智能化大厦综合布线系统防雷与接地技术

　　摘要：随着信息处理系统的电子化、设备的高度集成化的提高和数字技术的发展，智能大厦综合布线纵横交错智能化大楼的网络系统对浪涌较为敏感，电路的雷电承受能力进一步下降，特别是综合布线连接的网络交换机、服务器、计算机、监控系统、终端设备容易遭受雷电的侵害，因而这些网络系统的各类接口应具有更好的防雷性能。文章着重论述智能化大夏综合布线系统的防雷与接地。

　　综合布线系统(PDS)是利用双绞线或光缆集成的通用传输系统，它是智能化建筑物连接“3A”系统的媒介，采用标准的信息配线系统，综合了所有语音、数据、图像与监控设备，并将各类设备终端插头插入标准的终端盒内。由于PDS系统在建筑物内纵横交错，它可以使交换系统与其他信息系统彼此相连，使这些系统成为外部通信网络的一个接入网点。但PDS连接的数据、网络计算机设备对雷电非常敏感，雷电可以对这些设备造成毁灭性的破坏。

　　智能大厦受到雷击时，大楼内冲击电位分布和空间瞬时电磁场将关系到建筑物内人身和设备的安全。由于受冲击时地电位升高，将影响到装在大楼内而与楼外有电气联系的网络系统。为此，雷电对智能大厦的设备危害来自三个方面，首先，浪涌电流沿着缆线进入网络系统;其次，由于地电位对网络系统产生影响，设备的冲击阻抗的反击地电位通常可达数十至数千伏;另外，现代的计算机网络对雷电极为敏感，即使几公里以外的高空雷闪或对地雷闪都有可能导致这些设备的薄弱环节——计算机CPU控制中心误动或损坏。根据国外资料介绍0.03高斯的磁场强度可造成计算机误动，2.4高斯即可将元件击穿。

　　对于雷电磁场的影响，主要是雷击大楼时雷电流在建筑物的分布直接影响到网络系统设备，特别是对雷击敏感的计算机控制单元及数字终端设备在智能大厦的布局。合理的在机房安装设备布局可有效减少雷害;大楼采用联合接地可有效解决地电位的影响;在大楼内电源、计算机、控制终端、监控系统、终端设备的接口处安装浪涌保护装置，并对大楼的出入缆线采取屏蔽、接地等措施，可有效减少雷电对信号及网络系统的侵害。

　　1 智能大厦PDS系统遭受雷击的因素

　　PDS系统作为整个大楼的核心要害信息中枢，自然要预先消除任何事故诱发的因素。直击雷及雷击时雷电电磁场分布、接地系统。各个子系统的配电单元及计算机网络与外界联系的信号数据线、建筑物内部较长的网络数据线，卫星小站的高频头、天馈线应该是雷击的核心。对于雷电电磁场的影响，主要是雷击大楼时雷电流在建筑物的分布直接影响到网络系统设备，特别是对雷击敏感的计算机控制单元及数字终端设备在智能大厦的布局，合理的布局可将雷害的损失降低到最低限度。大楼采用联合接地，均压等电位可有效解决地电位升高的影响，而在大楼内设备间、建筑群子系统、管理子系统、垂直和水平子系统、配电系统、UPS、交换机、服务器、Hub、监控系统、终端设备的接口处安装浪涌保护装置，并对大楼的出入缆线采取屏蔽、接地等措施，可有效减少雷电对信号及网络系统的侵害。卫星通信及无线通信天馈线屏蔽与接地，根据馈线的长度辅以同轴雷电过电压保护器可充分抑制雷电流通过馈线系统进入卫星收发信机的量级。

　　2 PDS系统的雷电过电压保护

　　2.1 PDS配电系统的雷电过电压保护

　　配电系统雷电过电压保护并非简单应用雷电过电压保护器件，而是运用电磁兼容原理，根据雷电保护区的划分，对一个需要保护的系统进行综合、多级雷电过电压保护。传统的雷电浪涌保护方法，在选择浪涌SPD件时，仅考虑被保护的通信设备本身，没有根据电磁兼容(EMC)原理，把局部或单一的防护措施归结到系统防雷，即整体防护的概念。由于缺乏系统整体观念，容易导致在电源系统网络，甚至在雷电防护的薄弱环节不同点安装过电压保护器时，各类防护器件相互之间不能控制和相互协调。由于防护器件在设计时，其防护性能仅仅考虑被保护设备本身的需求，而对于系统的防护，各级防护器件是相辅相成，互相影响的，若用于局部防护的过电压器件不能有效发挥其防护性能，就会影响整体防护。另外，还有一个重要的立论基础：“雷电过电压保护设计必须是建立在联合接地基础上”。

