中國農業發展銀行分宜縣支行綜合樓防雷工程設計方案

摘要：隨著銀行信息處理系統的電子化、設備的集成化的提高和數字技術的發展，銀行綜合樓內弱電設備越來越多，各種設備之間的連線線縱橫交錯，其網絡系統對浪涌較為敏感，電路對雷電的承受能力進一步下降，因而經常遭受雷擊。本文根據筆者對該銀行實施的防雷工程為基礎，分析了雷電致災的原因，入侵的方式、途徑，設計了防雷方案，著重討論了在綜合樓內的綜合布線系統方面如何采取防止雷害的方法和措施。
關鍵詞：農發行分宜支行；綜合樓；綜合布線系統；子系統；防雷；設計方案
　　1、引言
　　 隨著現代通訊技術及網絡技術的發展，銀行間的業務結算不斷依賴計算機，其業務向集成化發展。綜合辦公樓線纜密布、系統設備繁多、微電子設備復雜。這些設備特別是連接的網絡交換機、服務器、計算機、精密的微電子設備，它們的靈敏度高、耐壓低、時時刻刻都大量的數據進行交換，并且數據線電源線分布很廣，很容易受到各種干擾。在這些干擾中，雷電和過電壓對系統的影響最為嚴重，輕則導致系統的誤操作，重則造成系統數據的丟失，系統癱瘓和硬件設備的永久損壞。在如今的信息時代，這些設備及數據都較為重要，一旦損壞造成長時間停運，會帶來巨大的經濟損失。如何使通訊設備及其他設施不受雷電的侵害，是十分重要的。
　　2、綜合大樓遭受雷擊的分析
　　2．1 雷電的危害形式
　　2.1.1 直擊雷和感應雷
　　雷電直接擊中線路并經過電器設備入地的雷擊過電流稱為直擊雷；由雷閃電流產生的強大磁場變化與導體感應出的過電壓，過電流形成的雷擊稱為感應雷。
　　2.1.2 電磁脈沖輻射
　　閃電放電時，其電流是隨時間變化的，而非均勻變化。一次閃電往往由幾個短脈沖放電組成。一個中等的雷電放電，其第一個脈沖電流幅值大約為30KA，其最大電流陡度大約為12KA/μs。后續的脈沖電流幅值大約只有12KA，但其最大脈沖電流陡度大約為40KA/μs，因此脈沖電流就向外輻射電磁波，這種電磁波雖然也隨著距離的增大而減小，但卻比較緩慢，閃電的電磁脈沖輻射通過空間以電磁波的形式耦合到對瞬態電磁脈沖極其敏感的設備，會造成設備故障或損壞設備[2]。
　　2.1.3雷電過壓侵入
　　當建筑物或設備并不處于雷暴區域內，或者雖在雷暴活動區域內，但建筑物或設備已受到防直擊雷的避雷裝置的保護與屏蔽，有時仍會遭受到雷害。其原因可能是在進線、出線或某些金屬管道上未采用防雷電過電壓的措施。直擊雷或感應雷都可能使導線或金屬管道產生過電壓。這種過電壓沿著導線或金屬管道從遠處雷區或防雷保護區域之外傳來。侵入建筑物內部或設備內部。導致建筑物結構、設備損壞或人員傷亡。由于雷電過電壓沿著導線或金屬管道傳播的距離遠，擴散面大，特別是當地并無雷電活動，人員毫無思想準備，所以雷電過電壓造成的損失比較嚴重。據統計，在電子設備遭受的雷擊事故中，雷電過電壓沿電源線侵入設備而造成的雷擊故障，大約要占80%。
　　2.1.4反擊電壓侵入
　　雷暴活動區域內，當雷電閃擊到建筑物的接閃裝置時，盡管接地裝置的接地系統十分良好，其接地電阻也很小，但由于雷電流幅值大，波頭陡度高，雷電流流過時也會因接地引下線與各種金屬導線、管道或用電設備上的工作地線間的絕緣距離未達到安全要求，造成接地引下線與各種金屬導線、管道或用電設備間的工作地線之間放電，從而使這些金屬導線、管道或用電設備間的工作地線上引入反擊電流，造成人身和設備雷擊事故。此外，由于避雷接地裝置在雷擊瞬間使其周圍的地電位上升。這樣即使該避雷接地裝置與建筑物內其他設備的工作接地裝置是分開的，也難免因兩個接地裝置之間的距離未達到安全要求而造成地中放電，致使仍處于零電位的其他設備的工作接地引入反擊電流而損壞設備。
　　2.2 雷電過壓和反擊電壓入侵綜合樓內計算機系統
　　目前在防雷系統設計上，是執行國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057—94，設計由避雷網（帶），避雷針或混合組成的接閃器，立柱基礎的鋼筋網與鋼屋架，屋面板筋等構成一個整體，避雷網通過全部立柱基礎的鋼筋作為接地體，將強大的雷電流流入大地。計算機系統安置在建筑物內，受建筑物防雷系統保護，直擊雷擊中計算機網絡系統的可能性非常小，計算機設備抗直擊雷能力很低，保護設備非常昂貴，通常不必安裝防直擊雷的設備，而計算機網絡必須防感應雷[3]。
　　感應雷可由靜電感應產生，也可由電磁感應產生，形成感應雷電壓的幾率很高，對建筑物內低壓電子設備威脅巨大，計算機網絡系統及電話程控交換機的防雷重點是防止感應雷入侵。入侵計算機系統的雷電過電壓過電流主要有以下三個途徑（如圖1）：

