公安指挥大楼防雷初步设计方案
[摘要]：本文简要介绍了公安指挥大楼所处的雷电环境以及对该大楼产生雷电危害的几种形式，通过计算建筑物的预计年雷击次数来确定该建筑物的防雷类别为第二类，通过雷击风险评估确定该建筑物电子信息系统的雷电防护等级为A级，在这些工作的基础上，初步提出了包含防直击雷、防雷电波侵入、屏蔽、等电位及综合布线措施的防雷设计方案。
[关键词]：公安大楼 防雷 设计方案
一、概述
（一）公安大楼基本情况
随着公安装备现代化水平的进一步提升，公安大楼中使用了大量的信息系统灵敏设备，一方面，这些设备的敏感性高，抗雷电电磁脉冲的能力差，很容易受到侵害；另一方面，这些信息系统的重要性、特殊性要求整个系统的安全可靠性非常高，要求信息的传输及存储以及显示不可以出差错、不可以中断。所以在公安大楼信息系统实施完备、可靠的防雷措施是非常必要的。安福县47年（1958-2004年）年平均雷暴日Td平均值为69.8 d/a，最多年份达92天，属多雷区。安福县公安指挥大楼位于安福县城北开发新区，是多雷区中的雷灾事故多发区，雷灾事故时有发生。该处地势平坦，四周尚未建房，因此空旷孤立。拟建十层，为全框架钢筋水泥结构，110指挥中心信息机房拟放于大楼的第八楼，该综合信息机房是全县公安信息交换的中心，因此对雷电防护有较高的要求。
拟建建筑物宽15 m，长39 m，高32.8 m。
经实测该地土壤电阻率为200Ω•m。
电源线、电话线、网络线、城防监控视频信号线拟为架空线转换为电缆埋地引入，配电系统为TN-S型式。
（二）对该大楼产生危害的雷电形式
雷电现象是指雷云之间或雷云与地之间迅猛放电的过程，在该过程中，不仅会产生强大的雷电流（可达数十至数百千安），并且会伴随有强烈的闪光和巨大的声响。对大楼产生危害的雷电形式有：
1.直击雷击
直击雷击是指雷云之间或雷云与地物（比如建筑物）之间与的某一点放电，雷电电流平均约为20000A，雷电电压大约是1010伏，一次雷电的周期约为千分之一秒，强大的雷电流通过被击建筑物时将产生热效应，这种热效应所产生的巨大热量会使被击物体温度突升，甚至引起火灾。 也能使空气急剧膨胀，并以超生速向四周扩散，其外围附近的冷空气被强烈压缩，形成“激波”，它会破坏其附近的建筑物、人员、树木等。 并且雷电流通过导体产生的雷电电磁场，会产生电动力效应，使处在其中的导体受力变形甚至折断。
该楼高度较高,地处空旷，遭直击雷击的可能性大。
2.感应雷击
感应雷击是在雷云之间或雷云对地的放电时，通过建筑物外部的传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线和电磁感应并侵入设备，强大的雷电流会产生强大的电磁场，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害，它通过直接或电容耦合方式在输电线路上形成暂态过电压以流动波形式沿线路传播。雷电流有50%是直接流入大地，还有50%是流入各电气管道（如电源线、信号线和金属管道等）。一般在以雷击中心1.5－2km范围内都可能产生危险过电压,损坏电路上的设备。
雷击放电对于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器（避雷带、避雷线、避雷网或避雷针）、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则使电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪；严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。
该楼内使用了大量的信息系统灵敏设备，遭感应雷击危害可能性大。
3.雷电波侵入
雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。在线缆上产生很高的雷电过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。因此，往往在听到雷声之前，我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。
该楼电源线、电话线、网络线、城防监控视频信号线均从外面引入，遭雷电波侵入危害可能性大。
4.系统内部操作过电压
因断路器的操作、电力重负荷以及感性负荷的投入和切除、系统短路故障等系统内部状态的变化而使系统参数发生改变，引起的电力系统内部电磁能量转化，从而产生内部过电压，即操作过电压。
