综合布线系统的防雷
 

      随着人们在生活、工作中对信息、控制和管理的要求越来越高,智能建筑已经在全国各地普及。在智能建筑中,通信系统和计算机网络系统是发展最早、最威普及的智能系统,与之对应的综合布线系统就成为办公大楼、写字楼、医院、银行、宾馆、住宅楼等建筑中不可缺少的组成部分。可以说配置综合布线系统,犹如为建筑物建立了一个高速,大容量的信息传送平台,为建筑智能化提供了快速的信息通道。
      通常,以电子器件为核心的智能系统设备,其过电压、过电流能力一般不高,一旦出现雷击过电压,往往会发生设备被烧坏;同时雷击感应造成软件运行紊乱的情况。
      在智能系统中,综合布线系统是电话系统和计算机网络系统的物理基础,我国每年因雷击破坏建筑物内计算机网络系统的事件时有发生,所造成的损失是非常巨大的。因此综合布线系统的防雷设计就显得尤其重要。
 1. 常见的雷击现象
      雷电入侵电器设备的形式主要有两种:直击雷和感应雷:
 ◆ 直击雷
      雷电是指雷电直接击在建筑物的构架、动物或植物上,因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员、动植物的伤亡。
      一般防直击雷是通过避雷装置即接闪器(针、带、网、线等等)、引下线构成完整的电气通路后将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁,但雷电会透过多种形式及途径破坏电子设备。
      根据统计资料,当雷电直接击中建筑物时,在建筑物防雷系统的保护下,雷击能量的5%左右将侵入通信线路,因此智能系统被雷击坏的可能性不大。且现在用的计算机设备、通信设备和其它智能设备抗直击雷的能力很低、防护设备非常昂贵,如果真正受到直击雷的打击,则根本无力抵抗。故此在通常情况下智能系统中不必安装防护直击雷的设备。当然,建筑物防雷和电源系统防雷是必不可少的。
  ◆ 感应雷
      雷电在雷云之间或雷云对地的放电时,由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压/过电流形成的雷击称为感应雷。
      感应雷在附近(如100~500米)的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线上传输电磁感应,使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。
      感应雷虽然没有直击雷猛烈,但其发生的几率比直击雷高得多。直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害,而感应雷则不论雷云对地的闪击或者雷云对雷云之间的闪击,都可能引发一场灾难。此外,直击雷一次只能袭击一个小范围的目标,而一次雷闪击都可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压现象,并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传输到很远,致使雷害的范围扩大。
      同时,雷电在放电时其电流有着极大峰值和陡度,在它的周围会出现极强的瞬变电磁场,使处于该电磁场中的导体感应出较大的瞬变电动势,因此会在空间的一定的范围内对电子设备产生电磁作用,也可以是脉冲电磁波辐射。由于瞬变时间极短或感应的电压很高,以致产生电火花,并造成其电磁脉冲超过电子设备能够承受的限度(例如,雷电传输的电磁脉冲往往超过2.4高斯,而现代微机对磁脉冲承受限度一般小于0.007高斯),故应对防雷与磁屏蔽措施必须充分注意。
      感应雷是由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压和过电流形成雷击,它可由静电感应产生,也可由电磁感应产生,形成感应雷电压的机率很高,对建筑物内的低压电子设备威胁巨大,因此计算机网络系统及电话程控交换机的防雷工作重点是防止感应雷入侵。
       雷电对传输线路(综合布线系统属于传输线路)的影响往往来自以下几个方面:
 当地面突出物遭直击雷打击时,强雷电压会将邻近土壤击穿,雷电流直接入侵到电缆外皮,进而击穿外皮,使高压入侵线路;
 雷云对地面放电时,在线路上感应出上千伏的过电压,击坏与线路相连的电器设备,通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播,涉及面广,危害范围大;
 若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时,当某一导线被雷电击中或形成了雷击电流时,会在相邻的导线感应出过电压,击坏低压电子设备。
入侵计算机系统的雷电过电压/过电流主要有以下三个途径:
 雷电的地电位反击电压通过接地体入侵;
 由交流供电电源线路入侵;
 由通信信号线路入侵。
      不管是通过哪种形式,哪种途径入侵,都会使电子设备及计算机系统受到不同程度的损坏或严重干扰。在本文中,将注重分析综合布线系统的防雷保护问题。
2. 综合布线系统的防雷措施
      在综合布线系统中,防雷的措施主要集中在以下几方面:
 2.1. 利用光纤构成电磁孤岛
      光纤是防止雷击蔓延的理想工具。由于光纤本身属光传输线路,对电不敏感(除两端的光电转换器和铠装层外),因此使用光纤可以将雷击沿传输线路传输的可能降到最低,即可以将雷击控制在一个小的范围内。
在综合布线系统中,园区数据主干、垂直数据主干通常都采用光缆作为数据传输线缆,有些建筑物已经将光纤用作水平线缆,因此光纤已将智能系统中的电信号传输分散成为一个个小的“电磁孤岛”,即使某个电磁孤岛上的计算机设备因雷电发生故障,也不会蔓延到整个系统。
