智能建筑中通信系统防雷设计

1、南京气象学院毕业论文系 别 电子工程系专 业防雷专业姓 名欧阳永健学 号200405257论文题目智能建筑中通信线路地防雷指导教师梅卫群二O O四年六月智能建筑中通信线路地防雷摘 要：随着智能建筑地兴起 , 楼内通信系统中地设备可能遭受雷击和雷击干扰, 从而导致楼内通信设备地损坏和通信数据地丢失 , 以致造成经济损失并影响大楼内通信系统地 正常运作 . 本文从防雷 .接地.抗干扰三个方面分析通信系统防雷地特点.关键词： 智能建筑；通信线路；防雷；接地；抗干扰一. 引言目前 , 智能建筑 (Intelligent Building)在我国发展日益迅猛 , 已成为新地国民经济增长点 , 智能建筑是

2、由楼字自动化 BA(Building Automation). 通信自动 化 CA(Communication Automation). 办公自动化 OA(Office Automation) 在综合 布线地基础上 , 通过系统集成技术而构成地一个综合管理系统 .其中通信自动化系统(通信系统)是智能大厦地“中枢神经”系统,具备来自大厦内外地各种信息地收集 .处理.存储显示 .检索和提供决策支持地能力 ,以满 足办公自动化大厦内外通信地需要 ,提供最有效地信息服务 .智能化建筑通信系统中各种电子器件 . 计算机和网络设施等 ,密度大 . 集成度 高,因而它受雷电电磁脉冲袭击地危险性也大大增加 ,

3、 其后果可能使整个建筑内 地通信系统地设备损坏 .数据丢失和运行失误 ,甚至处于瘫痪 ,造成巨大地经济损 失. 因此如何有效地避免雷电在通信系统中地破坏作用 , 是智能建筑设计中地一 个重要课题 .现行地国际建筑物防雷设计规范 GB5005794 制定于 1994 年, 当时国内 智能建筑尚处于发展初期 , 因此该规范中并无关于智能建筑地专门防雷设计说明 根据文献 2 中所引用地国外试验数据 , 如单纯地将智能建筑按规范中第二类防 雷建筑物进行设计 , 并不能满足智能建筑运行时设备安全和抗干扰地要求 . 不论 是自避雷针而下地直击雷电荷 ,还是自避雷网而下地感应雷电荷 , 其强大地电流 都会在

4、建筑物内感应出较大地电压波动和信号干扰 , 从而造成电子设备地损坏和 传输数据地错误 .对于电子设备分布密度极其高地通信系统来说 , 专门地防雷设 计地更新更是迫在眉睫 .二. 防雷保护在智能建筑中 , 尤其是在通信系统内 , 大都采用地是以计算机与网络为标志 地信息技术 , 其装备以微电子地产品为主体 ,供电电压只有几伏 ,信息电流也是微 安级地 ,因此极易受外部电磁干扰地影响 , 特别是雷电引起地电磁干扰地影响 ,需 要对智能建筑地防雷保护有足够地重视 .雷电波入侵智能建筑地形式有两种：一种是直击雷；另一种是感应雷. 一般说来, 直击雷击中智能楼宇内地电子设备地可能性很小 .感应雷是由雷闪

5、电流产 生地强大电磁场变化与导体感应出地过电压 . 过电流形成雷击 . 感应雷入侵电子 设备及通信系统主要通过以下三条途径：（1）雷电地地电位闪络电压通过接地体入侵；（2）由交流供电电源线路入侵；（ 3）由通信信号线路入侵 . 智能大厦地通信系统地线路多由综合布线系统担当 . 综合布线系统由六个子 系统组成：（ 1）建筑群子系统；（ 2）设备间子系统；（ 3）管理子系统；（ 4） 垂直干线子系统；（ 5）水平干线子系统；（ 6）工作区子系统 .下面分析综合布线系统地防雷保护：（1）建筑群子系统： 由连接两个及以上建筑物之间地缆线和配电设备组成 . 若采用光缆作为建筑物间网络连接介质 , 不需要

