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摘要：
隨著科技的不斷進步，現代智能建筑或工業建筑對電氣系統防雷設計和施工提出了更高的要求，其中因地制宜地進行防雷設計和采取防雷措施，對防止和減少建筑電氣和電子系統損壞或錯誤運行及人身傷亡尤為重要。本文針對某一工業安全自動化監測系統遭受雷擊損壞故障的情況，全面分析了其遭受雷擊的原因，并提出了系統的防雷性能改進方案。
關鍵詞：
雷電；雷擊；感應雷；防雷改進
1前言
隨著我國電子信息化建設進程的加快，包含各種精密電子設備的計算機網絡信息系統被廣泛應用于工業監測與控制領域。但電氣電子系統中集成電路的過電壓、過電流及電磁脈沖的耐受水平卻很低。一般晶體管或集成電路IC的工作電壓只有幾伏，而由雷電感應的電壓高達幾百伏甚至幾萬伏，不僅可以擊壞通信裝置或監測模塊等電子設備，甚至因通信中斷引發事故。因此，此類建筑物不但應設防直擊雷的外部防雷裝置，還應采取防感應雷侵入的措施。為了便于讀者深入理解和實踐建筑物電氣系統防雷綜合舉措，下面列舉一個由筆者成功設計并施工的工業建筑物電氣系統防雷改進工程。
2成功的建筑物電氣系統防雷舉措實例
該案例為某工廠大壩安全自動化監測系統防雷性能的提升改造。該大壩安全自動化監測系統于2002年11月投運，直至進行系統防雷性能提升改造前，連續多年遭遇多次雷擊，造成系統通訊癱瘓、各類模塊損壞和模塊電源開關跳閘等故障，造成較大的經濟損失。
2．1該大壩安全自動化安全監測系統構成及布置
該廠水工建筑物（大壩）安全監測自動化數據采集系統是智能分布式數據采集系統。該系統由DAU2000型數據采集單元、計算機、各類通信線路媒介和一套基于Windows2000／NT平臺的DSIMS大壩安全監控管理軟件組成。其中數據采集單元（DAU2000）分散布置在大壩現場，負責對所納入的各類傳感器進行數據采集；計算機及DSIMS軟件則負責整個系統的管理、數據處理分析及管理和網絡通信等。該系統由33臺布置在現場的數據采集單元（DAU2000）、1個布置在中央控樓（共7層的辦公樓）的現場網絡監控站組成：（1）數據采集單元布置在各測站，直接與所納傳感器相接；（2）布置在中控樓的現場網絡監控站主要配置包括1臺工控機（監控主機）和1臺便攜機（臨時網絡監控站）、1臺工作站、1臺服務器、1臺隔離凈化穩壓電源、1臺UPS、1個232／485防雷轉換模塊及1臺繪圖儀等；（3）現場數據采集單元之間及數據采集單元與現場網絡監控站工控機之間的通信采用雙絞屏蔽電纜。
2．2大壩安全自動化監測系統受雷擊損壞原因分析
（1）雷擊損壞原因分析。對連續多年的雷擊故障進行分析表明，容易遭受雷擊損壞的測站的數據采集單元的模塊主要集中在：壩頂的D11、D9測站和泄水底孔的D8測站、EL120（120高程）的D6測站、EL100的D2、D3、D1測站；電源模塊和數據采集模塊均有發生損壞。并且，感應雷擊是導致系統通信故障的直接原因。該建筑屏蔽情況分析：該廠不同高程的大壩廊道整體是一個用鋼筋網布成的一個法拉第籠（屏蔽體），在靠大壩廊道兩側墻壁的地筋上面布有兩條接地扁鐵（做為環形接地網），并與大壩廊道地筋進行電氣連接。但EL120的大壩廊道由于走向是縱向（沿著河水方向）———往大壩下游的方向通往大壩外，不能對其內部的設備起屏蔽保護作用。防雷區劃：將大壩的防雷區劃分為LPZ0和LPZ1區兩個區。LPZ0區包括大壩廊道拱形頂外面區域、壩頂沒有屏蔽的建筑物內區域，EL120的大壩廊道區域由于電磁屏蔽效果差，也劃入LPZ0；大壩廊道內的區域為LPZ1區。LPZ0區內各設備均可能遭受到雷擊，并且電磁強度沒有衰減。LPZ1區內各設備不大可能遭受雷擊，從其多年的運行情況來看，也說明了大壩廊道的LPZ1區的電磁屏蔽效果較好。感應雷入侵途徑分析：感應雷對大壩監測系統的雷擊損壞主要是通過空間電磁輻射在電力線路、信號饋線感應過電壓入侵該系統，從而造成網絡系統設備的損壞。