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摘要：
随着科技的不断进步，现代智能建筑或工业建筑对电气系统防雷设计和施工提出了更高的要求，其中因地制宜地进行防雷设计和采取防雷措施，对防止和减少建筑电气和电子系统损坏或错误运行及人身伤亡尤为重要。本文针对某一工业安全自动化监测系统遭受雷击损坏故障的情况，全面分析了其遭受雷击的原因，并提出了系统的防雷性能改进方案。
关键词：
雷电；雷击；感应雷；防雷改进
1前言
随着我国电子信息化建设进程的加快，包含各种精密电子设备的计算机网络信息系统被广泛应用于工业监测与控制领域。但电气电子系统中集成电路的过电压、过电流及电磁脉冲的耐受水平却很低。一般晶体管或集成电路IC的工作电压只有几伏，而由雷电感应的电压高达几百伏甚至几万伏，不仅可以击坏通信装置或监测模块等电子设备，甚至因通信中断引发事故。因此，此类建筑物不但应设防直击雷的外部防雷装置，还应采取防感应雷侵入的措施。为了便于读者深入理解和实践建筑物电气系统防雷综合举措，下面列举一个由笔者成功设计并施工的工业建筑物电气系统防雷改进工程。
2成功的建筑物电气系统防雷举措实例
该案例为某工厂大坝安全自动化监测系统防雷性能的提升改造。该大坝安全自动化监测系统于2002年11月投运，直至进行系统防雷性能提升改造前，连续多年遭遇多次雷击，造成系统通讯瘫痪、各类模块损坏和模块电源开关跳闸等故障，造成较大的经济损失。
2．1该大坝安全自动化安全监测系统构成及布置
该厂水工建筑物（大坝）安全监测自动化数据采集系统是智能分布式数据采集系统。该系统由DAU2000型数据采集单元、计算机、各类通信线路媒介和一套基于Windows2000／NT平台的DSIMS大坝安全监控管理软件组成。其中数据采集单元（DAU2000）分散布置在大坝现场，负责对所纳入的各类传感器进行数据采集；计算机及DSIMS软件则负责整个系统的管理、数据处理分析及管理和网络通信等。该系统由33台布置在现场的数据采集单元（DAU2000）、1个布置在中央控楼（共7层的办公楼）的现场网络监控站组成：（1）数据采集单元布置在各测站，直接与所纳传感器相接；（2）布置在中控楼的现场网络监控站主要配置包括1台工控机（监控主机）和1台便携机（临时网络监控站）、1台工作站、1台服务器、1台隔离净化稳压电源、1台UPS、1个232／485防雷转换模块及1台绘图仪等；（3）现场数据采集单元之间及数据采集单元与现场网络监控站工控机之间的通信采用双绞屏蔽电缆。
2．2大坝安全自动化监测系统受雷击损坏原因分析
（1）雷击损坏原因分析。对连续多年的雷击故障进行分析表明，容易遭受雷击损坏的测站的数据采集单元的模块主要集中在：坝顶的D11、D9测站和泄水底孔的D8测站、EL120（120高程）的D6测站、EL100的D2、D3、D1测站；电源模块和数据采集模块均有发生损坏。并且，感应雷击是导致系统通信故障的直接原因。该建筑屏蔽情况分析：该厂不同高程的大坝廊道整体是一个用钢筋网布成的一个法拉第笼（屏蔽体），在靠大坝廊道两侧墙壁的地筋上面布有两条接地扁铁（做为环形接地网），并与大坝廊道地筋进行电气连接。但EL120的大坝廊道由于走向是纵向（沿着河水方向）———往大坝下游的方向通往大坝外，不能对其内部的设备起屏蔽保护作用。防雷区划：将大坝的防雷区划分为LPZ0和LPZ1区两个区。LPZ0区包括大坝廊道拱形顶外面区域、坝顶没有屏蔽的建筑物内区域，EL120的大坝廊道区域由于电磁屏蔽效果差，也划入LPZ0；大坝廊道内的区域为LPZ1区。LPZ0区内各设备均可能遭受到雷击，并且电磁强度没有衰减。LPZ1区内各设备不大可能遭受雷击，从其多年的运行情况来看，也说明了大坝廊道的LPZ1区的电磁屏蔽效果较好。感应雷入侵途径分析：感应雷对大坝监测系统的雷击损坏主要是通过空间电磁辐射在电力线路、信号馈线感应过电压入侵该系统，从而造成网络系统设备的损坏。