公安指揮大樓防雷初步設計方案
[摘要]：本文簡要介紹了公安指揮大樓所處的雷電環境以及對該大樓產生雷電危害的幾種形式，通過計算建筑物的預計年雷擊次數來確定該建筑物的防雷類別為第二類，通過雷擊風險評估確定該建筑物電子信息系統的雷電防護等級為A級，在這些工作的基礎上，初步提出了包含防直擊雷、防雷電波侵入、屏蔽、等電位及綜合布線措施的防雷設計方案。
[關鍵詞]：公安大樓 防雷 設計方案
一、概述
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隨著公安裝備現代化水平的進一步提升，公安大樓中使用了大量的信息系統靈敏設備，一方面，這些設備的敏感性高，抗雷電電磁脈沖的能力差，很容易受到侵害；另一方面，這些信息系統的重要性、特殊性要求整個系統的安全可靠性非常高，要求信息的傳輸及存儲以及顯示不可以出差錯、不可以中斷。所以在公安大樓信息系統實施完備、可靠的防雷措施是非常必要的。安�？h47年（1958-2004年）年平均雷暴日Td平均值為69.8 d/a，最多年份達92天，屬多雷區。安�？h公安指揮大樓位于安�？h城北開發新區，是多雷區中的雷災事故多發區，雷災事故時有發生。該處地勢平坦，四周尚未建房，因此空曠孤立。擬建十層，為全框架鋼筋水泥結構，110指揮中心信息機房擬放于大樓的第八樓，該綜合信息機房是全縣公安信息交換的中心，因此對雷電防護有較高的要求。
擬建建筑物寬15 m，長39 m，高32.8 m。
經實測該地土壤電阻率為200Ω•m。
電源線、電話線、網絡線、城防監控視頻信號線擬為架空線轉換為電纜埋地引入，配電系統為TN-S型式。
�。ǘ⿲υ摯髽钱a生危害的雷電形式
雷電現象是指雷云之間或雷云與地之間迅猛放電的過程，在該過程中，不僅會產生強大的雷電流（可達數十至數百千安），并且會伴隨有強烈的閃光和巨大的聲響。對大樓產生危害的雷電形式有：
1.直擊雷擊
直擊雷擊是指雷云之間或雷云與地物（比如建筑物）之間與的某一點放電，雷電電流平均約為20000A，雷電電壓大約是1010伏，一次雷電的周期約為千分之一秒，強大的雷電流通過被擊建筑物時將產生熱效應，這種熱效應所產生的巨大熱量會使被擊物體溫度突升，甚至引起火災。 也能使空氣急劇膨脹，并以超生速向四周擴散，其外圍附近的冷空氣被強烈壓縮，形成“激波”，它會破壞其附近的建筑物、人員、樹木等。 并且雷電流通過導體產生的雷電電磁場，會產生電動力效應，使處在其中的導體受力變形甚至折斷。
該樓高度較高,地處空曠，遭直擊雷擊的可能性大。
2.感應雷擊
感應雷擊是在雷云之間或雷云對地的放電時，通過建筑物外部的傳輸信號線路、埋地電力線、設備間連接線和電磁感應并侵入設備，強大的雷電流會產生強大的電磁場，使串聯在線路中間或終端的電子設備遭到損害，它通過直接或電容耦合方式在輸電線路上形成暫態過電壓以流動波形式沿線路傳播。雷電流有50%是直接流入大地，還有50%是流入各電氣管道（如電源線、信號線和金屬管道等）。一般在以雷擊中心1.5－2km范圍內都可能產生危險過電壓,損壞電路上的設備。
雷擊放電對于具有避雷設施的建筑物時，雷電波沿著建筑物頂部接閃器（避雷帶、避雷線、避雷網或避雷針）、引下線泄放到大地的過程中，會在引下線周圍形成強大的瞬變磁場，輕則使電子設備受到干擾，數據丟失，產生誤動作或暫時癱瘓；嚴重時可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個系統陷于癱瘓。
該樓內使用了大量的信息系統靈敏設備，遭感應雷擊危害可能性大。
3.雷電波侵入
雷電不直接放電在建筑和設備本身，而是對布放在建筑物外部的線纜放電。在線纜上產生很高的雷電過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴散，侵入并危及室內電子設備和自動化控制等各個系統。因此，往往在聽到雷聲之前，我們的電子設備、控制系統等可能已經損壞。
該樓電源線、電話線、網絡線、城防監控視頻信號線均從外面引入，遭雷電波侵入危害可能性大。
4.系統內部操作過電壓
因斷路器的操作、電力重負荷以及感性負荷的投入和切除、系統短路故障等系統內部狀態的變化而使系統參數發生改變，引起的電力系統內部電磁能量轉化，從而產生內部過電壓，即操作過電壓。
