、內線纜的屏蔽接地和通信電源及信號線的雷電過電壓多級保護的原則,正確選擇雷電過電壓保護器件和防雷方案(根據年雷暴日、海拔高度、環境因素做出選擇和考慮),進行整體的、綜合的雷電防護,才能有效減少雷害。

 

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