东莞市依云达防雷工程有限公司
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某校电源、网络及通讯系统,雷电及过电压防护设计方案


一、概述
雷电灾害古已有之,它给人类带来了许多惨痛的教训。随着现代科学技术的推广和普及,各种高、精、尖的设备已来到我们的身边,计算机网络也正以惊人的速度延伸至世界的每一个角落,置身于网络时代,使我们与世界的联系变得更加的紧密,享受着网络带来的新感觉,也品尝了许多早已遗忘的烦恼,雷电这些已被我们所克服的困难,雷电尤其是感应雷开始“照顾”这些“娇嫩”的设备。因雷电导致的系统瘫痪以及设备损坏比比皆是,造成不计其数的人力和物力损失。雷电灾害和防雷又成为社会各界关注的焦点。
雷电还是和二百多年前相同,并未发生任何的变异,只不过它的某些物理效应在新技术产品上发生作用,自富兰克林发明避雷针以来,科学技术有了突飞猛进的进步,但防雷技术却始终停滞不前,避雷针只是用于保护建筑物本体,防范直击雷击中建筑物,避雷针对于感应雷和通过其它线路进入建筑物的雷电过电压是无能为力的。雷电科学的发展需要和社会文明的进步相适应。必须用新的视角去关注雷电这一自然现象。
根据《电力设备过电压保护设计技术规程》中的规定,将年平均雷暴日超过40天的地区称为多雷区,而超过90天作为强雷区,多、强雷区的企业单位应予以重点的防护。而广州地区的雷暴日均超过80天,因此对于防雷不能带有任何的侥幸心理,若因雷击而导致生命和财产的重大损失是很难用时间和金钱来弥补的,针对雷电防护的专项工程应是刻不容缓的。
雷电流的时间虽然短暂,但它巨大的破坏性是目前人类还无法控制的,现阶段通过人力主动化解雷电的危害,还是不现实的,我们只能通过努力被动地将雷击的能量给予阻挡并将它泄放入大地,以避免所带来的灾害。雷击和线路过电压会出现多种有害的效应,基本上会有以下几种表现形式:直击雷击、感应雷击、电磁脉冲辐射、雷电过电压侵入和反击。雷击及过电压的保护是一项系统的工作,需要根据不同的特性给予相应而全面的防护。
通过设计思路的介绍和阐述设计思想及方法。
完备系统防雷方案包括外部防雷和内部防雷两个方面:
外部防雷包括避雷针、避雷带、引下线、接地极等等,其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭,将可能击中建筑物的雷电通过避雷针、避雷带、引下线等,泄放入大地。
内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。在需要保护设备的前端安装合适的避雷器,使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体。将可能进入的雷电流阻拦在外,将因雷击而使内部设施所感应到的雷电流得以安全泄放入地,确保后接设备的安全。
当雷电发生在距离建筑物较近的地方,通过避雷针将可能击中于建筑物本体的雷电吸引并通过避雷针泄放入大地时,所产生的感应电动势会对内部所有的金属线路均产生破坏作用的感应电流,正是由于电源、网络、通讯等线路出现感应雷电流,增加了建筑物内部较为敏感的计算机等设备破坏的可能性,安装避雷针时没有做好完备的内部防护感应雷的措施,将会大大增加雷击损坏事故的机会,此时的避雷针就真正成为了引雷针。
当所在的建筑物附近出现雷雨云时,雷电不通过建筑物顶部的避雷带等泄放雷电流时,也会在建筑物内部设备的电源和网络系统中产生感应雷电流,导致设备的损坏。
因此建筑物内部通过电源、网络和通讯线路相连接的计算机系统,期望通过较为传统的方法:安装避雷针以避免感应雷击的事故是不可能的,作为内部计算机系统的防雷,只做避雷针等外部防雷,其作用是不充分的。只有针对感应雷击损坏设备的特性,采用防范感应雷击的解决方法,才能避免雷电对设备的侵袭。
由于感应雷产生的途径有许多种,在距离带电雷雨云较近所有的金属回路中均会产生破坏性的可能,只是有些的雷电过电压较小,不会对设备产生明显的破坏力而已,但过电压的存在对设备的长期使用的寿命必然产生影响,因此感应雷防范的难度远大于直击雷的防范,而且所需要投入的费用也高于直击雷的防护。
针对于网络系统的防雷,从可能引雷的三条途径:电源线路、网络线路、通讯线路,根据每一类设备的特性、需要的防雷等级程度,选用性价比合适的防雷产品,做到以合理的价格达到充分的防护。确保设备对直击雷和感应雷以及线路操作过电压的全面防护。