圖1 近點雷擊對設備形成損壞的途徑

　　2.2.1交流電220V電源供電線路入侵
　　計算機系統的電源由電力線路輸入室內，電力線路可能遭受直擊雷和感應雷。直擊雷擊中高壓電力線路，經過變壓器耦合到220V低壓，入侵計算機供電設備；另外低壓線路也可能被直擊雷擊中或感應雷電過電壓。在220V電源線上出現的雷電過電壓平均可達10000V，對計算機網絡系統可造成毀滅性打擊。
　　2.2.2由計算機通信線路入侵
　　可分為三種情況：首先，當地面突出物遭直擊雷打擊時，強雷電壓將附近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進而擊穿外皮，使高壓入侵線路。其次，雷云對地面放電時，在線路上感應出上千伏的過電壓，擊壞與電路相連的電器設備，通過設備連線侵入通信線路。這種入侵沿通信線路傳播，涉及面廣，危害范圍大。另外，若通過一條多芯電纜連接不同來源的導線或者多條電纜平行敷設時，當某一導線被雷電擊中時，會在相鄰的導線感應出過電壓，擊壞低壓電子設備。
　　2.2.3地電位反擊電壓通過接地體入侵
　　雷擊時強大的雷電流通過引下線和接地體泄入大地，在接地體附近放射型的電位分布，若有連接電子設備的其他接地體靠近時，即產生高壓地電位反擊，入侵電壓可高達數萬伏。建筑物防直擊雷的避雷引入了強大的雷電流通過引下線入地，在附近空間產生強大的電磁場變化，會在相鄰的導線（包括電源線和信號線）上感應出雷電過電壓，因此建筑物避雷系統不但不能保護計算機，反而可能引入雷電。計算機網絡系統等設備的集成電線芯片耐壓能力很弱，通常在100V以下，因此必須建立多層次的計算機防雷系統，層層保護，確保計算機特別是計算機網絡系統的安全。
　　此外，現代計算機網絡對雷電極為敏感，即使幾公里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控制中心誤動作或損壞。根據國外資料介紹0.07GS的磁感應強度可造成計算機誤動作，1.96GS的磁感應強度可造成計算機假性損壞，2.4GS的磁感應強度可造成計算機永久性損壞。
　　3、現場勘測
　　3.1場地勘測
　　本工程位于分宜縣城的南側。周邊無高大建筑物。建筑物總共有7層，樓頂無管道外露。屋頂高度為24.50m，建筑物周長80.6m、寬15m。樓頂沿女兒墻和易遭受雷擊部位敷設了一圈避雷帶，實測其接地電阻為3.8Ω，符合規范要求。
　　3.1.1建筑物為框架式結構，每根構造柱的對角鋼筋作為引下線使用。 作為引下線使用的柱子的沖擊接地電阻為1.8Ω，其土壤電阻率為180Ω/m。
　　3.1.2該建筑物周圍無強烈的電磁放射源，因此建筑物所處的環境為弱電磁環境。在做雷電防護設計時除機房、營業廳外其他設備可不必考慮電磁屏蔽。
　　3.1.3每層電氣豎井旁都預留有樓層等電位連接端子。
　　3.1.4該建筑物已做直擊雷防護，但具體細節還須改進。
　　3.1.5建筑物基礎內主筋焊接形成閉合回路作為自然接地體。
　　3.1.6供配電系統未做雷電感應防護措施，電源采用TN-S系統。
　　3.1.7信息系統未做雷電感應防護措施，
　　3.2設備勘測
　　3.2.1銀行系統網絡機房1個、計算機網絡語音中心機房1個，都位于大樓5樓中間房間，靠建筑物外墻。計算機網絡分機房2個，1個位于大樓四樓，另1個位于大樓一樓。
　　3.2.2消防監控室1個，位于建筑物1樓。大樓每層均設有樓層火警報警器。
　　3.2.3 配電房1個，位于建筑物西面，與大樓隔一條寬5米的馬路，大樓每層都設有樓層分配電柜。
　　3.2.4銀行營業廳1個位于建筑物1樓。ATM自動取款機1臺。
　　3.2.5電梯1臺。電梯間1個，位于頂樓。
　　3.2.6水泵房1個，位于建筑物地下1樓。
　　3.2.7辦公用電腦21臺、打印機10臺，傳真機2臺、復印機1臺。
　　3.2.8監控攝像頭9個，4個使用云臺安裝在銀行營業廳內，4個使用立桿在建筑物周圍。1個使用云臺安裝在配電房外。
　　3.2.9大樓配備發電機，每個機房均裝設有UPS不間斷電源。
　　3.3機房勘測
　　3.3.1銀行辦公大樓的年預計雷擊次數為0.142次/a。
　　3.3.2根據GB50343-2004 中4.3的規定，確定該建筑物內機房雷電防護等級為B級。
　　3.4現狀分析
　　根據對中國農業開發銀行分宜縣支行的現場勘測，可知大樓已做直擊雷防護，并符合規范的要求。樓層等電位端子板已預留。
　　建筑物柱梁貫通情況良好，已形成法拉第籠。但是所有弱電設備均沒有做好雷電波和雷電電磁脈沖防護。供配電系統，信息系統沒有做好雷電防護。
　　現對以上的不足之處進行防雷方案設計。
　　4、 現代雷電防護系統的組成
　　現代防雷技術把防雷保護分為三種：外部防雷保護、內部防雷保護、過電壓保護。運用系統思想綜合考慮并協調各個子系統，使雷擊產生的危害盡可能降低到各系統的承受能力之內。該樓的防雷技術措施見圖2

