中国农业发展银行分宜县支行综合楼防雷工程设计方案

摘要：随着银行信息处理系统的电子化、设备的集成化的提高和数字技术的发展，银行综合楼内弱电设备越来越多，各种设备之间的连线线纵横交错，其网络系统对浪涌较为敏感，电路对雷电的承受能力进一步下降，因而经常遭受雷击。本文根据笔者对该银行实施的防雷工程为基础，分析了雷电致灾的原因，入侵的方式、途径，设计了防雷方案，着重讨论了在综合楼内的综合布线系统方面如何采取防止雷害的方法和措施。
关键词：农发行分宜支行；综合楼；综合布线系统；子系统；防雷；设计方案
　　1、引言
　　 随着现代通讯技术及网络技术的发展，银行间的业务结算不断依赖计算机，其业务向集成化发展。综合办公楼线缆密布、系统设备繁多、微电子设备复杂。这些设备特别是连接的网络交换机、服务器、计算机、精密的微电子设备，它们的灵敏度高、耐压低、时时刻刻都大量的数据进行交换，并且数据线电源线分布很广，很容易受到各种干扰。在这些干扰中，雷电和过电压对系统的影响最为严重，轻则导致系统的误操作，重则造成系统数据的丢失，系统瘫痪和硬件设备的永久损坏。在如今的信息时代，这些设备及数据都较为重要，一旦损坏造成长时间停运，会带来巨大的经济损失。如何使通讯设备及其他设施不受雷电的侵害，是十分重要的。
　　2、综合大楼遭受雷击的分析
　　2．1 雷电的危害形式
　　2.1.1 直击雷和感应雷
　　雷电直接击中线路并经过电器设备入地的雷击过电流称为直击雷；由雷闪电流产生的强大磁场变化与导体感应出的过电压，过电流形成的雷击称为感应雷。
　　2.1.2 电磁脉冲辐射
　　闪电放电时，其电流是随时间变化的，而非均匀变化。一次闪电往往由几个短脉冲放电组成。一个中等的雷电放电，其第一个脉冲电流幅值大约为30KA，其最大电流陡度大约为12KA/μs。后续的脉冲电流幅值大约只有12KA，但其最大脉冲电流陡度大约为40KA/μs，因此脉冲电流就向外辐射电磁波，这种电磁波虽然也随着距离的增大而减小，但却比较缓慢，闪电的电磁脉冲辐射通过空间以电磁波的形式耦合到对瞬态电磁脉冲极其敏感的设备，会造成设备故障或损坏设备[2]。
　　2.1.3雷电过压侵入
　　当建筑物或设备并不处于雷暴区域内，或者虽在雷暴活动区域内，但建筑物或设备已受到防直击雷的避雷装置的保护与屏蔽，有时仍会遭受到雷害。其原因可能是在进线、出线或某些金属管道上未采用防雷电过电压的措施。直击雷或感应雷都可能使导线或金属管道产生过电压。这种过电压沿着导线或金属管道从远处雷区或防雷保护区域之外传来。侵入建筑物内部或设备内部。导致建筑物结构、设备损坏或人员伤亡。由于雷电过电压沿着导线或金属管道传播的距离远，扩散面大，特别是当地并无雷电活动，人员毫无思想准备，所以雷电过电压造成的损失比较严重。据统计，在电子设备遭受的雷击事故中，雷电过电压沿电源线侵入设备而造成的雷击故障，大约要占80%。
　　2.1.4反击电压侵入
　　雷暴活动区域内，当雷电闪击到建筑物的接闪装置时，尽管接地装置的接地系统十分良好，其接地电阻也很小，但由于雷电流幅值大，波头陡度高，雷电流流过时也会因接地引下线与各种金属导线、管道或用电设备上的工作地线间的绝缘距离未达到安全要求，造成接地引下线与各种金属导线、管道或用电设备间的工作地线之间放电，从而使这些金属导线、管道或用电设备间的工作地线上引入反击电流，造成人身和设备雷击事故。此外，由于避雷接地装置在雷击瞬间使其周围的地电位上升。这样即使该避雷接地装置与建筑物内其他设备的工作接地装置是分开的，也难免因两个接地装置之间的距离未达到安全要求而造成地中放电，致使仍处于零电位的其他设备的工作接地引入反击电流而损坏设备。
　　2.2 雷电过压和反击电压入侵综合楼内计算机系统
　　目前在防雷系统设计上，是执行国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057—94，设计由避雷网（带），避雷针或混合组成的接闪器，立柱基础的钢筋网与钢屋架，屋面板筋等构成一个整体，避雷网通过全部立柱基础的钢筋作为接地体，将强大的雷电流流入大地。计算机系统安置在建筑物内，受建筑物防雷系统保护，直击雷击中计算机网络系统的可能性非常小，计算机设备抗直击雷能力很低，保护设备非常昂贵，通常不必安装防直击雷的设备，而计算机网络必须防感应雷[3]。
　　感应雷可由静电感应产生，也可由电磁感应产生，形成感应雷电压的几率很高，对建筑物内低压电子设备威胁巨大，计算机网络系统及电话程控交换机的防雷重点是防止感应雷入侵。入侵计算机系统的雷电过电压过电流主要有以下三个途径（如图1）：