      当使用光纤抵御雷击时,应特别注意将室外光缆的铠装层良好接地,以防止铠装层将雷击电流引入建筑物。
2.2. 使用金属桥架、金属电线管防雷
      根据建设部的施工图集,智能建筑的室内传输线路均铺设在金属桥架和金属电线管中,并对金属桥架和金属电线管进行了良好的接地连接。这样,当出现雷击时,金属桥架和金属电信管起到了电磁屏蔽的功能,使传输线缆上感应到的雷击大大减弱。
2.3. 使用屏蔽双绞线防雷
     前述金属桥架和金属电线管能够大大减弱雷击的强度,同样屏蔽双绞线的屏蔽层也将雷击干扰导入了接地系统,使双绞线芯线上的雷击强度进一步减弱。
根据资料,屏蔽双绞线的抗电磁干扰能力比非屏蔽双绞线高一个数量级,所以使用了屏蔽双绞线则可使感应在双绞线的电磁干扰下降一个数量级。
2.4. 双绞线自身的抗干扰能力
      芯线对绞是电子学中最基础的抗干扰措施,双绞线本身对外界电磁干扰有着一定的抵御能力,它借助于每对芯线之间的对绞,使电磁干扰相互抵消。当然,用于芯线的不一致性,以及干扰信号分布的不均匀性,双绞线的抗干扰能力是有限的。
      根据电子学原理,当传输线路与设备之间的特性阻抗匹配时,所接收到的电磁干扰最少。而综合布线系统本身采用了特定特性阻抗的工艺,并在相关的计算机网络设备接口上保证了通信阻抗的一致性,使双绞线的抗干扰能力达到最高。
 2.5. 使用避雷子抵御雷击
      在园区子系统、垂直主干子系统中,可以在传输线路中安装避雷子,利用其导雷的能力进行线路防雷。
现代的配线架避雷子是由气体放电管构成的,分有二极避雷子和三极避雷子。当雷击造成线路上有高电压时,气体放电管就会导通,将高电压泄放到大地。
避雷子的主要参数为:
  ◆击穿电压
      避雷器的击穿电压(或称门坎启动电压VBR)应在200V左右。若击穿电压过低,可能会在电话振铃信号送来时产生误动作,出现铃响一声后不再振铃,其实此时主被叫已经接通。若击穿电压低至电话振铃电压(70~150V)时,电话网上的振铃电源就会启动避雷子,使之呈现低阻导通状态,造成交换机误判为被叫电话摘机,导致电话系统出现逻辑错误。
   ◆上升时间
      避雷子的上升时间不能太慢,其前沿时间应为10ns,从波型上粗略估计,对于VBR为230V的器件,在电压200V升到260V的时间也只有1-2us,避雷子必须在其间做出迅速反应以尽可能降低残余电压的峰值。
   ◆峰值电流
      避雷子的最大峰值电流应能满足系统的设计要求。
      由于这些避雷子价格较高,为所有的分机线路上加上避雷子会投资过大。通常只要中继线路和架空分机线路加避雷子。
      由于现有避雷子多为语音系统等级,因此它通常不作为数据线路上的防雷设备。
     在智能小区中,当遇到别墅群(特别是山坡上的别墅群)时,为了降低造价,经常采用室外5类数据双绞线作为计算机网络的传输通道,这时,就应该考虑使用以太网避雷保护器。当然,在防雷要求较高时,对于使用双绞线作为数据垂直主干的场合,也应该考虑使用以太网避雷保护器。
      以太网避雷保护器是电子设备,已经不使用综合布线系统,但对于系统集成公司,则在总体评估时应当予以考虑。
2.6. 通过合理的线路布局进行防雷
     线路的布局对防雷有着重要的作用。在线路设计时,如果充分考虑了雷击的影响,则可以起到事半功倍的作用。例如:
 进出建筑物的通信线,不能通过架空线进出大楼,必须通过埋地敷设,并且根据需要加装金属护套或屏蔽层,防护由于进出、大楼的通信线路引入的感应雷。
 使用屏蔽机房,对进出机房的线路进行屏蔽处理,以确保设备不受伤害;
 在建筑物通信线缆的入口处设置进线配线架,将避雷设施安装在进线配线架上,这样建筑物内部的线路上就减少了雷击电流,以及因此产生的感应电动势;
 由于建筑物避雷系统的引下线上可能具有较强的雷击电流(建筑物的接地电阻不可能为0),因此使用布线系统的金属桥架应尽量远离引下线。即布线系统的电缆线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁并沿建筑物立柱或横梁布线较长的距离,通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能位于距离建筑物立柱或横梁较远的位置。
 通信电缆以及弱电接地线的布放应尽量集中在建筑物的中部;
 在别墅群中,应使用金属管作为室外数据双绞线的屏蔽管,并进行良好的接地;
 良好的弱电接地系统是减少雷击损坏的重要一环,由于接地系统属强电范畴,因此需强电工程做得好才能保证弱电系统的正常工作。
3. 设备避雷
      有些电子设备自身含有避雷功能,例如:
3.1. 电话交换机
      电话交换机(局用交换机或用户小交换机)的分机板上一般都带有防雷线路。当后续线路遭遇雷击时,分机板上的防雷线路会发挥作用,使交换机不受损坏。
      对于每家每户使用的电话机,由于其售价低(相对避雷系统而言),就算因雷击损坏,也损失不大,因此在电话系统中,通常仅考虑室外线路、中继线路和数据传输线路的防雷保护,对于电话机线路一般不予考虑(在许多小区的电话配线架上,电信公司都没有安装避雷设备)。
 3.2. 防雷保护器
      在许多机房中,安装有各种各样的防雷保护器,例如:
 同轴电缆防雷保护器
 Modem防雷保护器
 以太网防雷保护器
 RS232/RS485防雷保护器等等
这些设备的品种很多,与电源防雷设备一起,形成了面对设备的防雷保护系统。

 

 更新时间:2010-11-27 16:44:24 

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