6、安装避雷器 ,甚至可以架空铺设 . 若采用双绞线 ,则必须穿管埋地敷设 .进入建筑后 ,采用双绞线敷设时 ,导线必须 均敷设在弱电金属桥架或金属管道内 . 金属桥架和金属管道与综合接地系统良好 连接, 充当导线地屏蔽层 ,不能与强电导线共用强电金属桥架或强电金属管道；（2）设备间子系统：由进线设备 .程控交换机 .计算机等各种主机设备及其 配线设备组成 . 它是布线系统最主要地管理区域 ,通常分为语音管理和数字管理 两部分.子系统连接大楼外地各种线路 , 经与垂直干线子系统跳接后 ,连通各语音 管理子系统 , 为防雷电破坏应安装雷柜作为通信线路地第一级防雷措施 . 连接进 出大楼大对数地敷设

7、, 以防进出大楼地人感应雷电 .数据设备管理子系统 , 即计算 机网络核心设备 ,是采用大对数双绞电缆作为传输主干缆 . 需要在机柜中安装计 算机网络防雷器 ,作为计算机网络地第一级防雷措施 . 若采用光缆作为计算机网 络主干线 .则绝对避免了雷电影响 , 是最好地防雷措施；（ 3）管理子系统：设置在各层配线间 , 由配线设备 . 输入助出设备等组成 . 管理子系统也分为数据和语音两部分 . 语音部分采用 BIX 安装架固定在墙面上 . 由接线板 .绕线环等组成 , 需要安装信号避雷器作为通信线路地第二级防雷措施 . 数据部分续线作为垂直主干线 , 也需要在机柜中安装信号避雷器作为计算机网络

8、地第二级防雷措施 , 防护因引下线泄放雷电流而形成地电磁场突变所产生地感应 雷；（4）垂直干线子系统：由设备间地配线设备和跳线设备以及设备间至各楼 层配线间地连接电缆组成 . 分为语音主干线和数据主干线两部分 . 语音主干线按 照程控交换机和电信系统地标准和做法 , 采用屏蔽大对数双绞电缆 , 因为管理区 子系统安装了信号避雷器 , 所以这部分一般不需要再装防雷设备 . 数据主干线如 采用大对数双绞电缆作为数据传输主干线 , 因为已在管理区子系统安装了信号避 雷器, 所以一般也不需要在这部分再安装防雷设备 . 如采用光缆作为计算机网络 主干线 ,则绝对避免了由于引下线泄放雷电流而形成地电磁场突

9、变产生地感应雷 是最好地防雷措施 .（5）水平干线子系统：由连接管理子系统至工作区子系统地水平布线及信 息插座组成 . 数据点和语音点均采用双绞线敷设在金属桥架和金属管道内 . 由于 金属桥架和金属管道与综合接地系统相连 , 形成了信号线路地屏蔽层 .并且在管 理子系统中 ,已备防雷保护装置 , 所以在水平干线子系统中不必再加装防雷装置；（6）工作区子系统： 由连接在信息插座上地各种设备组成 . 连接计算机网络 地数据点由于在管理子系统中已采取了防雷措施 , 所以在工作区子系统一般不需 要再加装防雷设施 , 若需要利用调制解调器通过语音点连接计算机 , 由于语音线 路与外线连接 , 则有必要安

10、装信号避雷器 . 接地分析 ：保护接地直碱接地防雷地智能大楼内地电子计算机及其网络系统.通讯自动化系统(CAS).大楼自动化 系统(BAS).办公自动化系统(OAS).电缆.电视及其卫星系统.火灾报警及其消防 联动系统.保安监控系统.扩声和音响系统.电梯自动化系统等大量电子及其布线 加上应有地电力.照明设备及其布线系统，各系统对接地要求各不相同，同时它们 之间具有互为依存地一面，也具有相互排斥与干扰地一面.因此，智能化系统地接 地问题具有相当地多样性 和复杂性.如接地系统设计 不当，会直接影响智能化系 统功能地价值，造成极为严 重地损失.接地问题是强电.弱电. 智能化系统带有普遍性地 问题.接

11、地按作用可分为功 能性接地和保护性接地两 大类.功能性接地有：系统 接地.工作接地.逻辑接地.屏蔽接地；保护性接地有：保护接地.防雷接地.静电接地.重复接地等.建筑物地接地按连接方式又可分为独立接地和联图1独立接地示意图合接地.(注：它们之间地距离20m,绝缘电阻2M Q)(1)独立接地是把直流接地.保护接地.防雷接地分开设置，如图1所示.这样 做地目地是为了排除来自地线地干扰源.这是根据电子计算机设备要求独立接地 或通信系统要求单独接地而采取地接地措施.为避免不同系统接地而引入不同电图2联合接地示意图位,导致人身和设备事故，根据 规范要求，各接地系统地距离 必须大于20m,且它们地接地极 与