图1 近点雷击对设备形成损坏的途径

　　2.2.1交流电220V电源供电线路入侵
　　计算机系统的电源由电力线路输入室内，电力线路可能遭受直击雷和感应雷。直击雷击中高压电力线路，经过变压器耦合到220V低压，入侵计算机供电设备；另外低压线路也可能被直击雷击中或感应雷电过电压。在220V电源线上出现的雷电过电压平均可达10000V，对计算机网络系统可造成毁灭性打击。
　　2.2.2由计算机通信线路入侵
　　可分为三种情况：首先，当地面突出物遭直击雷打击时，强雷电压将附近土壤击穿，雷电流直接入侵到电缆外皮，进而击穿外皮，使高压入侵线路。其次，雷云对地面放电时，在线路上感应出上千伏的过电压，击坏与电路相连的电器设备，通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播，涉及面广，危害范围大。另外，若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行敷设时，当某一导线被雷电击中时，会在相邻的导线感应出过电压，击坏低压电子设备。
　　2.2.3地电位反击电压通过接地体入侵
　　雷击时强大的雷电流通过引下线和接地体泄入大地，在接地体附近放射型的电位分布，若有连接电子设备的其他接地体靠近时，即产生高压地电位反击，入侵电压可高达数万伏。建筑物防直击雷的避雷引入了强大的雷电流通过引下线入地，在附近空间产生强大的电磁场变化，会在相邻的导线（包括电源线和信号线）上感应出雷电过电压，因此建筑物避雷系统不但不能保护计算机，反而可能引入雷电。计算机网络系统等设备的集成电线芯片耐压能力很弱，通常在100V以下，因此必须建立多层次的计算机防雷系统，层层保护，确保计算机特别是计算机网络系统的安全。
　　此外，现代计算机网络对雷电极为敏感，即使几公里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控制中心误动作或损坏。根据国外资料介绍0.07GS的磁感应强度可造成计算机误动作，1.96GS的磁感应强度可造成计算机假性损坏，2.4GS的磁感应强度可造成计算机永久性损坏。
　　3、现场勘测
　　3.1场地勘测
　　本工程位于分宜县城的南侧。周边无高大建筑物。建筑物总共有7层，楼顶无管道外露。屋顶高度为24.50m，建筑物周长80.6m、宽15m。楼顶沿女儿墙和易遭受雷击部位敷设了一圈避雷带，实测其接地电阻为3.8Ω，符合规范要求。
　　3.1.1建筑物为框架式结构，每根构造柱的对角钢筋作为引下线使用。 作为引下线使用的柱子的冲击接地电阻为1.8Ω，其土壤电阻率为180Ω/m。
　　3.1.2该建筑物周围无强烈的电磁放射源，因此建筑物所处的环境为弱电磁环境。在做雷电防护设计时除机房、营业厅外其他设备可不必考虑电磁屏蔽。
　　3.1.3每层电气竖井旁都预留有楼层等电位连接端子。
　　3.1.4该建筑物已做直击雷防护，但具体细节还须改进。
　　3.1.5建筑物基础内主筋焊接形成闭合回路作为自然接地体。
　　3.1.6供配电系统未做雷电感应防护措施，电源采用TN-S系统。
　　3.1.7信息系统未做雷电感应防护措施，
　　3.2设备勘测
　　3.2.1银行系统网络机房1个、计算机网络语音中心机房1个，都位于大楼5楼中间房间，靠建筑物外墙。计算机网络分机房2个，1个位于大楼四楼，另1个位于大楼一楼。
　　3.2.2消防监控室1个，位于建筑物1楼。大楼每层均设有楼层火警报警器。
　　3.2.3 配电房1个，位于建筑物西面，与大楼隔一条宽5米的马路，大楼每层都设有楼层分配电柜。
　　3.2.4银行营业厅1个位于建筑物1楼。ATM自动取款机1台。
　　3.2.5电梯1台。电梯间1个，位于顶楼。
　　3.2.6水泵房1个，位于建筑物地下1楼。
　　3.2.7办公用电脑21台、打印机10台，传真机2台、复印机1台。
　　3.2.8监控摄像头9个，4个使用云台安装在银行营业厅内，4个使用立杆在建筑物周围。1个使用云台安装在配电房外。
　　3.2.9大楼配备发电机，每个机房均装设有UPS不间断电源。
　　3.3机房勘测
　　3.3.1银行办公大楼的年预计雷击次数为0.142次/a。
　　3.3.2根据GB50343-2004 中4.3的规定，确定该建筑物内机房雷电防护等级为B级。
　　3.4现状分析
　　根据对中国农业开发银行分宜县支行的现场勘测，可知大楼已做直击雷防护，并符合规范的要求。楼层等电位端子板已预留。
　　建筑物柱梁贯通情况良好，已形成法拉第笼。但是所有弱电设备均没有做好雷电波和雷电电磁脉冲防护。供配电系统，信息系统没有做好雷电防护。
　　现对以上的不足之处进行防雷方案设计。
　　4、 现代雷电防护系统的组成
　　现代防雷技术把防雷保护分为三种：外部防雷保护、内部防雷保护、过电压保护。运用系统思想综合考虑并协调各个子系统，使雷击产生的危害尽可能降低到各系统的承受能力之内。该楼的防雷技术措施见图2