操作過電壓的幅值雖小，但發生的概率卻遠遠大于雷電感應過電壓。實驗證明，無論是感應過電壓還 是內部操作過電壓，均為暫態過電壓（或稱瞬時過電壓），最終以電氣浪涌的方式危及電子設備，包括破壞印刷電路印制線、元件和絕緣過早老化壽命縮短、破壞數據庫或使軟件誤操作，使一些控制元件失控。
系統內部操作過電壓的危害難以避免。
5.地電位反擊
如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設施，接地網的地電位會在數微秒之內被抬高數萬或數十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分，流向供電系統或各種網絡信號系統，或者擊穿大地絕緣而流向另一設施的供電系統或各種網絡信號系統，從而反擊破壞或損害電子設備。同時，在未實行等電位連接的導線回路中，可能誘發高電位而產生火花放電的危險。在方案設計時，要采取綜合措施，減免地電位反擊的危害。
二、設計依據及確定防雷類別
�。ㄒ唬┲饕O計依據
此方案的主要設計依據為:
《建筑物防雷設計規范》 GB50057-94（2000年版）
《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB50343-2004
《雷電電磁脈沖的防護》 IEC 1312-1，2，3
《低壓供電系統中的過電壓保護器》 IEC 61643，1998
《計算機信息系統防雷保安器》 GA 173-1998
《計算機信息系統雷電電磁脈沖安全防護規范》 GA 267-2000
《電子計算機房設計規范》 GB 50174-93
《過電壓保護器》 VDE-0675
《建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范》 CECS 72-97
�。ǘ┐_定建筑物的防雷類別
通過計算建筑物的預計年雷擊次數N1值來確定該建筑物的防雷類別。
N1=K•Ng•Ae ，
其中Ng=0.024Td1.3
Ae={LW+2(L+W)√[H(200-H)]+3.14H(200-H)}10-6，
式中：N1—建筑物年預計雷擊次數(次/a) ，K—校正系數，該樓屬孤立建筑物，取2.0，Ng—建筑物所在地雷擊大地年平均密度(次/Km2•a) ，Td—年平均雷暴日(d/a)，據統計， Td= 69.8 d/a，Ae—與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積(Km2) ，L—建筑物長度(m) ，W—建筑物寬度(m) ，H—建筑物高度(m) 。W =15 m，長L =39 m，H =32.8 m，計算出預計年雷擊次數N1為 0.31 次/a，按照《建筑物防雷設計規范》(GB50057－94) （2000年版），N1大于 0.3 次/a，因此該辦公樓劃為第二類防雷建筑物。
�。ㄈ┐_定建筑物電子信息系統的雷電防護等級
通過雷擊風險評估確定該建筑物電子信息系統的雷電防護等級。
建筑物及入戶設施年預計雷擊次數N（次/年）由建筑物年預計雷擊次數N1和建筑物入戶設施年預計雷擊次數N2相加而得，即N＝N1＋N2。前已計算N1為0.31次/a，現計算N2= Ng•Ae＇=( 0.024Td1.3) •(Ae1＇ + Ae2＇ )=4.79（次/年）。
Ae1＇—電源線纜入戶設施的截收面積（Km2）,對于低壓埋地電纜按2dsL10-6 計算。
Ae2＇—信號線纜入戶設施的截收面積（Km2），對于埋地信號線按2dsL10-6計算，該地土壤電阻率為200Ω•m，因此等效寬度ds值為200，L值為1000 m。
N＝N1＋N2=0.31+4.79=5.1
建筑物電子信息系統系統設備，因直擊雷和雷電電磁脈沖損壞可接受的年平均最大雷擊次數NC可按下式計算：
NC＝5.8×10-1.5/C（次/年）
式中C－各類因子之和，C=C1+C2+C3+C4+C5+C6，C1到C6分別表示建筑物材料結構因子、重要程度因子、耐沖擊類型和抗沖擊過電壓能力因子、雷電防護區因子、發生雷擊事故的后果因子、區域雷暴等級因子，對于該建筑物其值分別為1.0，2.5，1.0，1.0，1.5，1.4，計算出C為8.4，NC為0.022。
比較N和NC值，確定建筑物內電子信息系統設備是否需要安裝雷電防護裝置： 此處N＞NC，應安裝雷電防護裝置。
根據防護裝置攔截效率E確定其雷電防護等級：此處E＝1－NC/N=0.996＞0.98，定為A級，應設四級保護。
三、初步設計方案
