|
雷電是一種自然現象，為一連串的干擾脈沖，地球上平均每秒發生100次左右雷電沖擊，其放電電流幅值可高達14 kA，在放電的瞬間，巨大的電流可產生極大的干擾電磁場。軍事、交通、電力、醫療、通信、廠礦等領域擁有眾多的地下建筑，隨著近代高科技的發展，尤其是微電子技術的高速發展，計算機網絡系統、自動控制系統、現代通信系統等不斷應用在地下建筑，使地下建筑物日益智能化。從結構特點來說，地下建筑并非完全與外界隔絕，而是通過電源線、通風口、自然防護體等或多或少地與外界保持著一定的聯系，因而使雷電形成的干擾電磁場有機可乘，勢必通過輻射、傳導、耦合的形式嚴重影響地下建筑內智能化系統的正常工作，甚至可能直接導致設備和系統的癱瘓。因此研究地下建筑物的防雷設計，避免雷電對各用電設備、人員造成傷害，保證地下建筑物完成特定的功能具有十分重大的意義。本文將從電磁兼容的角度來說明如何實現地下建筑物的防雷設計。 1 電磁兼容 電磁兼容是指設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。因此電磁兼容包含2個方面的要求：一方面是指設備在運行時對環境的電磁騷擾不能超過一定的限值；另一方面設備對其所在電磁環境中存在的電磁騷擾具有一定的抗擾度，即電磁敏感性。在GB／T4365－1995《電磁兼容術語》中把可能引起裝置、設備或系統性能降低或者對生命或無生命物質產生損害作用的各種電磁現象稱作電磁騷擾。把對設備、傳輸信道或系統性能構成下降影響時的電磁騷擾稱為電磁干擾［1］。要形成電磁干擾需要滿足如圖1所示的3個基本要素： （1）足夠強度的電磁騷擾源； （2）對該電磁騷擾能量敏感的接收器； （3）電磁騷擾傳輸到接收器的媒介。 因此保證電磁兼容性，提高設備抗干擾能力的原理是： （1）切斷干擾源； （2）提高受干擾設備的敏感度閾值； 電磁干擾有傳導干擾和輻射干擾兩種形式。 2 雷電電磁脈沖對地下建筑物的作用路徑 圖2為地下建筑物結構簡圖。為了排氣和通風，地下建筑物常設計有通風口，直接和外界相連。同時為了方便和外界的通信，還設計有安裝在地表的通信天線，在無內部發電機組的情況下，還將通過變壓器引入市電。因此為雷電提供了多種干擾途徑： （1）雷電電磁脈沖穿透巖土層形成輻射干擾； （2）雷電電磁脈沖作用于380 V，220 V電源線形成傳導干擾； （3）雷電電磁脈沖透過通風口的輻射以及傳導干擾； （4）雷電脈沖作用于通信天線信號傳輸通道后形成的干擾； （5）雷電脈沖作用于地表附屬建筑物后形成的干擾； （6）雷電脈沖通過地電位反擊形成的干擾。 3 于電磁兼容的地下建筑防雷設計 由于雷電對地下建筑物內部各設備、系統存在多種干擾途徑，因此其防雷設計可從抗干擾的原理出發，采取泄流、均壓、接地、屏蔽、隔離、濾波、過電壓保護等綜合防護措施，來保證建筑物內部各系統、設備的電磁兼容。雷電在電磁干擾中充當干擾源的角色，采用避雷針、接地、過電壓保護、濾波措施可以有效地抑制干擾源，采用屏蔽措施則可以減少耦合通道。如圖3所示為采用各種措施后的防雷系統示意圖。 3．1 面向電磁兼容的防雷區域的劃分 根據地下建筑物的結構，可將其劃分為內部防雷區和外部防雷區。外部防雷保護區是指直接暴露于雷擊的區域，用A表示，為地表附屬建筑物及設施所涵蓋的區域；內部防雷保護區是指沒有直接受到雷擊的區域，用B表示，為地表以下部分，包括鋼筋混凝土結構的墻體、內部各機房、設備。內部保護區又劃分為保護區域1、保護區域2、保護區域3，分別用B1，B2，B3表示。