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雷電是一種自然現(xiàn)象，為一連串的干擾脈沖，地球上平均每秒發(fā)生100次左右雷電沖擊，其放電電流幅值可高達(dá)14 kA，在放電的瞬間，巨大的電流可產(chǎn)生極大的干擾電磁場。軍事、交通、電力、醫(yī)療、通信、廠礦等領(lǐng)域擁有眾多的地下建筑，隨著近代高科技的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、現(xiàn)代通信系統(tǒng)等不斷應(yīng)用在地下建筑，使地下建筑物日益智能化。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來說，地下建筑并非完全與外界隔絕，而是通過電源線、通風(fēng)口、自然防護(hù)體等或多或少地與外界保持著一定的聯(lián)系，因而使雷電形成的干擾電磁場有機(jī)可乘，勢(shì)必通過輻射、傳導(dǎo)、耦合的形式嚴(yán)重影響地下建筑內(nèi)智能化系統(tǒng)的正常工作，甚至可能直接導(dǎo)致設(shè)備和系統(tǒng)的癱瘓。因此研究地下建筑物的防雷設(shè)計(jì)，避免雷電對(duì)各用電設(shè)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(shí)現(xiàn)地下建筑物的防雷設(shè)計(jì)。 1 電磁兼容 電磁兼容是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。因此電磁兼容包含2個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在運(yùn)行時(shí)對(duì)環(huán)境的電磁騷擾不能超過一定的限值；另一方面設(shè)備對(duì)其所在電磁環(huán)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(shù)語》中把可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或者對(duì)生命或無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的各種電磁現(xiàn)象稱作電磁騷擾。把對(duì)設(shè)備、傳輸信道或系統(tǒng)性能構(gòu)成下降影響時(shí)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(gè)基本要素： （1）足夠強(qiáng)度的電磁騷擾源； （2）對(duì)該電磁騷擾能量敏感的接收器； （3）電磁騷擾傳輸?shù)浇邮掌鞯拿浇椤?nbsp; 因此保證電磁兼容性，提高設(shè)備抗干擾能力的原理是： （1）切斷干擾源； （2）提高受干擾設(shè)備的敏感度閾值； 電磁干擾有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種形式。 2 雷電電磁脈沖對(duì)地下建筑物的作用路徑 圖2為地下建筑物結(jié)構(gòu)簡圖。為了排氣和通風(fēng)，地下建筑物常設(shè)計(jì)有通風(fēng)口，直接和外界相連。同時(shí)為了方便和外界的通信，還設(shè)計(jì)有安裝在地表的通信天線，在無內(nèi)部發(fā)電機(jī)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(dǎo)干擾； （3）雷電電磁脈沖透過通風(fēng)口的輻射以及傳導(dǎo)干擾； （4）雷電脈沖作用于通信天線信號(hào)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(shè)計(jì) 由于雷電對(duì)地下建筑物內(nèi)部各設(shè)備、系統(tǒng)存在多種干擾途徑，因此其防雷設(shè)計(jì)可從抗干擾的原理出發(fā)，采取泄流、均壓、接地、屏蔽、隔離、濾波、過電壓保護(hù)等綜合防護(hù)措施，來保證建筑物內(nèi)部各系統(tǒng)、設(shè)備的電磁兼容。雷電在電磁干擾中充當(dāng)干擾源的角色，采用避雷針、接地、過電壓保護(hù)、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(tǒng)示意圖。 3．1 面向電磁兼容的防雷區(qū)域的劃分 根據(jù)地下建筑物的結(jié)構(gòu)，可將其劃分為內(nèi)部防雷區(qū)和外部防雷區(qū)。外部防雷保護(hù)區(qū)是指直接暴露于雷擊的區(qū)域，用A表示，為地表附屬建筑物及設(shè)施所涵蓋的區(qū)域；內(nèi)部防雷保護(hù)區(qū)是指沒有直接受到雷擊的區(qū)域，用B表示，為地表以下部分，包括鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的墻體、內(nèi)部各機(jī)房、設(shè)備。內(nèi)部保護(hù)區(qū)又劃分為保護(hù)區(qū)域1、保護(hù)區(qū)域2、保護(hù)區(qū)域3，分別用B1，B2，B3表示。保護(hù)區(qū)域1為墻體與各機(jī)房之間的部分，保護(hù)區(qū)2為各機(jī)房，保護(hù)區(qū)域3為各設(shè)備機(jī)箱內(nèi)部。 3．2 外部防雷 外部防雷的一般措施是使雷電流經(jīng)避雷器或避雷針的接地引下線流入接地網(wǎng)。