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1、接閃器
由于天面形狀為長方形且房屋高度較高，用普通避雷針保護需多根才能保護到，故考慮用避雷帶作接閃器。在屋面澆混凝土前，利用屋面鋼筋焊接成9.75 m×7.5m的網格，另外沿建筑物屋面天溝外沿敷設￠12鍍鋅圓鋼避雷帶，屋面水箱四周也安裝避雷帶保護，屋面其他金屬物均就近連接到避雷帶上。避雷帶支撐間隔１m，轉角處0.5m。
2、引下線
取所有鋼筋混凝土柱子內對角線上的兩根￠10以上圓鋼通長焊接作引下線，在屋面與鋼筋網格相連，最底層與地圈梁鋼筋焊接，中間樓層與樓層圈梁或樓板鋼筋焊接，引下線水平間距見圖示，在需要接地的樓層或房間，從距離擬安裝設備位置最近的柱子鋼筋上用4×40扁鋼焊出，作為備用的各種接地的接地端子。
接閃器和柱內內引下布置見圖1:
圖1 天面防雷示意圖 3、接地裝置
利用基礎底板水平鋼筋搭接成接地網，該地網與承臺鋼筋相連，承臺鋼筋與地圈梁鋼筋連接，地圈梁鋼筋連接形成閉合環路，組成自然的共用接地體（交流工作地、安全保護地、邏輯工作地、電源避雷器接地、信號避雷器接地、靜電接地、屏蔽接地均共防直擊雷地），其接地電阻要求小于1Ω, 此接地具有經濟、實用、接地電阻低、均衡電位的優點。經測算，本建筑利用基礎內鋼筋網作為接地體，在周圍地面以下距地面0.5 m，每根引下線所連接的鋼筋表面積總和能夠遠遠滿足表達式S≥4.24Kc2=0.82 m2的要求。因此，此聯合共用接地是可行的。
本設計利用建筑物的鋼筋作為引下線，同時建筑物的大部分鋼筋、鋼結構等金屬物與被利用的部分連成整體，金屬物或線路與引下線之間的距離可不受限制，也即可以不考慮防止雷電流流經引下線和接地裝置時產生的高電位對附近金屬物或電氣線路的反擊問題。
￠12圓鋼搭接雙面焊縫長度大于6d=7.2cm，4×40扁鋼焊接長度2b=8cm，焊接處一遍防銹漆、兩遍銀粉漆做防銹處理。
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1、電源線防雷電波侵入
按層層防護、分級泄流的原則，在防雷區(LPZ)的各個界面或接近界面處,也就是電源系統的各級配電柜前端以及重要用電設備前端安裝相應電涌過電壓保護器（SPD），以有效地減小雷電流的能量，限制雷擊高壓脈沖，使之小于被保護設備承受能力，保護供電、用電設施。
電源低壓線路采用架空線轉換為埋地電纜引入，此處2√ρ=2√200＜50，其埋地長度應≥50ｍ，且埋地深度大于 0.6m，在入戶端將電纜金屬外皮與防雷的接地裝置相連，在架空線由終端桿引下后轉換成電纜的連接處，將電纜金屬外皮、絕緣子鐵腳、金具等連在一起接地，其沖擊接地電阻不應大于10Ω。
首級電源電涌保護器標稱放電電流的選擇 ：
根據GB 50057-94（2000版）第6.3.4條和附表6.1提供的雷電流參數：對于第二類防雷保護,應按總雷電流150KA(10/350μS波形)來考慮電涌保護器選擇，雷電流中的50%即75kA是通過接地系統（水管、鎧裝電纜外皮或導線的金屬保護管等）直接入地；另外50%通過安裝在相線和中線上的電涌保護器入地�？紤]到50%雷電流分配到電源系統的最惡劣環境 ，電涌保護器每相上的雷電流約為：Iimp =[150 kA×50%]÷4 =18.75kA（線路無屏蔽時），因此，本建筑物首級電涌保護器的每相標稱放電電流應≥20kA（10/350μS）。
在大樓總配電箱輸出端設第一級標稱放電電流In≥80kA(8/20us波形) 的三相電源限壓型SPD或 ≥ 20kA(10/350us波形) 的開關型SPD，在各樓層配電箱設第二級標稱放電電流≥40kA(8/20us波形)的限壓型SPD，在總信息機房UPS前端裝設第三級標稱放電電流≥20KA(8/20us波形) 電源線路限壓型SPD，在總信息機房的計算機等終端用電設備前設第四級標稱放電電流≥10kA(8/20us波形)電源線路限壓型浪涌保護器。由于大樓內大量的信息終端存在，從經濟角度考慮，對于除信息機房外的其他房間的用電設備，電源線路做三級防護即可。
在實際的安裝過程中，需要注意級間的距離要求：第一級（電壓開關型）與第二級（限壓型）SPD之間的線路長度要求大于等于10 m，其他各級SPD(均為限壓型)之間的線路長度則要求大于等于5 m，否則多級防護的作用將大打折扣。為防止浪涌保護器遭受雷擊損壞后電源對地短路，需要在浪涌保護器前安裝短路保護器件（如空氣開關）作為短路保護裝置。電源電涌保護器連接導線的線徑要求如表1：