图2   防雷系统图

　　5、综合楼防雷设计方案
　　5．1　设计依据
　　GB50057-2000   《建筑物防雷设计规范》
　　GB5034-2004    《建筑物电子信息系统防雷规范》
　　GB50169-92     《电气装置安装工程接地装置及验收规范》
　　GB50174-93     《电子计算机机房设计规范》
　　IEC61643       《SPD电源防雷器》
　　IEC61644       《SPD通信网络防雷器》
　　5．2　雷电防护系统的组成
　　5．2．1防直击雷措施
　　5．2．1．1．根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000版）的规定，该建筑物属于第二类防雷建筑物。
　　5．2．1．2　由于中国农业发展银行分宜县支行综合大楼已经按照规范要求在楼顶敷设避雷带作为直击雷接闪器，大楼柱梁内钢筋的连接情况良好，引下线的设置合理。因此不需再做直击雷的防护。
　　5．2．2　电源线路雷电防护措施
　　电力传输线是涉及范围最为广泛的传输线，事实证明80％以上的雷电入侵波来自于电力传输线，对于中国农业发展银行分宜县支行的网络数据及语音、消防监控制等系统内的电源线路的防雷应采取“多重保护、层层设防”的原则，根据设备的重要程度和地理位置进行有重点，有层次的多级保护，从而逐步将入侵雷电波的过电压、过电流降到设备可以承受的水平。
　　中国农业发展银行分宜县支行内各功能区的用电是由配电房集中供电实现的，即：由总配电房内配电柜分动力、空调、照明等多条供电线路分别供至楼内用电系统。因此，对网络数据及语音、消防监控等系统设备的供电线路防感应雷保护也要整体考虑。中国农业发展银行分宜县支行的配电系统采用的是TN-S系统。共有2套供电线路，1套为常用线路，1套为UPS备用电路，因此电源线路应装设两套避雷器。在建筑物总配电箱及各楼层配电箱处均设计安装有防雷浪涌保护器，安装方式及设备的选型均符合国标GB50057-1994（2000版）《建筑物防雷设计规范》第6.4.1条及6.4.2条对电涌保护器的相关设计标准。

图3 商业银行大楼配电示意图

　　5．2．3　屏蔽接地、等电位连接处理
　　5．2．3．1　在接地方面，共设引下线14条，符合国标GB50057-1994（2000版）《建筑物防雷设计规范》第3.3.3条、对二类建筑物防直击雷引下线间隔不大于18米的设计标准。建筑物的利用建筑物的钢筋作为防雷装置及利用基础内钢筋网作为接地体的，柱内钢筋均采用φ24螺纹钢，符合国标GB50057-1994（2000版）《建筑物防雷设计规范》第3.3.5条的相关设计标准。
　　5．2．3．2　等电位连接方面，各配电间及设备机房均设计有等电位连接及留有接地接口，大楼的广告牌、金属门窗及金属外墙也应进行接地处理，符合国标GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》第6.3.1条及6.3.2条关于屏蔽、接地和等电位连接的相关设计标准。
　　5．2．3．3　大楼柱梁电气贯通情况良好，引下线及所有的铝合金门窗，玻璃幕墙金属骨架应焊接相连。
　　5．2．3．4　所有设备机房内的静电地板均已做好接地处理，在设备机房内设置等电位连接端子板（120*80*8的铜板），所有设备的机壳、机架均用不小于10平方毫米多股铜芯线就近接至等电位连接端子板，以减少各系统设备之间或设备与设备之间因雷击而产生电位差。
　　5．2．3．5　进入大楼的所有外露可导电外层应在LPZ0B区与LPZ1区交界处进行总等电位连接后接地，在后续的雷电防护区交界处按总等电位连接的方法进行局部等电位连接。
　　5．2．3．6　进入大楼的光缆，在入户处将光缆中的加强钢筋作接地处理，接地线就近接至接地汇集排。
　　5．2．3．7　楼内电话语音线路采用的三类大对数电缆有条件最好敷设在屏蔽槽（管）内，并将电缆的金属屏蔽层在进入机房前和另一端作接地处理，接地线就近接地。
　　5．2．3．8　避雷器接地线规格：