操作过电压的幅值虽小，但发生的概率却远远大于雷电感应过电压。实验证明，无论是感应过电压还 是内部操作过电压，均为暂态过电压（或称瞬时过电压），最终以电气浪涌的方式危及电子设备，包括破坏印刷电路印制线、元件和绝缘过早老化寿命缩短、破坏数据库或使软件误操作，使一些控制元件失控。
系统内部操作过电压的危害难以避免。
5.地电位反击
如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。同时，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。在方案设计时，要采取综合措施，减免地电位反击的危害。
二、设计依据及确定防雷类别
（一）主要设计依据
此方案的主要设计依据为:
《建筑物防雷设计规范》 GB50057-94（2000年版）
《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004
《雷电电磁脉冲的防护》 IEC 1312-1，2，3
《低压供电系统中的过电压保护器》 IEC 61643，1998
《计算机信息系统防雷保安器》 GA 173-1998
《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》 GA 267-2000
《电子计算机房设计规范》 GB 50174-93
《过电压保护器》 VDE-0675
《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》 CECS 72-97
（二）确定建筑物的防雷类别
通过计算建筑物的预计年雷击次数N1值来确定该建筑物的防雷类别。
N1=K•Ng•Ae ，
其中Ng=0.024Td1.3
Ae={LW+2(L+W)√[H(200-H)]+3.14H(200-H)}10-6，
式中：N1—建筑物年预计雷击次数(次/a) ，K—校正系数，该楼属孤立建筑物，取2.0，Ng—建筑物所在地雷击大地年平均密度(次/Km2•a) ，Td—年平均雷暴日(d/a)，据统计， Td= 69.8 d/a，Ae—与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(Km2) ，L—建筑物长度(m) ，W—建筑物宽度(m) ，H—建筑物高度(m) 。W =15 m，长L =39 m，H =32.8 m，计算出预计年雷击次数N1为 0.31 次/a，按照《建筑物防雷设计规范》(GB50057－94) （2000年版），N1大于 0.3 次/a，因此该办公楼划为第二类防雷建筑物。
（三）确定建筑物电子信息系统的雷电防护等级
通过雷击风险评估确定该建筑物电子信息系统的雷电防护等级。
建筑物及入户设施年预计雷击次数N（次/年）由建筑物年预计雷击次数N1和建筑物入户设施年预计雷击次数N2相加而得，即N＝N1＋N2。前已计算N1为0.31次/a，现计算N2= Ng•Ae＇=( 0.024Td1.3) •(Ae1＇ + Ae2＇ )=4.79（次/年）。
Ae1＇—电源线缆入户设施的截收面积（Km2）,对于低压埋地电缆按2dsL10-6 计算。
Ae2＇—信号线缆入户设施的截收面积（Km2），对于埋地信号线按2dsL10-6计算，该地土壤电阻率为200Ω•m，因此等效宽度ds值为200，L值为1000 m。
N＝N1＋N2=0.31+4.79=5.1
建筑物电子信息系统系统设备，因直击雷和雷电电磁脉冲损坏可接受的年平均最大雷击次数NC可按下式计算：
NC＝5.8×10-1.5/C（次/年）
式中C－各类因子之和，C=C1+C2+C3+C4+C5+C6，C1到C6分别表示建筑物材料结构因子、重要程度因子、耐冲击类型和抗冲击过电压能力因子、雷电防护区因子、发生雷击事故的后果因子、区域雷暴等级因子，对于该建筑物其值分别为1.0，2.5，1.0，1.0，1.5，1.4，计算出C为8.4，NC为0.022。
比较N和NC值，确定建筑物内电子信息系统设备是否需要安装雷电防护装置： 此处N＞NC，应安装雷电防护装置。
根据防护装置拦截效率E确定其雷电防护等级：此处E＝1－NC/N=0.996＞0.98，定为A级，应设四级保护。
三、初步设计方案
（一）直击雷防护
1、接闪器