侵入途径主要有：①进出大坝的数据采集单元（DAU）的传感器线路、供电线路、系统通信网络等，在大坝外受感应雷而加载的雷电压及过电流沿线路窜入，侵害大坝监测自动化设备；②直接通过空间电磁场辐射到LPZ0区的设备造成损坏。（2）现有防雷体系缺陷分析。经过现场调查研究发现，该系统频繁遭受雷击的主要原因如下：①电源装置防雷器件配置不完善。根据模块电源过流跳闸和电源模块经常损坏的故障分析，电源系统的防雷配置是明显不够完善的。虽然每个测站的电源模块的交流输入接口和直流输出接口均配有电涌保护器，并配有隔离变压器，对于模块本身来说配置已相当完善，但由于雷电产生了强大的过电压、过电流，无法一次性在瞬间完成泄流和限压。所以，电源系统必须采取多级的防雷保护，至少必须采取泄流和限压前后两级防雷保护；②信号系统防雷设计有缺陷，数据线共模缺失。根据模块死机、数据采集模块损坏或模块通道损坏和通信不稳定的故障分析，信号系统的防雷措施和防干扰措施还是不够完善的。首先，在LPZ0区的通信电缆容易遭受感应雷而侵害与其连接的网络系统；而且平行铺设的电缆，当某一电缆被雷电击中时，会在相邻的电缆感应出过电压。该厂数据采集模块在通信的接口处只配置内置式的纵向电涌保护器是不够的（双绞线的两根芯线纵向冲击电压的差值在感应雷击的情况下，应该是很小的），每根芯线的横向冲击电压在这时可能非常高。每个测站的数据采集模块包括在电气上互相隔离的电源部分、数据采集部分（与传感器相接）和通信部分，虽然模块的直流地是悬浮的，可以承受2500V的耐压，但由雷电感应的电压可高达几万伏，这时就有可能击穿模块各功能部分的绝缘，往地泄放（如，经过传感器的引线向大坝外泄放，或经电源接口往电源线方向泄放）；③等电位连接和防雷保护接地施工不到位。接地与等电位连接措施没有做好：D6测站的DAU箱外壳没有接地；D1测站的DAU箱外壳没有直接接地（仅与电缆桥架相连，但电缆桥架的接地不良好），所以电源模块的电涌保护器是起不到较好的保护效果的。尤其是D6测站的DAU箱，由于处于LPZ0区，所以其接地特别重要，接地除了泄放雷电流外，屏蔽接地的箱子外壳还将起很重要的作用，相当于构建了高于LPZ0区保护效果的LPZ1区。施工时敷设在大坝廊道两侧墙壁的地筋上面的两条接地扁铁做为环形接地网，没有被利用作为大坝监测系统的接地装置，而是利用照明配电箱和动力配电箱的的PE线作为接地装置（该PE线由大坝区域外的坝顶左岸配电房引入大坝），因此，就存在没有进行等电位连接的问题，而且有可能当该配电房系统受雷击时，雷电波通过PE线侵入造成高电位反击；④金属屏蔽及重复接地缺漏。损坏的数据采集模块的大部分还是传感器接口损坏。所有进出大坝廊道的电缆用未全部用金属管道进行屏蔽并埋地或两端、多端接地引入。如，D6、D9、D11测站的传感器（用于监测绕坝渗流）电缆保护钢管未进行可靠的防雷接地处理。又如EL120高程D6测点的绕坝式传感器电缆的入户端未穿管屏蔽。对传感器电缆回路实施屏蔽能有效地降低信号线与地之间感应电压幅值。但当雷击能量较大时，在电缆线路对电大地之间产生过大的感应冲击电压，仍可能导致接口电路的损坏。
2．3综合防雷措施改进方案
基于以上分析，提出并实施了该厂大坝安全自动化监测系统抗雷击性能的改造方案。该方案是基于屏蔽是二次防雷的第一道防线且是最具效果的防线这一理念进行设计的，重点在于封堵各种屏蔽漏洞。因此对电源线、传感器线、通信线进行全程穿金属管屏蔽，并将金属管进行多点等电位连接。采取该有效的屏蔽措施可以使监测系统基本不受雷击电磁脉冲的侵扰，比一味安装多级保护器行之有效，且节省费用。
2．3?1封堵各种屏蔽漏洞
（1）传感器线路：①将暴露在野外的所有传感器引线进行穿钢管保护并埋地，钢管之间进行可靠的焊接，钢管必须可靠接地，并且进行多点接地（管两端一定要可靠接地）；为此必须沿传感器引线钢管保护埋地敷设扁铁（截面积不小于40×4mm）或圆钢（直径不小于Φ10mm），并将其与大坝地网两点或两点以上可靠焊接。为了确保镀锌管永久性连接良好，在管直通处加Φ8mm圆钢将两根管焊接；②D6、D9、D11测站的绕渗传感器线路重点进行可靠的穿钢管保护接地处理；③坝顶引张线保护管也应和大坝地网可靠焊接。（2）DAU供电线路：①将暴露在野外的所有电源线进行穿镀锌钢管保护并必须可靠多点接地；为了确保镀锌管永久性连接良好，在管直通处加Φ8mm圆钢将两根管焊接；②DAU箱的接地点应和大坝地网可靠连接形成等电位，同样，接地点的引出必须用扁铁或圆钢；不能象目前一样直接用长距离铜线作为防雷地线；③系统通信网。将D8测站和D6测站之间、坝顶的野外的通信电缆用镀锌钢管保护并可靠多点接地。