SPD连接最小截面积

　　通过对以上各系统的设备及金属线路的接地处理，可保证楼内各系统的设备处于等电位状态，在大楼遭受雷击时不至于产生电位差。
　　5．2．4　消防、监控系统雷电防护措施
　　监控系统中的摄像头一般安装在室外处于LPZ0B区，接地电阻为3.8Ω，符合规范要求。其电源线极易感应雷电电磁脉冲并对其设备造成损坏。
　　室内监控摄像头的云台与视频线和控制线上安装的信号避雷器以及电源避雷器的接地线用6mm2 的铜线连接在银行营业厅的局部等电位连接端子上。
　　所有监控摄像头的电源线、视频线和控制线均是套铜管埋地设置，铜管在控制室的入户端应该作接地
　　处理。

图4  监控中心

图5  银行内部网络示意图

　　银行内部网络数据线为光缆埋地通过线槽井引入。
　　在交换机与服务器相连的数据线上安装一组相应的信号避雷器，用来保护交换机和各服务器免遭受雷电电磁脉冲的侵害。
　　光缆为非金属信号线路不能感应雷电压，但其加强芯可感应雷电电磁脉冲，应对加强芯进行可靠接地。
　　5．2．9　网络数据线路雷电防护
　　宽带网络数据线路同样为光缆埋地通过弱电井引入。
　　在交换机与服务器相连的100Mbps的超五类双绞线两端上安装一组相应的信号避雷器，用来保护交换机和各服务器免遭受雷电电磁脉冲的侵害。
　　光缆为非金属信号线路不能感应雷电压，但其加强芯可感应雷电电磁脉冲，应对加强芯进行可靠接地。

图6   宽带网络示意图

　　5．2．10　电话信号线路雷电防护
　　电话信号线路通过7楼计算机网络语音中心机房经过弱电井输送出来。
　　在中心机房内PBX的大对数通信电缆的入线端安装一组保安接线排，用来保护中心机房内程控交换机免遭电话线路因220V电路碰线和雷电电磁脉冲的侵害。
　　交换机柜内的交换机，应按照设备要求对其进行就近接地处理。
　　5．3　设备机房电磁屏蔽与等电位连接
　　根据IEC和GB的有关计算机机房的标准，机房地线有二类：独立地线和共用地线。但从防雷角度来看，必须使用共地，目的是减少雷电的高压反击。共地的基本目的是希望达到等电位，抵御雷电的高压反击。如果强行等电位，必将造成不愉快的后果，IEC61312明确指示：当共地无法实现时，采用电压瞬间导通的SPD元件，实现雷电来临时，达到瞬间共地。
　　根据GB50343-2004 中4.3的规定，确定该建筑物内机房雷电防护等级为B级。
　　5．3．1　消防监控室
　　消防监控室位于大楼的1楼。内有操作台1个，电视墙柜1个、语音报警柜1个、空调1台、UPS不间断电源。各设备均已做好接地处理。

图7消防监控室平面图

　　等电位连接，机房采用S型接地系统，即将电视墙柜外壳语音报警柜外壳、操作台外壳、UPS不间断电源控制主机外壳使用16mm2的铜线接于局部等电位连接端子上。
　　均匀布置2m2的Φ6.5的钢材于机房内墙组成屏蔽网格，并与门窗连接。天花板与地面采用内部已有钢筋做屏蔽，屏蔽网格与防静电地板、等电位连接端子做好连接处理。
　　5．3．2　各网络机房
　　银行内部网络机房位于大楼7楼。内有交换机柜2个、服务器2台、UPS不间断电源1套、空调1台。

