桂西农村学校弱电设备防雷电危害与抗干扰分析

黄显吞

（百色学院物理与电信工程系，广西 百色 533000）

随着信息时代的飞速发展，人们越来越多依赖于弱电设备应用于现代化办公，而微电子设备的高度集成化、低工作电频和小工作电流等特点，又带来了绝缘强度低、耐过压过流能力差等致命弱点[1]。于是弱电设备因遭受雷电危害而造成损坏的安全事故机率无疑将会大大增加，已经成为电子时代的一大公害，并引起有关部门的高度关注和重视。而形成于大气运动过程的雷电具有很强的危害性与破坏性，主要通过直击雷、感应雷、雷电侵入波等方式危害学校建筑物内弱电设备安全[2]。当发生雷电时就会在闭路电视、网络、电话、卫星接收天线、广播设备等电线上产生较高感应电动势，该感应电动势虽是瞬时袭击，但其峰值足以使各种弱电设备受到损害或者严重干扰而不能正常工作。

由于现阶段桂西农村学校建筑物的电气设计主要是针对强电设备的防雷系统进行考虑，而对弱电设备的防雷重视不够。加上目前行业中建筑物防雷主要由主体建筑承建商来完成，而弱电系统的防雷则由另一承包商来完成，多个施工单位交叉作业就容易造成建筑物内弱电系统防雷成为薄弱环节。为防止和减少雷电对弱电设备造成的干扰、损坏及人员伤亡，考虑闪电的各种物理特性和其他危害作用，合理科学地对桂西农村学校弱电设备进行先进的、综合性的防雷电危害与抗干扰措施，研究和加强桂西农村学校建筑物内弱电系统防雷电危害与抗干扰工作就具重要现实意义和实用价值。

1 弱电设备遭受雷电危害原因分析

桂西农村学校由于经济社会及历史原因，一般都建在山顶或地势较高的地方，因而更容易遭受直击雷的袭击和雷电感应的干扰。而且学校的电视广播、办公自动化系统、计算机网络系统、闭路监控系统、视频会议系统、电话系统等弱电设备均由较为灵敏的电子元器件组成，这些电子元器件的共同特点是耐压能力十分脆弱，极低的过电压都会造成其击穿损坏[3-4]。根据雷电袭击特点，桂西农村学校弱电设备遭受雷电危害的主要原因有以下几种形式：

1）雷电直接击中弱电外部设备上，因电磁效应、热效应和机械效应等直接可导致损坏。

2）雷电在对地放电时，由于静电效应和电磁效应会在附近的电源线路、信号线路、埋地管道、接地系统地线上产生静电以及电磁感应电压，当电压升高达到一定程度并串到弱电回路中就会损坏弱电设备。

3）避雷针、避雷带、接闪器在接雷后通过接地网的引下线把雷电引入大地，虽然保护了楼房，但这同时也产生了很大的瞬变电磁场，该瞬变电磁场产生的电磁脉冲波辐射对附近的弱电设备会产生致命的破坏。

4）当雷电发生时，建筑物接闪装置在接闪雷电时，引下线立即产生高电位，会对防雷系统周围导体产生旁侧闪络，这样就会对弱电设备造成严重危害。

例如学校的计算机及网络设备，它的最大击穿电压为几十伏，电路芯片在10-7J 能量的冲击下就出现损坏。而每次雷电放电过程中，峰值电流都在几十千安以上，而电流上升时间仅为几个微秒。因此雷电放电产生强大的电磁辐射，其产生的过电压过电流通过输电线、通信线、接收天线和空间辐射等途径侵入到计算机网络系统，其干扰辐射等能量多数大于10-7J，这样就严重威胁到计算机网络系统的正常工作和安全运行。