表1 電源電涌保護器連接導線線徑規格
保護級別 |
電源電涌保護器類型 |
導線最小截面積（mm2） |
電源電涌保護器連接相線銅導線 |
電源電涌保護器接地端連接銅導線 |
第一級 |
開關型或限壓型 |
16 |
25 |
第二級 |
限壓型 |
10 |
16 |
第三級 |
限壓型 |
6 |
10 |
第四級 |
限壓型 |
4 |
6 |
廣州立信防雷科技公司是一家專門從事防雷產品的研究和開發工作十余年的高科技企業，其產品經作者的多年使用，認為該品牌產品具有技術先進、性能穩定、種類齊全、價格適中的特點，因此，此設計方案中均選用該公司的各系列產品。具體選擇如下：
一級浪涌保護器選擇廣州立信防雷科技公司的組合式（開關型+限壓型）三相電源保護器REP-XEL385B20產品：配電系統TN-S， 最大工作電壓Uc=385V，通流容量In=80kA，限制電壓Up≤4kV，有顏色劣化顯示，內置I級后備熔斷器REP-FB-I，作為保護器后備保險裝置，并配備有雷擊計數器。
二級浪涌保護器選擇廣州立信公司的限壓型三相電源保護器REP-D380B7B，該產品最大工作電壓Uc=385V，通流容量In=40kA，限制電壓Up≤2.5kV，顏色劣化顯示, 內置II級后備熔斷器REP-FB-II。
三級浪涌保護器選擇廣州立信公司的限壓型單相電源保護器REP-D220B3產品，最大工作電壓275V，通流容量In=20kA，限制電壓 Up≤1.5kV，顏色劣化顯示，電源浪涌保護器前安裝市售16A熔斷器或后備熔斷器REP-FB-III。
四級浪涌保護器選擇廣州立信公司的限壓型單相電源防雷插座REP-D220CK產品，最大工作電壓275V，通流容量In=10kA，限制電壓 Up≤1.5kV。
2、信號線防雷電波侵入
公安大樓信息機房是公安信息交換的樞紐，由于大樓內部各種計算機、控制終端、監控系統、終端設備等各系統之間的通信連線縱橫交錯，非常復雜，有的連接線很長，這些通信連接線易受到雷電電磁脈沖的感應和影響，從而侵害設備。所以必須在程控交換設備、電話機、視頻設備、公用網、公安專用網等信號線路上安裝信號避雷器，防因地電位升高或線路感應過電壓。
對于由架空轉化成埋地引入的公用網絡、公安專用網絡、110報警電話、城保攝像監控等各種信號線路的，在入戶前埋地長度必須≥50 m，并將線纜屏蔽層或光纜加強芯兩端均接地。
信號線路避雷器具體選擇如下：
在公安大樓局內電話程控交換機前選用廣州立信防雷科技公司的REP-X03-TEL避雷器，每一臺可保護10路，根據大樓的局內電話總臺數，選用一臺或多臺，該產品最大持續工作電壓Uc=130V，標稱放電電流In=5kA，電壓保護水平Up≤350V，插入損耗≤0.5db。
在公安110專用電話排隊交換機前每路進線選用避雷器REP-X03-PSTN，該產品最大持續工作電壓Uc=130V，標稱放電電流In=5kA，電壓保護水平Up≤350V，插入損耗≤0.5db，該型號一個避雷器僅保護一對電話進線。在每部外部可直接撥入的電話機前串接REP-X01-DH通信線路避雷器，該產品最大持續工作電壓Uc=130V，標稱放電電流In=5kA，電壓保護水平Up≤270V，插入損耗≤0.5db。
在城防監控系統設備的視頻線路上選用REP-16GVD機架式視頻信號避雷器，該產品最大持續操作電壓1.4V，標稱放電電流In=5KA，電壓保護水平Up≤12V，插入損耗≤0.5db，每臺可保護的端口數為16口。
在公用網絡、公安專用三、四級網絡的Modem的信號入口處安裝REP-X04-ADSL（或REP-X04-DDN或REP-X04-ISDN）專線避雷器，該產品最大持續運行電壓180V，標稱放電電流In=5.0 KA，電壓保護水平Up≤270V，插入損耗≤0.5db。交換機信號出線線路上選用8線保護、接口方式為RJ45的REP-24RJ45E100/8型計算機網絡避雷器，該產品最大持續運行電壓5V，標稱放電電流（8/20us）In=300A(線/線)In=2.5 kA(線/地)，電壓保護水平Up≤13V(線/線)，Up≤700V(線/地)，插入損耗≤0.3db，保護的端口數為24口。此外還必須在服務器、前臺計算機以及與交換機的線路長度超過20 m的局域網終端計算機信號線路入口處串接REP-X06-RJ45100，其技術參數同REP-24RJ45E100/8。計算機網絡信號線路防雷示意圖2：