2．3?2完善等电位连接和防雷保护接地
（1）对大坝廊道内的接地环与全厂主地网的连通情况用接地电导通测试仪进行测试，检查其导通情况是否符合要求，若不符合要求应进行整改（该厂的全厂接地电阻约为0?5Ω左右，完全符合防雷接地电阻的要求）；（2）将PE线与接地环、DAU箱、电涌保护器的外壳连在一起。同时将不带电的、未接地或未良好接地的金属外壳、电缆的金属外皮、建筑物的金属构架、管线、电缆桥架和各种管道与接地系统作电气连接；（3）专门为D6测点作一个屏蔽箱或对D6测箱的屏蔽性能改善，并将其单点接地；（4）所有电源防雷模块及通信防雷模块、DAU箱的接地线应尽可能以最短的线与地网连接。
2．3?3完善电源系统和通信信号系统的防雷器件配置
（1）在坝顶左岸配电房内隔离稳压电源前面再设电源防雷箱，内配空气限流开关（10A）及菲尼克斯（德国）电源专用防雷模块（B＋C级：FLT50N／PECTRL－1?5＆FLT35CTRL－1?5＆VAL－MS－400），电源防雷箱内的安装底板与箱体可靠接地，电源先串连到箱内的空气限流开关，防雷模块位于空气开关之后，与被保护的电源线并联连接。铁塔隔离电源与电源防雷箱的引出线相连；（2）在D6、D8、D9、D5测站安装一C级菲尼克斯专用电源防雷模块及通信防雷模块，防雷模块的保护地与该处地网可靠连接。
3结论
经过屏蔽、等电位连接、防雷保护接地、电源系统和通信信号系统防雷设计改造后的该工厂大坝安全自动化监测系统的抗雷击性能大大提高，经受住了每年的强雷雨天气的考验，在极端强烈的雷雨天气仍能安全稳定运行。可见以建筑物金属屏蔽为核心，采用等电位连接、防雷保护接地、电源系统和通信信号系统防雷器件设计等多措并举的综合系统防雷方案是十分有效而且经济的防雷工程方案，可以在防感应雷工程实践中大力推广，并总结出建筑物电气系统防感应雷的基本综合举措：（1）建筑物装设内部防雷接地装置。防雷电感应的接地装置应与电气和电子系统的接地装置共用，其工频接地电阻不宜大于10Ω。同时，保证外部防雷装置与防雷电感应的接地装置、建筑物金属体、金属装置、建筑物内系统之间的间隔距离。当屋内设有等电位连接的接地干线时，其与防雷电感应接地装置的连接，不应少于两处；（2）等电位连接。在建筑物的地下室或地面层处的物体———建筑物内的设备、管道、构架、电缆金属外皮、钢屋架、钢窗等较大金属物和突出屋面的放散管、风管等金属体和金属装置、建筑物内系统、进出建筑物的金属管线应与防感应雷接地装置做防雷等电位连接。建筑物应装设等电位连接环，环间垂直距离不应大于12m，所有引下线、建筑物的金属结构和金属设备均应连到环上。等电位连接环可利用电气设备的等电位连接干线环路；（3）建筑屏蔽，金属屏蔽及重复接地。屏蔽是最具效果的防感应雷的举措。金属屋面周边每隔18m～24m应采用引下线接地一次。现场浇灌的或用预制构件组成的钢筋混凝土屋面，其钢筋网的交叉点应绑扎或焊接，并应每隔18m～24m采用引下线接地一次，形成钢筋网布成的一个法拉第笼（屏蔽体）。还应重点采用有效屏蔽、重复接地等办法，避免架空导线直接进入建筑物楼内和机房设备，尽可能埋地缆进入，并用金属导管屏蔽，屏蔽金属管在进入建筑物或机房前重复接地，最大限度衰减从各种导线上引入雷电高电压；（4）装设防雷器件。主要包括电源防雷和信号系统防雷两个方面。根据楼房建设的要求，配电系统电源防雷应采用一体化防护。信号系统通常根据通讯线路的类型、通讯频带、线路电平等选择通讯避雷器，将其串联在通讯线路，需要在信号传输性能与防雷性能之间做平衡，效果会受限。
作者：张玉林
参考文献
［1］杨金夕主编．防雷接地及电气安全技术［M］，机械工业出版社，2004