　　2.1.1 PDS系统设备间雷电过电压保护

　　在智能大厦配电变压器低压侧应安装标称放电电流不小于100kA的过压型SPD(包括主楼与各建筑群低压电缆引入子系统间的配电箱前)。低压电力电缆引入设备间机房人口处(在交流稳压器或交流配电屏前)，相线及零线应分别对地加装过压型SPD，其标称放电电流应大于20kA(相应的最大通流量为50kA)。并且，在SPD回路中串接保险丝，其主要目的是防止SPD因各类因素损坏或由于暂态过电压使SPD燃烧(国内外各类系统曾发生过多次此类事故，国内外防雷公司的SPD产品在工程上都要求采用串接保险丝，IEC60364-5-534《过电压保护装置》对此有专门论述)，影响供电线路的正常工作(由于以往的规范忽视了在SPD并联回路中串接保险丝，从而给正常供电带来了隐患)。保险丝标称电流的量级一般为上一级保险丝的1-1.6倍。

　　根据对雷电活动区的划分以及智能大厦的分类、所处的地理环境、建筑物的形式、供电方式的情况，在设计中对电源SPD提出了不同要求。

　　2.1.2 PDS系统二级交接间、各管理子系统设备间的雷电过电压保护

　　在智能大厦配电低压电力电缆引入二级交接间或各管理子系统设备间机房人口处，相线及零线应分别对地加装过压型SPD，其标称放电电流应大于20kA (相应的最大通流量为50kA);

　　2.1.3 各设备间机房内的雷电过电压保护

　　交换机、Hub、路由器、网络服务器、远程传感器控制系统、测试仪表的拖板式电源插座排内应安装标称放电电流为10kA的电源SPD。另外，各类设备应避免直接使用建筑物外墙体的电源插座，直流供电系统也应加装SPD进行保护。

　　2.1.4 两级SPD的隔距

　　按照国内外有关文献及标准，根据两级SPD的类型，SPD对雷电反应时间的长短，连接线缆的材料粗细都有要求。当两级都为MOV时，连接线缆隔距一般要求为3-5m;当两级SPD为不同器件时，连接线缆隔距一般要求为10m或连接线缆电感量为7-15H。因此，为了有可操作性，当上一级为雷击电流型SPD，次级采用过压型SPD时，两者之间的配电缆线隔距应大于10m。当上一级SPD与次级SPD都采用过压型SPD时，两者之间配电缆线的隔距应大于5m。

　　2.2 PDS计算机网络系统的雷电过电压保护

　　2.2.1 信号系统的雷电过电压保护

　　根据ITU-TK11规定笔者建议应坚持《过电压和过电流防护的原则》电磁兼容的基本原理，配线架与程控交换机用户板过电压和过电流防护的关系应是相辅相成的。作为出入通信局站的市话电缆，是雷电过电压和用户线与电力线碰线引人的过电流的主要诱因。由于配线架与程控交换机用户板都具备抗击雷电过电压和过电流的能力，作为第一级配线架的保安单元与第二级程控交换机用户板的保护电路之间有一个协调的关系，第一级用于一次保护的元件与第二级用于二次保护的元件作用是不同的。雷电过电压和工频过电流防护的原则：第一级的保护元件要承受雷电过电压和工频过电流的主要能量，而第二级保护元件则承受经过第一级保护后剩余的能量，第一级是粗保护，而第二级则是精细保护。第一级元件需承受较大的能量，因为元件选择问题，所以元件参数动作反应时间可能较慢;而第二级是精细保护，承受的能量较小，故元件参数动作反应时间可以较快。

　　通信行业标准目前还没有提出在智能大厦使用总配线架保安器的应用要求，在YD/T694-1998《总配线架》技术要求中也未作规定，因此，本文根据雷电活动区的划分，提出了各类保安单元的应用条件，并且对总配线架必须就近接地的原则和缆线的雷电过电压保护提出了要求，从智能大厦防雷的角度出发，应考虑以下措施：

　　(1)进楼电缆应从地下入局;

　　(2)进楼电缆的金属外护套应在智能大厦进线室内就近接地或与地网连接后再人局;

　　(3)进楼电缆的信号线均应对地加装信号SPD后，再接入网络系统，电缆内的空线对应作保护接地;

　　(4)地处少雷区、中雷区的智能大厦的市话配线箱，可采用由气体放电管或半导体放电管(SAD)与正温度系数热敏电阻(PTC)组成的保安单元;

　　(5)地处多雷区和强雷区的市话配线箱，必须采用由半导体放电管(SAD)与高分子PTC组成的保安单元;

　　(6)总配线架必须就近接地是关系到配线架的保安单元能否对交换机用户板起到有效保护的关键问题。在机房总体规划时，总配线架宜安装在建筑物的低层，接地引入线应从地网两个方向就近分别引入(从地网在建筑物预留的接地端子接地或从接地汇集线上引人);

　　(7)市话电缆空线对，应在配线架上接地。

　　2.2.2 建筑物内部计算机网络系统的雷电过电压保护

　　长期以来，建筑物防感应雷都是以防止雷电涌沿外线路感应为主，随着网络系统的电子化、高度集成化、微型计算机控制、智能化，特别是数字通信技术的发展，通信系统对雷电的承受能力下降，特别是智能大厦内计算机、控制终端、监控系统、终端设备更容易遭受雷电的侵害。由于在智能大厦内集中了交换机、传输设备、监控及网络设备、控制终端、电源、无线设备等系统，各系统之间的内部连接线路纵横交错、非常复杂，连接线路可达100～200m，这些连接线路因雷电电磁场的感应，将雷电浪涌传到系统之间的接口电路中去，对浪涌较为敏感的接口电路产生影响和冲击。另外，由于线缆物理结构上的差异，对雷电电磁场感应影响的大小也有所不同，因而就要求这些通信系统的接口应具有更好的防雷性能。