保護區域1為墻體與各機房之間的部分，保護區2為各機房，保護區域3為各設備機箱內部。 3．2 外部防雷 外部防雷的一般措施是使雷電流經避雷器或避雷針的接地引下線流入接地網。保護原理是：當雷云放電接近地面時，使地面電場發生畸變。在避雷針（線）頂部，形成局部電場強度畸變，從而影響雷電先導放電的發展方向，引導雷電向避雷針（線）放電，再通過接地引下線，接地裝置將雷電流引入大地，使被保護物免受雷擊。 3．2．1雷電流進入接地網的表征雷電流進入接地網以后有以下特點： （1）雷電流進入地網后將在入流點的地方形成波頭很陡的沖擊電壓波形。并且由于高頻時電感的作用，雷電流不易擴散，因而在注入點的附近電壓很快便降落到很低； （2）相同幅值的雷電流，頻率高的要比頻率低的產生的沖擊電壓要高，相同的波頭時間的雷電流，在相同的地網節點上產生的電壓的大小跟雷電流的幅值的大小近乎成正比； （3）雷電流從地網中心點流入，電流對稱地分散到地網的四面八方。 3．2．2對于外部防雷所采用的措施 對于外部防雷，將針對不同的設施采取相應的防護措施。 （1）天線的防雷 通信天線以及衛星接收天線防雷保護的目的是為雷擊放電提供安全通道，使雷電電荷順利進入大地，而不經天饋系統進入設備，危及建筑物內設備及人員的安全。為達到該目的，應在天線上加裝避雷器，同時，天線要與天線塔搭接，消除電弧的產生。避雷器或者避雷針要通過引下線與地網連接，天線塔也應與地網連接。為提高對雷擊的反應速度，應避免使用被動放電式避雷針，選擇提前放電主動式的避雷針。 （2）外部電源的防雷 一般民用地下建筑均采用市電輸入，為防止雷擊83變壓器、輸電線后產生過電壓以及傳導干擾，影響建筑物內設備的正常工作，同樣需采取嚴密的防雷措施，具體措施如下： ①為了避免雷擊輸電線路，造成跳閘等線路故障，在變壓器的輸電線桿塔上安裝氧化鋅避雷器，并通過引下線接入地網。 ②對變壓器采取良好的避雷措施：在變壓器頂端安裝避雷器或避雷針，并通過引下線到接地網，接地網由一些水平和垂直的導體棒做成網格狀直接埋于土中而成，他的作用不僅在于可以確保為電氣和電子儀器充當參考零電勢，而且還可以為內部或外部原因導致的故障電流提供入地的低阻通道。 輸電線桿塔以及變壓器上安裝的避雷器作為整個電源系統的第一級保護。 ③為避免雷擊后在輸電線上產生的耦合過電壓以傳導的形式進入地下建筑物內部，應把下戶電線、電纜穿鐵管埋入地下，最低穿鐵管長度不小于為當地土壤的電阻率（Ω·m））。所用的金屬管、電纜金屬屏蔽層接地線應同接地網相連。同時在接口處安裝濾波器，對設備易敏感的頻段實施濾波，保證電磁兼容。 （3）通風口的防雷 通風口如果為金屬管道或者鋼筋混凝土結構，應將金屬管或者鋼筋網連接到內部接地網。 3．3內部防雷 內部防雷是指對雷電波侵入的防護，其技術措施可分為屏蔽措施、均壓等電位措施和過電壓保護措施三部分。 3．3．1屏蔽措施 采用分級屏蔽措施，分三級屏蔽，分別對應保護區1，2，3的屏蔽。 （1）一級屏蔽 國內有專家分析認為雷電的能量大多分布在頻率為10多千赫以下，且有學者研究了鋼筋混凝土對電磁脈沖的屏蔽效能，得出對100 kHz以下的平面波型電磁脈沖峰值，鋼筋混凝土的電場屏蔽效能可達40 dB左右，磁屏蔽效能可達20 dB左右。鋼筋混凝土屏蔽效能加上巖土層對雷電脈沖的約20 dB的屏蔽效能后，可以得出總的屏蔽效能大約在60 dB左右，對于民用地下建筑物來說，以鋼筋混凝土作為一級屏蔽已經足夠了，但是對于軍用地下建筑物而言，該屏蔽效能還遠遠不夠，需要實施鋼板整體屏蔽。