计算机网络语音中心机房平面图

　　计算机网络分机房2个，1个位于大楼4楼，1个位于大楼1 0楼。每个机房内设备

图8银行内部网络机房平面图

图9计算机网络分机房平面图

　　各机房雷电电磁防护均采用以下处理：
　　等电位连接，机房采用S型接地系统，即将各种设备外壳16mm2的铜线接于局部等电位连接端子上。
　　均匀布置2m2的Φ6.5的钢材于机房内墙组成屏蔽网格，并与门窗连接。天花板与地面采用内部已有钢筋做屏蔽，屏蔽网格与防静电地板、等电位连接端子做好连接处理。
　　5．3．3　银行营业大厅
　　银行营业大厅位于大楼的一楼，内有监控摄像头4个（使用云台安装）、办公用电脑12台、打印机12台、复印机1台、UPS不间断电源1套。

图10银行营业大厅平面图

　　室内监控摄像头的云台与视频线和控制线上安装的信号避雷器以及电源避雷器的接地线用6mm2 的铜线连接在一起，然后使用16mm2 的铜线统一连接到银行营业厅的等电位连接端子上。
　　等电位连接，机房采用S型接地系统，即将各种设备外壳16mm2的铜线接于局部等电位连接端子上。
　　均匀布置2m2的Φ6.5的钢材于大厅内墙组成屏蔽网格，并与门窗连接。天花板与地面采用内部已有钢筋做屏蔽，屏蔽网格与防静电地板、等电位连接端子做好连接处理。
　　5．3．4　电梯控制房、水泵房
　　电梯控制房位于大楼楼顶，没有突出屋面。内有控制柜1个、配电柜1个、电梯电机4台。电源系统受到大楼整体电源雷电防护。
　　控制柜内的控制线上安装一组相应的信号避雷器，避雷器接地线与控制柜外壳用6mm2的铜线可靠连接。配电柜内安装的避雷器接地线与配电柜外壳用6mm2 的铜线可靠连接。
　　将控制柜外壳、电梯电机的金属底座、配电柜外壳用16mm2  的铜线连接到局部等电位连接端子板上。
　　水泵房位于大楼地下1层，供水管道埋地进入（已作接地处理）。内有控制柜1个，水泵电机4台、配电柜1个。
　　控制柜内的控制线上安装一组相应的信号避雷器，避雷器接地线与控制柜外壳用6mm2 的铜线可靠连接。配电柜内安装的避雷器接地线配电柜外壳用6mm2 的铜线可靠连接。
　　将各种设备外壳用16mm2的铜线接于局部等电位连接端子上。
　　6、结束语
　　虽然银行综合大楼的防雷中各种要都很重要，但由于如何减少雷害是一个整体的、全面的防雷问题，因此只有将防雷问题从各个方面加以解决，按照接地均压环、等电位的理论、浪涌电流就近疏导分流、线缆的屏蔽接地和通信电源及信号线的雷电过电压多级保护的原则，正确选择雷电过电压保护器件和防雷方案（根据年雷暴日、海拔高度、环境因素做出选择和考虑），进行整体的、综合的雷电防护，才能有效减少雷害。
　　参考文献
　　[1]关象石等 《防雷技术标准规范汇编》
　　[2]雷锐生等  《综合布线系统方案设计》[M]。西安电子科技大学出版社2004。3
　　[3] 孙国安。电磁场与电磁波理论基础［Ｍ］。南京：东南大学出版社，2002
　　[4] 薛颂石.智能建筑与综合布线系统［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，2002．12-16
　　[5]苏邦礼 崔秉球等《雷电与避雷工程》，中山大学出版社，1996
　　[6]陈谓民 《雷电学原理》，气象出版社，2003
　　[7]李良福 杨俐敏《计算机网络防雷技术》，气象出版社，1999.3.
　　[8]《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版），中国计划出版社，2000.
　　[9]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004，中国建筑工业出版社，2004.

Agricultural Development Bank of China branch in Fenyi County complex engineering programs lightning
　　Ａo Ziwen
　　Nanjing University of Information    Nanjing 210044
　　ABSTRACT

With the bank's electronic information processing systems and equipment to improve the integration of digital technology and the development of an integrated bank building more and more weak equipment, a variety of devices to connect between the lines criss-cross, the network system More sensitive to surges, lightning circuit of a further decline in affordability, which often suffered by lightning. The author of this article in accordance with the Bank's implementation of the mine-based projects analyzes the reasons for the lightning hazard, the invasion of the way, the way to design a mine-awareness programs, focused on building an integrated in the premises distribution systems how to prevent The mine-affected and measures.
Key words: Fenyi branch of the Agricultural Development Bank; complex; PDS; subsystem; mine; design
Key words:  The Fen Yi branch bank of Agricultural development bank china subsystem avoiding of lighting solutions