圖2   防雷系統圖

　　5、綜合樓防雷設計方案
　　5．1　設計依據
　　GB50057-2000   《建筑物防雷設計規范》
　　GB5034-2004    《建筑物電子信息系統防雷規范》
　　GB50169-92     《電氣裝置安裝工程接地裝置及驗收規范》
　　GB50174-93     《電子計算機機房設計規范》
　　IEC61643       《SPD電源防雷器》
　　IEC61644       《SPD通信網絡防雷器》
　　5．2　雷電防護系統的組成
　　5．2．1防直擊雷措施
　　5．2．1．1．根據《建筑物防雷設計規范》GB50057-94（2000版）的規定，該建筑物屬于第二類防雷建筑物。
　　5．2．1．2　由于中國農業發展銀行分宜縣支行綜合大樓已經按照規范要求在樓頂敷設避雷帶作為直擊雷接閃器，大樓柱梁內鋼筋的連接情況良好，引下線的設置合理。因此不需再做直擊雷的防護。
　　5．2．2　電源線路雷電防護措施
　　電力傳輸線是涉及范圍最為廣泛的傳輸線，事實證明80％以上的雷電入侵波來自于電力傳輸線，對于中國農業發展銀行分宜縣支行的網絡數據及語音、消防監控制等系統內的電源線路的防雷應采取“多重保護、層層設防”的原則，根據設備的重要程度和地理位置進行有重點，有層次的多級保護，從而逐步將入侵雷電波的過電壓、過電流降到設備可以承受的水平。
　　中國農業發展銀行分宜縣支行內各功能區的用電是由配電房集中供電實現的，即：由總配電房內配電柜分動力、空調、照明等多條供電線路分別供至樓內用電系統。因此，對網絡數據及語音、消防監控等系統設備的供電線路防感應雷保護也要整體考慮。中國農業發展銀行分宜縣支行的配電系統采用的是TN-S系統。共有2套供電線路，1套為常用線路，1套為UPS備用電路，因此電源線路應裝設兩套避雷器。在建筑物總配電箱及各樓層配電箱處均設計安裝有防雷浪涌保護器，安裝方式及設備的選型均符合國標GB50057-1994（2000版）《建筑物防雷設計規范》第6.4.1條及6.4.2條對電涌保護器的相關設計標準。