二、设计依据:
1. 电子计算机机房设计规范 GB 50174-93
2.通信行业标准《电信专用房屋设计规范》
3.信息产业部《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》
4.国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94
5.军用标准《电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南》
6.国家标准《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB50169-92
7.《Protection of Structures against Lighting》IEC1024-1:1993
8.《Protection against lighting electromagnetic impulse》雷电电磁肪冲的防护 IEC 1312-1-2-3 :1995-02
9.《Insulation coordination for equipment within low-voltage systems》 IEC664-1:1992-02
10.《Electrical installations of buildings》IEC 364-4:1993-02
三:防雷设计方案
(一)校外部防雷
根据电子计算机机房设计规范 GB 50174-93,针对接地可以采用独立接地或者采取联合接地。在进行外部防雷设备安装之前需要对学校内的交换机等设备的接地极进行检测,此项工作由我司工作人员在学校工作人员的配合下进行。
(二.)电源系统防雷
根据IEC1312防雷及过电压规范中有关防雷分区的划分,针对重要系统的防雷应分为三个区,分别加以考虑。只做单级防雷可能会带来,因雷电流过大而导致的泄流后残压过大破坏设备或者保护能力不足引起的设备损坏。电源系统多级保护,可防范从直击雷到工业浪涌的各级过电压的侵袭。
第一级电源防雷:
根据国家有关低压防雷的有关规定,外接金属线路进入建筑物之前必须埋地穿金属管槽15米以上的距离进入建筑物,且要在建筑物的线路进入端加装低压避雷器。必须做到在电源的进入端安装低压端的总电源防雷器,将由外部线路可能引入的雷击高电压引至大地泄放,以确保后接设备的安全。
对于学校三相电源主级防雷器,三相进线的每条线路应有40-60KA的通流容量,可将数万甚至数十万伏的过电压限制到几千伏以内,防雷器并联安装在学校内部的总配电室进线端处,做直击雷和传导雷的保护。可选用PPS-I/3-100电源防雷箱或AM1-40/4防雷模块,此级防雷器并联安装,对后接设备的功率不限,可以对通过线路传输的直击雷和高强度感应雷实施泻放保护。在这里对与学校的情况采用ASP系列的AM1-40/4防雷模块一套。
具体实施:
1) 在学校的三相电源总配电室的电进线端,并联安装AM1-40/4防雷模块一套。
第二级电源防雷:
虽然已经在学校的总电源进线端安装了第一级的防雷器,但是当较大雷电流进入时,第一级防雷器可将绝大部分雷电流由地线泄放,而剩余的雷电残压还是相当高,因此第一级防雷器的安装,可以减少大面积的雷击破坏事故,但是并不能确保后接设备的万无一失;假设由配电室总电源拉至学校内其它建筑物的电源线路全部为三相走线,也存在感应雷电流和雷电波的二次入侵的可能,需要在管理处安装电源第二级防雷器。
第二级防雷器,作为次级防雷器,可将几千伏的过电压进一步限制到1点几千伏,雷电多发地带建筑物需要具有40KA的通流容量,将第一级防雷器泄放后出现的雷电残压以及电源线路中感应的雷电流给予再次泄放。三相线路选用PPS-II/3-40的电源防雷箱,单相线路可选用PPS-II/1-40防雷箱,此级防雷器并联安装,对后接设备的功率不限。
具体措施:
1) 14套ASP三相电源防雷箱PPS-II/3-40,在综合楼一、二、三层及商务宾馆,教学楼服务器机房、多媒体教室1、多媒体教室2,教学楼的一、二、三、四层,办公楼的一、二、三层等建筑的三相电源进线端各并联安装一套。
2) 计PPS-II/3-40电源防雷箱14套。
第三级电源防雷:
这也是系统防雷中最容易被忽视的地方,现代的电子设备都使用很多的集成电路和精密的元件,这些器件的击穿电压往往只是几十伏,最大允许工作电源也只是mA级的,若不做第三级的防雷,由经过一、二级防雷而进入设备的雷击残压仍将有千伏之上,这将对后接设备造成很大的冲击,并导致设备的损坏。作为第三级的防雷器,要求有10KA以上的通流容量。