圖2 計算機網絡信號線路防雷示意圖 進入建筑物的金屬管道（如鍍鋅水管）應就近與共用聯合接地網相連接。
�。ㄈ┢帘�、等電位及綜合布線措施
主機房墻壁中的結構鋼筋、上下樓層鋼筋在相交處電氣連接，并與金屬門窗焊接，初步構成一個屏蔽籠，可以大大減弱雷電電磁波的侵入，在室內沿墻壁四周再做一圈保護接地環，沿該接地環每隔一定距離與屏蔽籠上的結構鋼筋做電氣連接。地面靜電地板下采用30×3mm薄銅排，做成0.6×0.6 m的網格，銅排網格接到保護接地環上構成等電位連接，光纜加強芯、電源浪涌保護器、信號浪涌保護器、各箱體、殼體、機柜、走線架以及進入機房各金屬管道均就近等電位連接于此銅排網上，構成M型等電位連接方式。等電位連接采用6mm2銅芯導線就近接于匯流排或等電位銅排網格�；顒拥匕彖F架與銅網格進行電氣聯接，聯接點不少于四點，間距≤3m。網絡布線采用“超五類”屏蔽雙絞線，壓AMP頭，采用標準19英寸配線架，網線采用靜電地板橋架布線，橋架全程貫通并兩端接地。主機房活動地板下部的低壓配電線路采用銅芯屏蔽導線或銅芯屏蔽電纜，電源線應盡可能地遠離計算機信號線，避免并排敷設。電源線纜與通信、數據線纜不能共線槽，通信電纜線槽以及地線線槽的布放應盡量避免緊靠建筑物立柱或橫梁并沿建筑物立柱或橫梁布線較長的距離，通信電纜線槽以及地線線槽盡可能位于距離建筑物立柱或橫梁較遠的位置。
四、結語
本文在確定公安大樓的防雷類別和建筑物電子信息系統的雷電防護等級的基礎上，遵從系統防雷“整體防御、綜合治理、多重保護，層層設防”的原則，根據公安大樓信息系統多樣性的實際，有針對性地采取分流、接閃、均壓、接地、屏蔽、合理布線等綜合防雷措施，既考慮了外部防雷又考慮了內部防雷，既考慮了防直擊雷又考慮了防雷電波侵入、防感應雷，總之從各個可能的雷擊引入途徑進行規劃保護，從而提高了公安大樓整體防雷的效果，使雷電的危害降低到最低點，以確保公安大樓內人員、設備財產安全以及110報警系統、城防監控系統、公用網絡、公安專用網絡的安全穩定運行。
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Primary Design Project For Protection Against Lightning Of The Police Security Commanding Building Wang Sheng-kuan Nanjing University Of Information Science & Technology, Adult Education College Nanjing 210044,China ABSTRACT： This article first briefly introduced the thunder and lightning and against public security command lightning buildings where the environment by calculating the building is expected to determine the frequency of lightning strikes in the building of the type of lightning protection for the second one, the lightning through the risk assessment to determine the building Lightning Protection of Electronic Information System for A-level grades, In these efforts based on a preliminary contain anti-Zhi Jilei, lightning invasion waves, mask, such as the PDS and potential measures to mine design．
Key word: The Police Security Commanding Building Protection Against Lightning Design project
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