圖3 商業銀行大樓配電示意圖

　　5．2．3　屏蔽接地、等電位連接處理
　　5．2．3．1　在接地方面，共設引下線14條，符合國標GB50057-1994（2000版）《建筑物防雷設計規范》第3.3.3條、對二類建筑物防直擊雷引下線間隔不大于18米的設計標準。建筑物的利用建筑物的鋼筋作為防雷裝置及利用基礎內鋼筋網作為接地體的，柱內鋼筋均采用φ24螺紋鋼，符合國標GB50057-1994（2000版）《建筑物防雷設計規范》第3.3.5條的相關設計標準。
　　5．2．3．2　等電位連接方面，各配電間及設備機房均設計有等電位連接及留有接地接口，大樓的廣告牌、金屬門窗及金屬外墻也應進行接地處理，符合國標GB50057-1994《建筑物防雷設計規范》第6.3.1條及6.3.2條關于屏蔽、接地和等電位連接的相關設計標準。
　　5．2．3．3　大樓柱梁電氣貫通情況良好，引下線及所有的鋁合金門窗，玻璃幕墻金屬骨架應焊接相連。
　　5．2．3．4　所有設備機房內的靜電地板均已做好接地處理，在設備機房內設置等電位連接端子板（120*80*8的銅板），所有設備的機殼、機架均用不小于10平方毫米多股銅芯線就近接至等電位連接端子板，以減少各系統設備之間或設備與設備之間因雷擊而產生電位差。
　　5．2．3．5　進入大樓的所有外露可導電外層應在LPZ0B區與LPZ1區交界處進行總等電位連接后接地，在后續的雷電防護區交界處按總等電位連接的方法進行局部等電位連接。
　　5．2．3．6　進入大樓的光纜，在入戶處將光纜中的加強鋼筋作接地處理，接地線就近接至接地匯集排。
　　5．2．3．7　樓內電話語音線路采用的三類大對數電纜有條件最好敷設在屏蔽槽（管）內，并將電纜的金屬屏蔽層在進入機房前和另一端作接地處理，接地線就近接地。
　　5．2．3．8　避雷器接地線規格：

SPD連接最小截面積

　　通過對以上各系統的設備及金屬線路的接地處理，可保證樓內各系統的設備處于等電位狀態，在大樓遭受雷擊時不至于產生電位差。
　　5．2．4　消防、監控系統雷電防護措施
　　監控系統中的攝像頭一般安裝在室外處于LPZ0B區，接地電阻為3.8Ω，符合規范要求。其電源線極易感應雷電電磁脈沖并對其設備造成損壞。
　　室內監控攝像頭的云臺與視頻線和控制線上安裝的信號避雷器以及電源避雷器的接地線用6mm2 的銅線連接在銀行營業廳的局部等電位連接端子上。
　　所有監控攝像頭的電源線、視頻線和控制線均是套銅管埋地設置，銅管在控制室的入戶端應該作接地
　　處理。

圖4  監控中心

圖5  銀行內部網絡示意圖

　　銀行內部網絡數據線為光纜埋地通過線槽井引入。
　　在交換機與服務器相連的數據線上安裝一組相應的信號避雷器，用來保護交換機和各服務器免遭受雷電電磁脈沖的侵害。
　　光纜為非金屬信號線路不能感應雷電壓，但其加強芯可感應雷電電磁脈沖，應對加強芯進行可靠接地。
　　5．2．9　網絡數據線路雷電防護
　　寬帶網絡數據線路同樣為光纜埋地通過弱電井引入。
　　在交換機與服務器相連的100Mbps的超五類雙絞線兩端上安裝一組相應的信號避雷器，用來保護交換機和各服務器免遭受雷電電磁脈沖的侵害。
　　光纜為非金屬信號線路不能感應雷電壓，但其加強芯可感應雷電電磁脈沖，應對加強芯進行可靠接地。

圖6   寬帶網絡示意圖

　　5．2．10　電話信號線路雷電防護
　　電話信號線路通過7樓計算機網絡語音中心機房經過弱電井輸送出來。
　　在中心機房內PBX的大對數通信電纜的入線端安裝一組保安接線排，用來保護中心機房內程控交換機免遭電話線路因220V電路碰線和雷電電磁脈沖的侵害。
　　交換機柜內的交換機，應按照設備要求對其進行就近接地處理。
　　5．3　設備機房電磁屏蔽與等電位連接
　　根據IEC和GB的有關計算機機房的標準，機房地線有二類：獨立地線和共用地線。但從防雷角度來看，必須使用共地，目的是減少雷電的高壓反擊。共地的基本目的是希望達到等電位，抵御雷電的高壓反擊。如果強行等電位，必將造成不愉快的后果，IEC61312明確指示：當共地無法實現時，采用電壓瞬間導通的SPD元件，實現雷電來臨時，達到瞬間共地。
　　根據GB50343-2004 中4.3的規定，確定該建筑物內機房雷電防護等級為B級。
　　5．3．1　消防監控室
　　消防監控室位于大樓的1樓。內有操作臺1個，電視墻柜1個、語音報警柜1個、空調1臺、UPS不間斷電源。各設備均已做好接地處理。