单相的用电设备,可以选用插座式防雷器作为第三级电源防雷器,其串联在设备前端,对内部产生的操作过电压(如感性或容性负载设备的启动或关机等)和高压静电有极好的防范效果。缺点是串联式防雷器对后接功率有所限制,后接设备功率不超过2000W。另外内部网络的工作站、服务器、拨号MODEM等还可以选用带有网络保护端口的插座式防雷器。选用兼有三级电源加网络或者通讯防雷的插座,可以同时解决工作站的各个引雷途径所带来的雷电侵袭,做到一项多能。建议配置产品为带有网络或通讯保护的防雷插座LT A6-423NS、LT A6-422NS,或者普通型防雷插座LT A6-420NS。
具体措施:
1) 4套LT A6-420NS插座式电源防雷模块,安装在综合楼的一、二、三及商务宾馆的交换机的前端作为电源第三级的防护。
2) 2套LT A6-420NS插座式电源防雷模块,安装在教学楼的两个交换机前端,1套LT A6-420NS插座式电源防雷模块,安装在教学楼的大型交换机前端。
3) 3套LT A6-420NS插座式电源防雷模块,安装在办公楼的三层交换机前端。
4) 56套LT A6-420NS插座式电源防雷模块,安装在教学楼的两个多媒体教室的工作站前端,各28套。
5) 184套LT A6-423NS插座式电源带网络保护接口的防雷器,安装在综合楼的一、二、三及商务宾馆的工作站前端作为电源第三级的防护。
6) 2套LT A6-423NS插座式电源带网络保护接口的防雷器,安装在教学楼里的网络打印机和网管机的前端作为电源第三级的防护,一套LT A6-423NS对路由器,四套LT A6-423NS对两个多媒体教室剩下的工作站。
7) 在教学楼的一层101、102,二层201、202,四层401,402共10个工作站前端安装一套LT A6-423NS插座式电源带网络保护接口的防雷器;一层的语音室、会议室,值班室4个工作站,三层的303,办公室4个工作站,四层的403,四楼仓库3个工作站个安装一套LT A6-423NS插座式电源带网络保护接口的防雷器,共计21套。
8) 46套LT A6-423NS插座式电源带网络保护接口的防雷器,分别安装在办公楼的各个工作站的前端,作为电源第三级的防护。
9) 计LT A6-420NS 65套,LT A6-423NS 224套。
(三.)网络系统保护
尽管在网络的集线器及工作站等设备的电源外接引入线路已安装了电源防雷保护装置,作为网络单机工作站和网络集线器,其自身的引雷途径就有:电源和网络二种,只是进行电源线路的防雷保护是不充分的,必须考虑网络线路的防雷保护。
由于雷击发生时,产生巨大的瞬变电磁场,在1KM范围内的金属环路,如网络金属连线等都会感应到雷击,将会影响网络的正常运行甚至彻底破坏网络系统。
具体措施:
综合楼:
1) 2套RJ45-24E、 1套RJ45-4E 10/100M自适应网络防雷器,安装在综合楼三层交换机前端。
2) 2套 RJ45-16E 10/100M自适应网络防雷器,安装在综合楼二层交换机前端,一套RJ45-E100/4S安装在交换机的进线端。
3) 一套RJ45-16E,一套RJ45-4E 10/100M自适应网络防雷器,安装在综合楼一层交换机前端。
4) 3套RJ45-24E 10/100M自适应网络防雷器,安装在综合楼商务宾馆交换机前端。
5) 1套RJ45-E100/4S,单路10/100M自适应网络防雷器,安装在一层交换机的进线端。
6) 合计:
RJ45-24E 5套,RJ45-16E 4套,RJ45-4E 1套,RJ45-E100/4S 2套。
教学楼
1) 1套RJ45-16E 10/100M自适应网络防雷器,安装在12台服务器、网络打印机,网管机和路由器与大型交换机的连接点作为网络的防护。
2) 在第一个多媒体教室交换机处采用2套RJ45-24E,2套RJ45-4E,2套RJ45-E100/4S 10/100M自适应网络防雷器。工作站的网络防护采用采用RJ45-16E 3套,RJ45-4E 2套,剩下的两个工作站采用了LTA6-423NS上面电源防护已提到。
3) 在第二个多媒体教室交换机处采用2套RJ45-24E,1套RJ45-16E,一套RJ45-4E,工作站的防护与第一多媒体教室一样。