2 弱电设备防雷电危害保护措施

建筑物防雷涉及人身和设备财产的安全，根据桂西农村学校所处的位置特点及弱电设备遭受雷电危害的原因分析，桂西农村学校的弱电设备防雷击保护分为直击雷防护、感应雷防护和雷电入侵波防护等。那么，采用接地就是简单易行且有效的措施，所以“防雷在于接地”——说明各种预防和抗干扰措施都必须配以适合的接地方式才能有效防雷电危害。

2.1 弱电设备的防直击雷保护

由于桂西农村学校大多数都建在山顶或地势较高的地段，因而更容易遭受直击雷的损害。对直击雷的防护主要由避雷针及其接地装置来实现，避雷针一般安装在学校建筑物的楼顶上，而接地装置则要有针对性地采取弱电设备与大楼防雷共同或分开的接地方式。

1）弱电设备与大楼防雷共同接地方式

由于桂西农村学校大楼大都装备有电视广播、电话系统、计算机网络等敏感的弱点设备，大楼防雷接地、弱点设备接地、保护接地可设置共同接地装置。弱电设备与大楼防雷共同接地方式及其等效电路如图1所示。

图1 共同接地方式

当学校大楼遭受直接雷击，雷电流将沿大楼的接地引下线流入大地，并在周围空间产生很强的电磁场。根据图1进行分析计算，这时在弱电设备外壳产生的感应电压ut为

那么楼顶N点和弱电设备外壳t点之间的电位差uNt为

式中，M为防雷引下线与设备接地引下线之间的互感；L为防雷接地引下线的自感；i为雷电流；R1为防雷接地引下线的电阻；R2为接地电阻。

那么由以上式（1）至式（3）分析可知，当互感M越大，ut就越大，而且可能出现以下几种情况：

（1）当大楼防雷接地引下线与弱电设备的接地引下线贴近时，M近似于L，此时弱电设备外壳感应电压与楼顶电压几乎相等，这时对设备的威胁最大。

（2）当弱电设备的接地引下线与大楼的防雷接地引下线靠近时，由于L≈M，uNt就减少为uNO段的电阻压降，此时虽然N点和t点之间较近但不会产生电位反击。

（3）当弱电设备的接地引下线与大楼的防雷接地引下线的距离增大时，M就减小；如果距离增大到一定程度，M≈0，则有

由式（4）分析可知，这接地引下线与大楼的防雷接地引下线的距离增大时uNt也将增大。但由于t点到N点之间的距离也相应增大，所以也不会使N点和t点间出现反击电位。

（4）如果弱电设备的接地与大楼的防雷接地引下线就近直接连接，设备外壳t点的电位将上升到N点的电位：

由式（5）分析可知，这种就近直接连接方式将雷击时的高电位直接引进到设备外壳，增加了外壳与内部器件间的电位差。为此采用均压环，将建筑物内各个内层保护区的界面以及室内的金属设备、电气装置等进行等电位连接，形成一个“等电位岛”，保证各个导电部分之间不会产生有害的电位差，不发生旁侧闪络放电等。

2）弱电设备与大楼防雷设备分开的接地方式

由于弱电设备采用与防雷设备分开的专门的接地线单独接地，那么弱电设备与交流电源及大楼的防雷接地系统分开的接地方式就可以避免将干扰引入到敏感的弱点设备中。弱电设备与防雷设备分开的接地方式及其等效电路如图2所示。

根据图2可知，当雷电流流经建筑物的金属体或接地引下线时在弱电设备外壳上感应的各点电位为

图2 弱电设备与大楼防雷设备分开的接地方式

从以上式（6）至式（9）进行比较分析可知，分开接地时弱电设备外壳的电位降低了iR。所以，弱电设备与大楼防雷接地系统分开的接地方式可以避免将干扰引入到敏感的电子设备中[4]。如果设备的外壳与接地引下线应又能远离大楼的防雷引下线，就可以防止发生电位反击。显然针对桂西农村学校的大楼内都装备有通信广播、计算机网络和其他的敏感弱电设备，采用弱电设备与大楼防雷接地系统分开的接地方式比采用共同接地方式较好防护直击雷。