　　IEC-61644对连接通信、信号网络接口的浪涌保护装置提出了基本的要求和测试方法，ITU-TK系列文件对于各种通信系统的雷电保护和测试也提出了指导性方法，最近，ITU推出的K41建议——《电信中心内部通信接口抗雷电过电压能力》中，主要涉及的是不出局且长度在100m左右的网络数据线。该建议的推出表明，国际上已经将电信中心内部通信接口抗雷电过电压的要求提到很重要的位置上。这些文件表明：“建筑物内部的计算机雷电防护方法和SPD的应用已趋成熟，并走向规范化”。

　　另外，通过邮电部设计院对深圳、江门、茂名、东莞、韶关、南昌、湖南、河北、南宁等十几个省市的通信大楼雷害事故的统计表明：楼内网络接口设备、计算机控制终端、交换机的CPU控制模块、交换机及移动通信的控制终端、微机接口电路、设备测试台、交换机计费系统微机、营业厅内的收费微机、营业用多路计费器、测量室自动测量系统、监控系统等雷击损坏的事故时有发生。另外，移动通信、微波站内的网管监控及干线监控、遥信接口、数据采集板等设备也时遭雷击。这表明，计算机、控制终端及网络设备的接口是防雷电浪涌侵入的薄弱环节。国外的研究表明：“现代数字化网络系统的控制计算机，对雷电极为敏感。即使几公里以外的高空雷闪或对地雷闪出也有可能导致这些网络系统的薄弱环节计算机CPU控制中心误动或损坏。根据国外资料统计，0.03高斯的磁场强度可造成计算机误动，2.4高斯即可使元件击穿”。

　　从另一个方面讲，国外厂商早在20世纪90年代初期(国内在1995年前后)就已经推出了大量的计算机、控制终端及网络设备用的SPD，并已有很大规模。其中，用于计算机、控制终端及网络设备的SPD已经系列化，并且其质量和性能完全能满足通信系统的要求。另外，由于半导体放电管的出现，其元件的特殊性及优良品质使得用半导体放电管元件组合的SPD可以免去每年的例行检测，且保证了通信系统安全可靠的运行。

　　因此，对智能大厦计算机、控制终端及网络设备进行雷电过电压保护的条件已经成熟，从减少成本和合理投资的角度出发，建议仅对建在多雷区、强雷区的智能大厦内的计算机、控制终端及网络设备进行雷电过电压保护，对于建在中雷区的智能大厦内的计算机、控制终端及网络设备，如果该区时有雷击损坏的事故发生，则应参考执行。另外，从智能大厦的调研情况看，现有的智能大厦计算机、控制终端及网络设备的数据线，由于各方向的线数不多、控制单元分散，一般都用的是无屏蔽的线缆，改为屏蔽线和串金属管线在施工和运作方面都有困难(垂直管线除外)，而且成本将非常高，而安装SPD既经济、又方便，并且提高了通信系统安全可靠性。对智能大厦计算机、控制终端及网络设备实施雷电过电压保护，可参照下列条款：

　　(1)智能大厦内计算机、控制终端及网络数据线的雷电过电压保护设计应根据其在大楼内具体的雷电保护区位置、保护等级来确定SPD的保护参数;

　　(2)建在城市内，地处中雷区以上的智能大厦内计算机、控制终端及各类网络数据线，若长度小于50m，各类网络数据线宜穿金属管道(金属管道应电气连接)，金属管两端应就近与均压网焊接。建在郊区或山区，地处多雷区、强雷区内的智能大厦的计算机、控制终端及各类网络数据线，若长度小于30m，各类网络数据线宜穿金属管道，金属管两端应就近与均压网焊接;

　　(3)建在城市，地处中雷区以上的智能大厦内的计算机、控制终端及各类网络数据线，若长度大于50m而小于100m，应在设备的一端采用数据线SPD保护，若长度大于100m，应在两端采用数据线SPD保护;

　　(4)建在郊区或山区，地处多雷区、强雷区的智能大厦内计算机、控制终端及各类网络数据线，若长度大于30m、小于50m，应在设备的一端采用数据线SPD保护，若长度大于50m，应在两端采用数据线SPD保护;

　　(5)地处多雷区以上的智能大厦对于有出人网络数据线的设备，雷电过电压保护设计必须采用下列措施：

　　①控制及数据采集用的计算机接口应采用计算机接口SPD保护;

　　②在局域网工作站的输入端及文件服务器前应采用数据线SPD;

　　③出人大楼的各类金属数据线两端设备必须采用数据线SPD保护;

　　(6)出人大楼的各类金属信号线应穿金属管后，再从地下引入其他机房，金属管两端应就近与地网焊接。