保護(hù)原理是：當(dāng)雷云放電接近地面時(shí)，使地面電場發(fā)生畸變。在避雷針（線）頂部，形成局部電場強(qiáng)度畸變，從而影響雷電先導(dǎo)放電的發(fā)展方向，引導(dǎo)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(hù)物免受雷擊。 3．2．1雷電流進(jìn)入接地網(wǎng)的表征雷電流進(jìn)入接地網(wǎng)以后有以下特點(diǎn)： （1）雷電流進(jìn)入地網(wǎng)后將在入流點(diǎn)的地方形成波頭很陡的沖擊電壓波形。并且由于高頻時(shí)電感的作用，雷電流不易擴(kuò)散，因而在注入點(diǎn)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(chǎn)生的沖擊電壓要高，相同的波頭時(shí)間的雷電流，在相同的地網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)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(wǎng)中心點(diǎn)流入，電流對(duì)稱地分散到地網(wǎng)的四面八方。 3．2．2對(duì)于外部防雷所采用的措施 對(duì)于外部防雷，將針對(duì)不同的設(shè)施采取相應(yīng)的防護(hù)措施。 （1）天線的防雷 通信天線以及衛(wèi)星接收天線防雷保護(hù)的目的是為雷擊放電提供安全通道，使雷電電荷順利進(jìn)入大地，而不經(jīng)天饋系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)備，危及建筑物內(nèi)設(shè)備及人員的安全。為達(dá)到該目的，應(yīng)在天線上加裝避雷器，同時(shí)，天線要與天線塔搭接，消除電弧的產(chǎn)生。避雷器或者避雷針要通過引下線與地網(wǎng)連接，天線塔也應(yīng)與地網(wǎng)連接。為提高對(duì)雷擊的反應(yīng)速度，應(yīng)避免使用被動(dòng)放電式避雷針，選擇提前放電主動(dòng)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(chǎn)生過電壓以及傳導(dǎo)干擾，影響建筑物內(nèi)設(shè)備的正常工作，同樣需采取嚴(yán)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(wǎng)。 ②對(duì)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(wǎng)，接地網(wǎng)由一些水平和垂直的導(dǎo)體棒做成網(wǎng)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(dāng)參考零電勢(shì)，而且還可以為內(nèi)部或外部原因?qū)е碌墓收想娏魈峁┤氲氐牡妥柰ǖ馈?br /> 輸電線桿塔以及變壓器上安裝的避雷器作為整個(gè)電源系統(tǒng)的第一級(jí)保護(hù)。 ③為避免雷擊后在輸電線上產(chǎn)生的耦合過電壓以傳導(dǎo)的形式進(jìn)入地下建筑物內(nèi)部，應(yīng)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(dāng)?shù)赝寥赖?a href="http://www.qingdxww.cn/keyword/電阻" target="_blank" class="relatedlink">電阻率（Ω·m））。所用的金屬管、電纜金屬屏蔽層接地線應(yīng)同接地網(wǎng)相連。同時(shí)在接口處安裝濾波器，對(duì)設(shè)備易敏感的頻段實(shí)施濾波，保證電磁兼容。 （3）通風(fēng)口的防雷 通風(fēng)口如果為金屬管道或者鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)將金屬管或者鋼筋網(wǎng)連接到內(nèi)部接地網(wǎng)。 3．3內(nèi)部防雷 內(nèi)部防雷是指對(duì)雷電波侵入的防護(hù)，其技術(shù)措施可分為屏蔽措施、均壓等電位措施和過電壓保護(hù)措施三部分。 3．3．1屏蔽措施 采用分級(jí)屏蔽措施，分三級(jí)屏蔽，分別對(duì)應(yīng)保護(hù)區(qū)1，2，3的屏蔽。 （1）一級(jí)屏蔽 國內(nèi)有專家分析認(rèn)為雷電的能量大多分布在頻率為10多千赫以下，且有學(xué)者研究了鋼筋混凝土對(duì)電磁脈沖的屏蔽效能，得出對(duì)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(dá)40 dB左右，磁屏蔽效能可達(dá)20 dB左右。鋼筋混凝土屏蔽效能加上巖土層對(duì)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(duì)于民用地下建筑物來說，以鋼筋混凝土作為一級(jí)屏蔽已經(jīng)足夠了，但是對(duì)于軍用地下建筑物而言，該屏蔽效能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要實(shí)施鋼板整體屏蔽。在一級(jí)屏蔽中，要將建筑物的鋼筋網(wǎng)、金屬構(gòu)架、金屬門窗、金屬水管、金屬通風(fēng)管等與地板相互連接在一起，形成法拉第網(wǎng)，并與地網(wǎng)有可靠的電氣連接，形成一級(jí)屏蔽網(wǎng)。 （2）二級(jí)屏蔽 對(duì)于重要設(shè)備，如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等，由于易受干擾，常有專門的機(jī)房，在一級(jí)屏蔽防護(hù)達(dá)不到要求的情況下，需要采取專門的屏蔽措施，例如在機(jī)房的墻面上刷電磁屏蔽涂料，采用金屬結(jié)構(gòu)的墻體等，同時(shí)需要將機(jī)房墻體、金屬構(gòu)件等接入接地網(wǎng)，形成次級(jí)屏蔽網(wǎng)。 （3）三級(jí)屏蔽 設(shè)備的屏蔽效果首先取決于初級(jí)屏蔽網(wǎng)和次級(jí)屏蔽網(wǎng)的衰減程度，其次取決于設(shè)備機(jī)箱對(duì)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(guān)。由于大多電子設(shè)備在出廠時(shí)已經(jīng)充分考慮了電磁兼容性，機(jī)箱具有較好的屏蔽電磁干擾的能力，因此三級(jí)屏蔽時(shí)應(yīng)主要考慮屏蔽接地。在電子設(shè)備和電子系統(tǒng)中，各種電路均有電位基準(zhǔn)，將所有的基準(zhǔn)點(diǎn)連接到一個(gè)導(dǎo)體平面上（基準(zhǔn)平面），所有信號(hào)都是以該基準(zhǔn)平面作為零電位參考點(diǎn)，電子設(shè)備常以其金屬底座為基準(zhǔn)面，為了設(shè)備的工作穩(wěn)定和操作人員的安全，應(yīng)將基準(zhǔn)面與接地網(wǎng)相連。各設(shè)備只要有著良好的接地，就可以為雷擊等造成的感應(yīng)電流提供通暢的泄流途徑，避免在各機(jī)殼上生成高電壓，帶來損壞設(shè)備和傷害人員的危險(xiǎn)。 3．3．2均壓等電位連接 均壓等電位連接是內(nèi)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(fēng)管道、金屬下水管道和其他大件金屬物以及建筑物梁、柱內(nèi)的鋼筋作良好的電氣連接，并與所有接地網(wǎng)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(dāng)發(fā)生雷擊的時(shí)候整個(gè)建筑物成為一個(gè)統(tǒng)一的帶電體，各部分的電位差比不連接的時(shí)候遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)發(fā)生閃擊放電或者破壞建筑物的事故。 3．3．3過電壓保護(hù) 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(jí)保護(hù)；但是通過傳導(dǎo)來的線路過電壓和過電流仍然足以干擾各系統(tǒng)的正常工作，為此，在地下建筑內(nèi)部總配電盤至各機(jī)房配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器，作為二級(jí)保護(hù)；在所有重要的、精密的設(shè)備以及UPS的前端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器，作為三級(jí)保護(hù)。目的是用分流（限幅）技術(shù)即采用高吸收能量的分流設(shè)備（避雷器）將雷電過電壓（脈沖）能量分93流泄入大地，達(dá)到保護(hù)目的。 內(nèi)部防雷的屏蔽、均壓等電位接地以及過電壓保護(hù)三部分是相互配合，各行其責(zé)，缺一不可的。 3．4內(nèi)外部防雷的聯(lián)合接地 內(nèi)外部防雷的聯(lián)合接地同樣是根據(jù)等電位連接原理，把各內(nèi)外接地網(wǎng)通過金屬體相互連接起來，使他們之間成為電氣相通的統(tǒng)一接地網(wǎng)。采用聯(lián)合接地的原因有2個(gè)： （1）各通訊系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的接地是為了獲得一個(gè)零電位點(diǎn)。如果各系統(tǒng)分別接地，當(dāng)發(fā)生雷擊的時(shí)候各個(gè)系統(tǒng)接地點(diǎn)的電位可能相差很大。 （2）由于各系統(tǒng)采用獨(dú)立接地方式時(shí)要求各地網(wǎng)之間至少要有近20 m的安全距離，同時(shí)又要與各種金屬管道、電纜金屬屏蔽層和各大金屬構(gòu)件要有足夠的距離，這些在實(shí)際設(shè)計(jì)和施工中是難以做到的［5］。圖4為采用聯(lián)合接地方式后的地下建筑物防雷系統(tǒng)示意圖。 4結(jié)語 對(duì)地下建筑防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并沒有固定不變的模式，因?yàn)橛绊懙叵陆ㄖ览紫到y(tǒng)設(shè)計(jì)的因素實(shí)在很多，這些因素包括有地下建筑物的種類、地理位置、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、內(nèi)部設(shè)備系統(tǒng)的種類及布局等。因此要設(shè)計(jì)具體的地下建筑物的防雷系統(tǒng)必須充分調(diào)查，因地制宜，并合理應(yīng)用各種防護(hù)措施，才能保證建筑物內(nèi)各設(shè)備及系統(tǒng)的電磁兼容性，避免雷擊造成設(shè)備的損 壞及人員的傷害。 |