2.2 弱电设备的防感应雷保护

如果雷电不是直接击到弱电设备上，而是击到弱电设备旁边的设施上，或是云对云放电，那么其产生的静电感应和电磁感应就会在弱电设备上感应出很高的感应过电压[5]，从而对敏感的弱电设备造成损坏。例如公用电线、电话线路、闭路电视线路、相邻导线通路间的互感、空间辐射等都会使弱电设备感应出很高的感应过电压。那么弱电设备对感应雷的防范措施就是要在弱电设备的电源、信号端等加装有限压和泄流功能的避雷装置以减少因雷电发生静电感应和电磁效应而造成的危害。

2.3 弱电设备的防雷电侵入波保护

由于桂西农村学校的电力线、通信线、信号线的线路都较长，在发生雷电时，雷电流会沿着电力线路、通信线路或信号线路侵入弱电设备系统，对敏感的电子设备构成危害。那么对雷电侵入波的防护主要是对电力线路在配电变压器高压侧、低压侧各自装设氧化锌避雷器进行保护（特别是对于桂西某些重雷区乡村学校，还应加装隔离变压器进行隔离）；对通信线路以及信号线路可采用放电管进行保护，也可安装压触电阻或浪涌接收器进行防护。

同时，为了减小雷电电磁波干扰，弱电设备应装设防电磁干扰的屏蔽网，屏蔽网可以由金属网或网格构成，对电磁干扰起到屏蔽作用[6]。而且弱电设备机房四周都应装设金属屏蔽网，所有信号线（不论室内和室外）都必须屏蔽，架空电力线在进入弱电设备机房前必须改为屏蔽电缆或穿钢管，电缆或钢管两端都应可靠接地，并在布线时线间应注意分开走线，避免平行铺设以减少感应。

3 弱电设备机房防雷接地

弱电设备机房采用避雷针或避雷网防直击雷，在弱电设备机房外地下应围绕机房敷设闭合环形水平接地体[7]。那么桂西农村学校弱电设备的接地装置应采用水平接地体围绕建筑物敷设成闭合环形，周边引出若干条水平放射线以降低冲击接地电阻，并做好地网的横向和纵向均压。弱电设备机房防雷接地如图3所示。

图3 弱电设备机房防雷接地示意图

在图3中机房内各种电缆的金属护套、设备金属外壳以及工作接地、保护接地等，均应以最短距离与环形接地母线相连接[8]。室内的环形接地母线与室外的闭合接地体和楼顶的环形避雷带之间，至少应有4 根对称布置的连接线互相连接，且相邻连接线间的距离不宜超过18m。弱电设备机房内高频、低频工作接地母线采用120mm×0.35mm 的紫铜带，机架用40mm×4mm 的扁钢接到环形接地体上。同时，弱电设备应与同一楼内动力、建筑物的避雷器

共用一个接地网。建筑物主钢筋之间应焊接，上端和房顶、中间与各层之间均压网连接，接地母线焊接成电气上连通的法拉第笼或接地系统，用于加大进行分流、均压和减小反击过电压，以保证建筑物内弱电设备及相关设施的正常运行和人身的安全。

4 结论

现代防雷技术的主要目标是让人员、设备以及建筑物免受雷电灾害。以上分析了桂西农村学校弱电设备遭受雷电危害原因，以及弱电设备对直击雷、感应雷、雷电侵入波的防护措施，探讨弱电设备与大楼防雷共同与分开接地方式的优劣点，得出弱电设备与大楼防雷接地系统分开的接地方式比较好防护直击雷，并提出提出采取均压环、加装有限压和泄流功能的避雷装置以及地下敷设闭合环形水平接地体等措施，解决长期以来桂西农村学校弱电设备因遭受雷电危害与干扰而难于防护问题。那么根据弱电设备的接地要求以及桂西当地土壤电阻率较高等特点，如何确定接地的范围及地点，计算接地体和接地线的数量、面积及埋设方法等将是下一步研究重点和探索方向。

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