4) 采用3套RJ45-4E,对一层的语音室、会议室,值班室,三层的303,办公室,四层的403,四楼仓库的大型交换机的出口进行网络保护。
5) 合计:RJ45-24E 4套,RJ45-16E 8套,RJ45-4E 10套,RJ45-E100/4s 2套。
办公楼:
1) 2套RJ45-E100/4S 10/100M自适应网络防雷器一层交换机的进线端和三层交换机进线端,进行网络的保护。
2) 1套RJ45-16E 和一套RJ45-4E 10/100M自适应网络防雷器在二层交换机的出线端,进行网络的保护。
3) 1套RJ45-16E 10/100M自适应网络防雷器按装在一层交换机前端,进行网络的保护。
4) 3套RJ45-4E10/100M自适应网络防雷器按装在三层对交换机端口进行保护。
5) 合计:RJ45-E100/4S 2套,RJ45-16E 2套,RJ45-4E 4套。
综合楼、教学楼和办公楼合计:
1) RJ45-24E 9套, RJ45-16E 14套,RJ45-4E 15套,RJ45-E100/4S 6套。
(四.)通讯信号保护
通信系统和电源系统类似,遭受雷击的主要原因除线路直接遭受雷击外还有建筑物外通过传输线路引入和1公里范围内发生雷击时的感应雷。
对于学校内的通讯线路不了解在此没有考虑。
(五.)选用产品性能简介
1) AM1-40/4 ASP系列100KA三相电源防雷模块,工作电压400V,三相线路防雷器,功率不限,反应速度10-9秒,能有效抗击直击雷和感应雷击。应用于电源端作为第一级防雷。
2) PS-II/3-40 ASP 40KA三相电源防雷箱,工作电压230V,三相五线制,功率不限,反应速度10-9秒,配备挂墙安装配件,能有效抗击直击雷和感应雷击。高通流容量,具备后备防雷功能,应用于电源端作为第二级防雷。
3) T A6-420NS 雷泰插座式电源防雷器,通流容量19.5KA,有过热、过流、滤波、接地监测、相线监测和失效指示等功能,反应速度10-9秒,黄磷铜镀镍接触片工作性能稳定,五万次插拔无故障,功率2500W,适用于单相高档设备的未级电源防雷。
4) LT A6-423NS 雷泰插座式电源防雷器,通流容量19.5KA,过热、过流、滤波、接地监测、相线监测和失效指示等功能,另加10M/100M网络保护功能块,反应速度10-9秒,黄磷铜镀镍接触片工作性能稳定,五万次插拔无故障,功率2500W,适用于单相高档设备的未级电源防雷
5) RJ45-4E ASP100M专用防雷器,独特的4路端口保护,一套防雷器可以作为4个网络端口的防护,非常适合于网络交换机及集线器等多端口的网络设备的防护。标准RJ45接口,配件RJ45-RJ45连接线,通流容量5000A,插入损耗〈2.5dB,反应速度10-12秒,工作性能稳定,安装方便。
6) RJ45-E100/4S ASP 100M单口网络专用防雷器,标准RJ45接口,配件RJ45-RJ45连接线,通流容量5000A,插入损耗〈2dB,反应速度10-12秒,确保100M网络传输,工作性能稳定,安装方便.
7) RJ45-24E ASP10/100M专用防雷器,独特的24路端口保护,机架式安装形式,可以方便在网络机柜内,一套防雷器可以作为24个网络端口的防护,非常适合于网络交换机及集线器等多端口的网络设备的防护。标准RJ45接口,配件RJ45-RJ45连接线,通流容量5000A,插入损耗〈0.22dB,反应速度10-12秒,确保10/100M网络传输,工作性能稳定,安装方便
8) RJ45-16E与RJ45-4E是属于网络防雷器的同一系列,只是保护端口不同而已,前面的保护16个口,后面的保护4口。
(六.)工程量清单

序号
品 名
数 量
用 途
1
AM1-40/4
1
100KA三相电源一级防雷模块
2
PPS-II/3-40
14
40KA三相电源二级防雷箱
3
LT A6-420NS
65
电源三级19.5KA防雷器
4
LT A6-423NS
224
电源、网络二合一防雷器
5
RJ45-24E
9
24口100M网络5KA级防雷器
6
RJ45-16E
14
16口100M网络5KA级防雷器
7
RJ45-4E
15
4口100M网络5KA级防雷器
8
RJ45-E100/4S
6
单口100M网络5KA级防雷器
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