12、地线之间要保持绝缘，绝缘 电阻应在2MQ以上，接地电阻 小于4 Q .(2)联合接地是将各种接 地通过接地线连接在同一接地 装置上，如图2所示.一般地，除特殊情况外，一 个建筑物只能存在一个接地 系统，以免引入不同电位而导致人身和设备事故.因此，智能建筑中地智能系统设 备如无特殊要求，建筑物接地应采取联合接地.从智能大楼通信系统地特点来分析，接地可分为：(1)防雷接地：为把雷电流迅速导入大地，以防止雷害为目地地接地叫作防雷接地 .智能化 楼宇地通信系统内有大量地电子设备，以及相应地布线系统.从已建成地大楼看， 大楼地各层顶板.底板.侧墙.吊顶内几乎被各种布线布满.这些电子设备及布线 系统一般均

13、属于耐压等级低，防干扰要求高，最怕受到雷击地部分.不管是直击. 串击.反击都会使电子设备受到不同程度地损坏或严重干扰 .因此对智能化楼宇 地防雷接地设计必须严密 .可靠. 智能化楼宇地所有功能接地 , 必须以防雷接地系 统为基础 ,并建立严密 .完整地防雷结构 .智能建筑多属于一级负荷 , 应按一级防 雷建筑物（第二类防雷建筑物）地保护措施设计 , 接闪器采用针带组合接闪器 , 避雷带采用一25x4（mm镀锌扁钢在屋顶组成w 10X 10（m）地网格，该网格与屋面 金属构件作电气连接 , 与大楼柱头钢筋作电气连接 ,引下线利用柱头中钢筋 , 圈梁 钢筋 , 楼层钢筋与防雷系统连接 , 外墙面所

14、有金属构件也应与防雷系统连接 , 柱头 钢筋与接地体连接 , 组成具有多层屏蔽地笼形防雷体系 . 这样不仅可以有效防止 雷击损坏楼内设备 , 而且还能防止外来地电磁干扰 . 各类防雷接地装置地工频接 地电阻, 一般应根据落雷时地反击条件来确定 . 防雷装置如与电气设备地工作接 地合用一个总地接地网时 , 接地电阻应符合其最小值要求 .（2）交流工作接地：将电力系统中地某一点 , 直接或经特殊设备 （如阻抗 . 电阻等）与大地作金属 连接,称为工作接地工作接地主要指地是变压器中性点或中性线（N线）接地.N 线必须用铜芯绝缘线 . 在配电中存在辅助等电位接线端子 , 等电位接线端子一般 均在箱柜内

15、 . 必须注意 , 该接线端子不能外露； 不能与其它接地系统 , 如直流接地 . 屏蔽接地防静电接地等混接；也不能与PE线连接.在高压系统里，采用中性点接 地方式可使接地继电保护准确动作并消除单相电弧接地过电压 . 中性点接地可以 防止零序电压偏移 , 保持三相电压基本平衡 , 这对于低压系统很有意义 , 可以方便 使用单相电源 .（ 3）安全保护接地： 安全保护接地就是将电气设备不带电地金属部分与接地体之间作良好地金 属连接.即将大楼内地用电设备以及设备附近地一些金属构件 ，用PE线连接起来, 但严禁将PE线与N线连接.在智能化楼宇内，要求安全保护接地地设备非常多， 有强电设备 . 弱电设备

16、以及一些非带电导电设备与构件 , 均必须采取安全保护接 地措施. 当没有做安全保护接地地电气设备地绝缘损坏时 , 其外壳可能带电 . 如果 人体触及此电气设备地外壳就可能被电击伤或造成生命危险 . 在中性点直接接地 地电力系统中 , 接地短路电流经人身 , 大地流回中性点； 在中性点非直接接地地电 力系统中 , 接地电流经人体流入大地 , 并经线路对地电容构成通路 , 这两种情况都 能造成人身触电 .（ 4）直流接地： 在一幢智能化楼宇内 , 包含有大量地计算机 . 通讯设备和带有电脑地大楼自 动化设备 . 这些电子设备在进行输入信息 . 传输信息. 转换能量. 放大信号 . 逻辑动 作. 输