侵入途徑主要有：①進出大壩的數據采集單元（DAU）的傳感器線路、供電線路、系統通信網絡等，在大壩外受感應雷而加載的雷電壓及過電流沿線路竄入，侵害大壩監測自動化設備；②直接通過空間電磁場輻射到LPZ0區的設備造成損壞。（2）現有防雷體系缺陷分析。經過現場調查研究發現，該系統頻繁遭受雷擊的主要原因如下：①電源裝置防雷器件配置不完善。根據模塊電源過流跳閘和電源模塊經常損壞的故障分析，電源系統的防雷配置是明顯不夠完善的。雖然每個測站的電源模塊的交流輸入接口和直流輸出接口均配有電涌保護器，并配有隔離變壓器，對于模塊本身來說配置已相當完善，但由于雷電產生了強大的過電壓、過電流，無法一次性在瞬間完成泄流和限壓。所以，電源系統必須采取多級的防雷保護，至少必須采取泄流和限壓前后兩級防雷保護；②信號系統防雷設計有缺陷，數據線共模缺失。根據模塊死機、數據采集模塊損壞或模塊通道損壞和通信不穩定的故障分析，信號系統的防雷措施和防干擾措施還是不夠完善的。首先，在LPZ0區的通信電纜容易遭受感應雷而侵害與其連接的網絡系統；而且平行鋪設的電纜，當某一電纜被雷電擊中時，會在相鄰的電纜感應出過電壓。該廠數據采集模塊在通信的接口處只配置內置式的縱向電涌保護器是不夠的（雙絞線的兩根芯線縱向沖擊電壓的差值在感應雷擊的情況下，應該是很小的），每根芯線的橫向沖擊電壓在這時可能非常高。每個測站的數據采集模塊包括在電氣上互相隔離的電源部分、數據采集部分（與傳感器相接）和通信部分，雖然模塊的直流地是懸浮的，可以承受2500V的耐壓，但由雷電感應的電壓可高達幾萬伏，這時就有可能擊穿模塊各功能部分的絕緣，往地泄放（如，經過傳感器的引線向大壩外泄放，或經電源接口往電源線方向泄放）；③等電位連接和防雷保護接地施工不到位。接地與等電位連接措施沒有做好：D6測站的DAU箱外殼沒有接地；D1測站的DAU箱外殼沒有直接接地（僅與電纜橋架相連，但電纜橋架的接地不良好），所以電源模塊的電涌保護器是起不到較好的保護效果的。尤其是D6測站的DAU箱，由于處于LPZ0區，所以其接地特別重要，接地除了泄放雷電流外，屏蔽接地的箱子外殼還將起很重要的作用，相當于構建了高于LPZ0區保護效果的LPZ1區。施工時敷設在大壩廊道兩側墻壁的地筋上面的兩條接地扁鐵做為環形接地網，沒有被利用作為大壩監測系統的接地裝置，而是利用照明配電箱和動力配電箱的的PE線作為接地裝置（該PE線由大壩區域外的壩頂左岸配電房引入大壩），因此，就存在沒有進行等電位連接的問題，而且有可能當該配電房系統受雷擊時，雷電波通過PE線侵入造成高電位反擊；④金屬屏蔽及重復接地缺漏。損壞的數據采集模塊的大部分還是傳感器接口損壞。所有進出大壩廊道的電纜用未全部用金屬管道進行屏蔽并埋地或兩端、多端接地引入。如，D6、D9、D11測站的傳感器（用于監測繞壩滲流）電纜保護鋼管未進行可靠的防雷接地處理。又如EL120高程D6測點的繞壩式傳感器電纜的入戶端未穿管屏蔽。對傳感器電纜回路實施屏蔽能有效地降低信號線與地之間感應電壓幅值。但當雷擊能量較大時，在電纜線路對電大地之間產生過大的感應沖擊電壓，仍可能導致接口電路的損壞。
2．3綜合防雷措施改進方案
基于以上分析，提出并實施了該廠大壩安全自動化監測系統抗雷擊性能的改造方案。該方案是基于屏蔽是二次防雷的第一道防線且是最具效果的防線這一理念進行設計的，重點在于封堵各種屏蔽漏洞。因此對電源線、傳感器線、通信線進行全程穿金屬管屏蔽，并將金屬管進行多點等電位連接。采取該有效的屏蔽措施可以使監測系統基本不受雷擊電磁脈沖的侵擾，比一味安裝多級保護器行之有效，且節省費用。
2．3?1封堵各種屏蔽漏洞
（1）傳感器線路：①將暴露在野外的所有傳感器引線進行穿鋼管保護并埋地，鋼管之間進行可靠的焊接，鋼管必須可靠接地，并且進行多點接地（管兩端一定要可靠接地）；為此必須沿傳感器引線鋼管保護埋地敷設扁鐵（截面積不小于40×4mm）或圓鋼（直徑不小于Φ10mm），并將其與大壩地網兩點或兩點以上可靠焊接。為了確保鍍鋅管永久性連接良好，在管直通處加Φ8mm圓鋼將兩根管焊接；②D6、D9、D11測站的繞滲傳感器線路重點進行可靠的穿鋼管保護接地處理；③壩頂引張線保護管也應和大壩地網可靠焊接。（2）DAU供電線路：①將暴露在野外的所有電源線進行穿鍍鋅鋼管保護并必須可靠多點接地；為了確保鍍鋅管永久性連接良好，在管直通處加Φ8mm圓鋼將兩根管焊接；②DAU箱的接地點應和大壩地網可靠連接形成等電位，同樣，接地點的引出必須用扁鐵或圓鋼；不能象目前一樣直接用長距離銅線作為防雷地線；③系統通信網。將D8測站和D6測站之間、壩頂的野外的通信電纜用鍍鋅鋼管保護并可靠多點接地。