圖7消防監控室平面圖

　　等電位連接，機房采用S型接地系統，即將電視墻柜外殼語音報警柜外殼、操作臺外殼、UPS不間斷電源控制主機外殼使用16mm2的銅線接于局部等電位連接端子上。
　　均勻布置2m2的Φ6.5的鋼材于機房內墻組成屏蔽網格，并與門窗連接。天花板與地面采用內部已有鋼筋做屏蔽，屏蔽網格與防靜電地板、等電位連接端子做好連接處理。
　　5．3．2　各網絡機房
　　銀行內部網絡機房位于大樓7樓。內有交換機柜2個、服務器2臺、UPS不間斷電源1套、空調1臺。

計算機網絡語音中心機房平面圖

　　計算機網絡分機房2個，1個位于大樓4樓，1個位于大樓1 0樓。每個機房內設備

圖8銀行內部網絡機房平面圖

圖9計算機網絡分機房平面圖

　　各機房雷電電磁防護均采用以下處理：
　　等電位連接，機房采用S型接地系統，即將各種設備外殼16mm2的銅線接于局部等電位連接端子上。
　　均勻布置2m2的Φ6.5的鋼材于機房內墻組成屏蔽網格，并與門窗連接。天花板與地面采用內部已有鋼筋做屏蔽，屏蔽網格與防靜電地板、等電位連接端子做好連接處理。
　　5．3．3　銀行營業大廳
　　銀行營業大廳位于大樓的一樓，內有監控攝像頭4個（使用云臺安裝）、辦公用電腦12臺、打印機12臺、復印機1臺、UPS不間斷電源1套。

圖10銀行營業大廳平面圖

　　室內監控攝像頭的云臺與視頻線和控制線上安裝的信號避雷器以及電源避雷器的接地線用6mm2 的銅線連接在一起，然后使用16mm2 的銅線統一連接到銀行營業廳的等電位連接端子上。
　　等電位連接，機房采用S型接地系統，即將各種設備外殼16mm2的銅線接于局部等電位連接端子上。
　　均勻布置2m2的Φ6.5的鋼材于大廳內墻組成屏蔽網格，并與門窗連接。天花板與地面采用內部已有鋼筋做屏蔽，屏蔽網格與防靜電地板、等電位連接端子做好連接處理。
　　5．3．4　電梯控制房、水泵房
　　電梯控制房位于大樓樓頂，沒有突出屋面。內有控制柜1個、配電柜1個、電梯電機4臺。電源系統受到大樓整體電源雷電防護。
　　控制柜內的控制線上安裝一組相應的信號避雷器，避雷器接地線與控制柜外殼用6mm2的銅線可靠連接。配電柜內安裝的避雷器接地線與配電柜外殼用6mm2 的銅線可靠連接。
　　將控制柜外殼、電梯電機的金屬底座、配電柜外殼用16mm2  的銅線連接到局部等電位連接端子板上。
　　水泵房位于大樓地下1層，供水管道埋地進入（已作接地處理）。內有控制柜1個，水泵電機4臺、配電柜1個。
　　控制柜內的控制線上安裝一組相應的信號避雷器，避雷器接地線與控制柜外殼用6mm2 的銅線可靠連接。配電柜內安裝的避雷器接地線配電柜外殼用6mm2 的銅線可靠連接。
　　將各種設備外殼用16mm2的銅線接于局部等電位連接端子上。
　　6、結束語
　　雖然銀行綜合大樓的防雷中各種要都很重要，但由于如何減少雷害是一個整體的、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，按照接地均壓環、等電位的理論、浪涌電流就近疏導分流、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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Agricultural Development Bank of China branch in Fenyi County complex engineering programs lightning
　　Ａo Ziwen
　　Nanjing University of Information    Nanjing 210044
　　ABSTRACT

With the bank's electronic information processing systems and equipment to improve the integration of digital technology and the development of an integrated bank building more and more weak equipment, a variety of devices to connect between the lines criss-cross, the network system More sensitive to surges, lightning circuit of a further decline in affordability, which often suffered by lightning. The author of this article in accordance with the Bank's implementation of the mine-based projects analyzes the reasons for the lightning hazard, the invasion of the way, the way to design a mine-awareness programs, focused on building an integrated in the premises distribution systems how to prevent The mine-affected and measures.
Key words: Fenyi branch of the Agricultural Development Bank; complex; PDS; subsystem; mine; design
Key words:  The Fen Yi branch bank of Agricultural development bank china subsystem avoiding of lighting solutions