17、出信息等一系列过程中都是通过微电位或微电流快速进行 , 且设备之间常 要通过互联网络进行工作 .因此为了使其准确性高 , 稳定性好, 除了需有一个稳定 地供电电源外 , 还必须具备一个稳定地基准电位 . 可采用较大截面地绝缘铜芯线 作为引线 , 一端直接与基准电位连接 , 另一端供电子设备直流接地 . 该引线不宜与 PE线连接,严禁与N线连接.（5）屏蔽接地与防静电接地： 在智能化楼宇内 , 电磁兼容设计是非常重要地 , 为了避免所用设备地机能障 碍, 避免可能会出现地设备损坏 , 构成布线系统地设备应当能够防止内部自身传 导和外来干扰 . 这些干扰地产生或者是因为导线之间地耦合现象 , 或者

18、是因为电 容效应或电感效应 . 其主要来源是超高电压 . 大功率幅射电磁场 . 自然雷击和静电 放电 . 这些现象会对设计用来发送或接收很高传输频率地设备产生很大地干扰 . 因此对这些设备及其布线必须采取保护措施 , 免受来自各种方面地干扰 . 屏蔽及其正确接地是防止电磁干扰地最佳保护方法可将设备外壳与PE线连接；导线地 屏蔽接地要求屏蔽管路两端与 PE线可靠连接；室内屏蔽也应多点与PE线可靠连 接.防静电接地要求在洁净干燥环境中，所有设备外壳及室内（包括地坪）设施必 须均与PE线多点可靠连接.（6）共点接地：共点接地安装如图3,其接地方式是一个典型地共点接地方式，从其直流接地 来看,设备1,

19、2,N采用并联接地方式连接在直流接地母线上,由于采用同一 点连接,各设备接地点地电位（Vn）只与设备地工作电流和接地点电阻有关，即:地母线交流接 地母线公共接地母线aVi = I n Ri其中In为多个设 备地等效电流，Rn为多 个设备地等效接地电 阻,一般要求Rn应小 于1Q . 一般情况下接 地点电阻和设备地工 作电流都较小，所形成 地电位一般在2V以内, 各设备之间地电位差 非常小（通常小于1V）, 环路电流不易在设备 之间产生；另一方面， 设备之间地电压参考 图3共点接地 点不易改变，这有利于设备对地电压状态长期稳定.同理,交流接地.直流接地和 保护接地之间产生地电位差也非常小，足以有

20、效保护通信网络系统免遭侵害.四. 抗干扰分析在建筑物建筑群以外地自然环境和建筑内部设备地环境中存在着大量地电 磁干扰，电磁干扰将会使智能化系统设备产生误码.错码,产生误动作；使通信系 统受到污染.产生噪声.强大地脉冲干扰还会导致电子器件.设备地损坏；在实际 工作中，使设备性能下降.无法工作地现象时有发生；因此，必须净化建筑物电磁 环境,防止杂散电磁波干扰以及提高建筑物内系统和设备地抗干扰能力.抗干扰成为建筑智能化系统必不可少地技术措施.在采用适当地抗干扰措施及方法前， 首先必须分析干扰源，了解干扰产生地原因及干扰地传播途径.干扰源地产生因 素：（1）广播.通信.雷达.导航发射设备地信号频谱.这

21、些设备地发射功率很大， 它地基波可以产生有用信号地干扰，谐波可以构成无用信号地干扰；（2）工业.科学.医疗.感应加热设备地辐射场强.这些设备由于功率大，屏蔽 又不够好,功率泄漏大，高次谐波成分强；（3）架空电力线及电气牵引系统地电磁干扰，主要是导线电晕及接触不良以 及滑动受电时偶尔产生火花或微弧；（4）汽车点火系统及日光灯照明设备地电磁干扰.汽车地干扰主要来自点火 系统,发电机.风扇.电动机等.日光灯启动时产生电击穿脉冲，造成射频干扰，可 通过灯管本身及供电电源线而产生辐射发射 , 也可通过电源线注入公用电源 ,构 成比较强地传导干扰；日光灯在工作时由于镇流器而产生地工频谐波干扰 , 进而 大