2．3?2完善等電位連接和防雷保護接地
（1）對大壩廊道內的接地環與全廠主地網的連通情況用接地電導通測試儀進行測試，檢查其導通情況是否符合要求，若不符合要求應進行整改（該廠的全廠接地電阻約為0?5Ω左右，完全符合防雷接地電阻的要求）；（2）將PE線與接地環、DAU箱、電涌保護器的外殼連在一起。同時將不帶電的、未接地或未良好接地的金屬外殼、電纜的金屬外皮、建筑物的金屬構架、管線、電纜橋架和各種管道與接地系統作電氣連接；（3）專門為D6測點作一個屏蔽箱或對D6測箱的屏蔽性能改善，并將其單點接地；（4）所有電源防雷模塊及通信防雷模塊、DAU箱的接地線應盡可能以最短的線與地網連接。
2．3?3完善電源系統和通信信號系統的防雷器件配置
（1）在壩頂左岸配電房內隔離穩壓電源前面再設電源防雷箱，內配空氣限流開關（10A）及菲尼克斯（德國）電源專用防雷模塊（B＋C級：FLT50N／PECTRL－1?5＆FLT35CTRL－1?5＆VAL－MS－400），電源防雷箱內的安裝底板與箱體可靠接地，電源先串連到箱內的空氣限流開關，防雷模塊位于空氣開關之后，與被保護的電源線并聯連接。鐵塔隔離電源與電源防雷箱的引出線相連；（2）在D6、D8、D9、D5測站安裝一C級菲尼克斯專用電源防雷模塊及通信防雷模塊，防雷模塊的保護地與該處地網可靠連接。
3結論
經過屏蔽、等電位連接、防雷保護接地、電源系統和通信信號系統防雷設計改造后的該工廠大壩安全自動化監測系統的抗雷擊性能大大提高，經受住了每年的強雷雨天氣的考驗，在極端強烈的雷雨天氣仍能安全穩定運行?？梢娨越ㄖ锝饘倨帘螢楹诵?，采用等電位連接、防雷保護接地、電源系統和通信信號系統防雷器件設計等多措并舉的綜合系統防雷方案是十分有效而且經濟的防雷工程方案，可以在防感應雷工程實踐中大力推廣，并總結出建筑物電氣系統防感應雷的基本綜合舉措：（1）建筑物裝設內部防雷接地裝置。防雷電感應的接地裝置應與電氣和電子系統的接地裝置共用，其工頻接地電阻不宜大于10Ω。同時，保證外部防雷裝置與防雷電感應的接地裝置、建筑物金屬體、金屬裝置、建筑物內系統之間的間隔距離。當屋內設有等電位連接的接地干線時，其與防雷電感應接地裝置的連接，不應少于兩處；（2）等電位連接。在建筑物的地下室或地面層處的物體———建筑物內的設備、管道、構架、電纜金屬外皮、鋼屋架、鋼窗等較大金屬物和突出屋面的放散管、風管等金屬體和金屬裝置、建筑物內系統、進出建筑物的金屬管線應與防感應雷接地裝置做防雷等電位連接。建筑物應裝設等電位連接環，環間垂直距離不應大于12m，所有引下線、建筑物的金屬結構和金屬設備均應連到環上。等電位連接環可利用電氣設備的等電位連接干線環路；（3）建筑屏蔽，金屬屏蔽及重復接地。屏蔽是最具效果的防感應雷的舉措。金屬屋面周邊每隔18m～24m應采用引下線接地一次?，F場澆灌的或用預制構件組成的鋼筋混凝土屋面，其鋼筋網的交叉點應綁扎或焊接，并應每隔18m～24m采用引下線接地一次，形成鋼筋網布成的一個法拉第籠（屏蔽體）。還應重點采用有效屏蔽、重復接地等辦法，避免架空導線直接進入建筑物樓內和機房設備，盡可能埋地纜進入，并用金屬導管屏蔽，屏蔽金屬管在進入建筑物或機房前重復接地，最大限度衰減從各種導線上引入雷電高電壓；（4）裝設防雷器件。主要包括電源防雷和信號系統防雷兩個方面。根據樓房建設的要求，配電系統電源防雷應采用一體化防護。信號系統通常根據通訊線路的類型、通訊頻帶、線路電平等選擇通訊避雷器，將其串聯在通訊線路，需要在信號傳輸性能與防雷性能之間做平衡，效果會受限。
作者：張玉林
參考文獻
［1］楊金夕主編．防雷接地及電氣安全技術［M］，機械工業出版社，2004