在一級屏蔽中，要將建筑物的鋼筋網、金屬構架、金屬門窗、金屬水管、金屬通風管等與地板相互連接在一起，形成法拉第網，并與地網有可靠的電氣連接，形成一級屏蔽網。 （2）二級屏蔽 對于重要設備，如計算機網絡系統、通信系統等，由于易受干擾，常有專門的機房，在一級屏蔽防護達不到要求的情況下，需要采取專門的屏蔽措施，例如在機房的墻面上刷電磁屏蔽涂料，采用金屬結構的墻體等，同時需要將機房墻體、金屬構件等接入接地網，形成次級屏蔽網。 （3）三級屏蔽 設備的屏蔽效果首先取決于初級屏蔽網和次級屏蔽網的衰減程度，其次取決于設備機箱對電磁波的反射損耗程度和吸收損耗程度，這又與所使用屏蔽材料的種類和厚度有關。由于大多電子設備在出廠時已經充分考慮了電磁兼容性，機箱具有較好的屏蔽電磁干擾的能力，因此三級屏蔽時應主要考慮屏蔽接地。在電子設備和電子系統中，各種電路均有電位基準，將所有的基準點連接到一個導體平面上（基準平面），所有信號都是以該基準平面作為零電位參考點，電子設備常以其金屬底座為基準面，為了設備的工作穩定和操作人員的安全，應將基準面與接地網相連。各設備只要有著良好的接地，就可以為雷擊等造成的感應電流提供通暢的泄流途徑，避免在各機殼上生成高電壓，帶來損壞設備和傷害人員的危險。 3．3．2均壓等電位連接 均壓等電位連接是內部防雷裝置的一部分，其目的在于減小雷電流引起的電位差。等電位連接的具體做法是把建筑物的金屬通風管道、金屬下水管道和其他大件金屬物以及建筑物梁、柱內的鋼筋作良好的電氣連接，并與所有接地網作良好的電氣連接。這樣，地下建筑物的所有電方面是全部連通的，當發生雷擊的時候整個建筑物成為一個統一的帶電體，各部分的電位差比不連接的時候遠遠要小，特別是各金屬物與其附近的金屬體之間電位差近于0。因此不會發生閃擊放電或者破壞建筑物的事故。 3．3．3過電壓保護 雷電侵害主要是通過線路侵入。外部防雷中的輸電線桿塔以及變壓器上安裝的避雷器雖然為電源提供了一級保護；但是通過傳導來的線路過電壓和過電流仍然足以干擾各系統的正常工作，為此，在地下建筑內部總配電盤至各機房配電箱間電纜內芯線兩端應對地加裝避雷器，作為二級保護；在所有重要的、精密的設備以及UPS的前端應對地加裝避雷器，作為三級保護。目的是用分流（限幅）技術即采用高吸收能量的分流設備（避雷器）將雷電過電壓（脈沖）能量分93流泄入大地，達到保護目的。 內部防雷的屏蔽、均壓等電位接地以及過電壓保護三部分是相互配合，各行其責，缺一不可的。 3．4內外部防雷的聯合接地 內外部防雷的聯合接地同樣是根據等電位連接原理，把各內外接地網通過金屬體相互連接起來，使他們之間成為電氣相通的統一接地網。采用聯合接地的原因有2個： （1）各通訊系統、計算機系統和電源系統的接地是為了獲得一個零電位點。如果各系統分別接地，當發生雷擊的時候各個系統接地點的電位可能相差很大。 （2）由于各系統采用獨立接地方式時要求各地網之間至少要有近20 m的安全距離，同時又要與各種金屬管道、電纜金屬屏蔽層和各大金屬構件要有足夠的距離，這些在實際設計和施工中是難以做到的［5］。圖4為采用聯合接地方式后的地下建筑物防雷系統示意圖。 4結語 對地下建筑防雷系統的設計并沒有固定不變的模式，因為影響地下建筑防雷系統設計的因素實在很多，這些因素包括有地下建筑物的種類、地理位置、當地氣候條件、內部設備系統的種類及布局等。因此要設計具體的地下建筑物的防雷系統必須充分調查，因地制宜，并合理應用各種防護措施，才能保證建筑物內各設備及系統的電磁兼容性，避免雷擊造成設備的損 壞及人員的傷害。 |