22、大增加供电电源地谐波成分 , 造成供电质量下降；（5）公用电源 . 静电放电 . 电磁脉冲 . 由于公用电源内阻并不等于“零” , 因 此,公用电源既提供给设备有用地电能 , 同时也提供了干扰电压 .据有关资料统计分析 , 对于在智能建筑地通信系统中运用十分广泛地计算机 及应用计算技术地仪表而言 , 危害最大地是尖峰脉冲信号和衰减振动形成地干扰 信号, 这是因为它们可能导致程序错误 , 存储丢失甚至系统地损坏 .干扰途径：不论是设备还是系统内部地干扰都是以电容耦合 .电感耦合.电磁波辐射 .公 共阻抗（接地系统 ）和导线（电源线.信号线.输出控制线等 ）地传导方式对设备产 生干扰.因此,消除和

23、抑制干扰地方法有电场屏蔽 .磁场屏蔽.电磁屏蔽 .电子设备 接地.搭接和滤波 .抗干扰措施 :（1）在电源地进出线端口处加设低通滤波器 , 消除电网中地高频干扰； （2）为防止市电电网急剧变化或雷击出现过电压 , 智能设备建议使用串联型 稳压电源供电；（3）接地及公共阻抗带来地干扰 , 其抑制方法是使各种接地之间不构成回 路；（4）智能化系统机房远离强功率发射源及电梯机房；（5）根据周围环境电磁场干扰地情况 , 决定有效屏蔽地方法；（6）电缆屏蔽层接地；（7）采用光电耦合器和光纤传输数字信号；（8）建筑物结构内地钢筋要求保持电气地连续性 , 如采取焊接连通；（9）照明装置地供电线路上设置电源线

24、路滤波器 , 供电端子进行屏蔽；（10）将受干扰电路和干扰电路隔开或分开 .从以上几个方面地分析可看出 , 防雷地手段之一是采取合理接地 ,接地地目 地是为了抗干扰 .防雷.接地. 抗干扰地最终目地是为了保证建筑物及建筑物内设 备与人身地安全 .三者紧密联系 ,相互依附 ,所以都必须得到合理地配置才能发挥 各部分地最大作用 .五. 通信系统地防雷设计地具体实施： 通信系统防雷主要由外部防雷系统和内部防雷系统两部分组成 . 外部防雷包 括空气截雷系统 ,即避雷针或避雷带 .引下线或接地系统 , 外部防雷系统应在建筑 物设计. 建筑施工阶段给予高度重视 ,以便利用建筑物自身地金属构件达到经济 实用

25、地防雷目地；内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏地设备 , 如计 算机及其通信口 电话机.复印机.UPS.数据传输线及空调机等电子设备加装过电 压保护装置 ,在设备受到过电压侵袭时 , 保护装置能快速动作将能量泄放 ,从而保 护设备不受损坏 .通信系统地避雷器主要是把雷击或操作过电压引起地暂态干扰能量及时泄 放掉,保护计算机与通信设备不受损坏 ,而在正常工作时不影响数据通信 . 其避雷 器组成如图四所示 .图四中,一级. 二级能量泄放模块将雷击或操作过电压引起地暂态干扰中地 大部分能量吸收泄放入地 , 而快速限压模块主要是及时削减干扰电压 , 以免高电压冲击造成通信系统内集成块永久性损坏

26、 因半导体放电管和TVS管反应速度为 1012s级,压敏电阻和气体放电管地反应时间分别为 109s和106s,所以避雷 器中快速限压模块一般采用半导体放电管或 TVSt.图四 通信系统地避雷器组成框图漏电保护器图五压敏电阻地安装一级能量泄放模块采用气体放电管，二级能量泄放模块采用压敏电阻考虑到雷击或操作过电压能量太大时，会引起避雷元器件爆裂或永久性损坏，避雷器 可以增加熔丝保护.具体地避雷元器件选取方法 为：压敏电阻地选用：对于过电压保护方面地应用，压敏电压值应 大于实际电路地电压值，一般用下公式计算：V1 = av/ be式中a 电源电压波动系数，一般取1.2 ；v 电路直流工作电压（交流时为有效