由于天面形状为长方形且房屋高度较高，用普通避雷针保护需多根才能保护到，故考虑用避雷带作接闪器。在屋面浇混凝土前，利用屋面钢筋焊接成9.75 m×7.5m的网格，另外沿建筑物屋面天沟外沿敷设￠12镀锌圆钢避雷带，屋面水箱四周也安装避雷带保护，屋面其他金属物均就近连接到避雷带上。避雷带支撑间隔１m，转角处0.5m。
2、引下线
取所有钢筋混凝土柱子内对角线上的两根￠10以上圆钢通长焊接作引下线，在屋面与钢筋网格相连，最底层与地圈梁钢筋焊接，中间楼层与楼层圈梁或楼板钢筋焊接，引下线水平间距见图示，在需要接地的楼层或房间，从距离拟安装设备位置最近的柱子钢筋上用4×40扁钢焊出，作为备用的各种接地的接地端子。
接闪器和柱内内引下布置见图1:
图1 天面防雷示意图 3、接地装置
利用基础底板水平钢筋搭接成接地网，该地网与承台钢筋相连，承台钢筋与地圈梁钢筋连接，地圈梁钢筋连接形成闭合环路，组成自然的共用接地体（交流工作地、安全保护地、逻辑工作地、电源避雷器接地、信号避雷器接地、静电接地、屏蔽接地均共防直击雷地），其接地电阻要求小于1Ω, 此接地具有经济、实用、接地电阻低、均衡电位的优点。经测算，本建筑利用基础内钢筋网作为接地体，在周围地面以下距地面0.5 m，每根引下线所连接的钢筋表面积总和能够远远满足表达式S≥4.24Kc2=0.82 m2的要求。因此，此联合共用接地是可行的。
本设计利用建筑物的钢筋作为引下线，同时建筑物的大部分钢筋、钢结构等金属物与被利用的部分连成整体，金属物或线路与引下线之间的距离可不受限制，也即可以不考虑防止雷电流流经引下线和接地装置时产生的高电位对附近金属物或电气线路的反击问题。
￠12圆钢搭接双面焊缝长度大于6d=7.2cm，4×40扁钢焊接长度2b=8cm，焊接处一遍防锈漆、两遍银粉漆做防锈处理。
（二）雷电波侵入防护
1、电源线防雷电波侵入
按层层防护、分级泄流的原则，在防雷区(LPZ)的各个界面或接近界面处,也就是电源系统的各级配电柜前端以及重要用电设备前端安装相应电涌过电压保护器（SPD），以有效地减小雷电流的能量，限制雷击高压脉冲，使之小于被保护设备承受能力，保护供电、用电设施。
电源低压线路采用架空线转换为埋地电缆引入，此处2√ρ=2√200＜50，其埋地长度应≥50ｍ，且埋地深度大于 0.6m，在入户端将电缆金属外皮与防雷的接地装置相连，在架空线由终端杆引下后转换成电缆的连接处，将电缆金属外皮、绝缘子铁脚、金具等连在一起接地，其冲击接地电阻不应大于10Ω。
首级电源电涌保护器标称放电电流的选择 ：
根据GB 50057-94（2000版）第6.3.4条和附表6.1提供的雷电流参数：对于第二类防雷保护,应按总雷电流150KA(10/350μS波形)来考虑电涌保护器选择，雷电流中的50%即75kA是通过接地系统（水管、铠装电缆外皮或导线的金属保护管等）直接入地；另外50%通过安装在相线和中线上的电涌保护器入地。考虑到50%雷电流分配到电源系统的最恶劣环境 ，电涌保护器每相上的雷电流约为：Iimp =[150 kA×50%]÷4 =18.75kA（线路无屏蔽时），因此，本建筑物首级电涌保护器的每相标称放电电流应≥20kA（10/350μS）。
在大楼总配电箱输出端设第一级标称放电电流In≥80kA(8/20us波形) 的三相电源限压型SPD或 ≥ 20kA(10/350us波形) 的开关型SPD，在各楼层配电箱设第二级标称放电电流≥40kA(8/20us波形)的限压型SPD，在总信息机房UPS前端装设第三级标称放电电流≥20KA(8/20us波形) 电源线路限压型SPD，在总信息机房的计算机等终端用电设备前设第四级标称放电电流≥10kA(8/20us波形)电源线路限压型浪涌保护器。由于大楼内大量的信息终端存在，从经济角度考虑，对于除信息机房外的其他房间的用电设备，电源线路做三级防护即可。
在实际的安装过程中，需要注意级间的距离要求：第一级（电压开关型）与第二级（限压型）SPD之间的线路长度要求大于等于10 m，其他各级SPD(均为限压型)之间的线路长度则要求大于等于5 m，否则多级防护的作用将大打折扣。为防止浪涌保护器遭受雷击损坏后电源对地短路，需要在浪涌保护器前安装短路保护器件（如空气开关）作为短路保护装置。电源电涌保护器连接导线的线径要求如表1：
表1 电源电涌保护器连接导线线径规格
保护级别 |
电源电涌保护器类型 |
导线最小截面积（mm2） |
电源电涌保护器连接相线铜导线 |
电源电涌保护器接地端连接铜导线 |
第一级 |
开关型或限压型 |
16 |
25 |
第二级 |
限压型 |
10 |
16 |
第三级 |
限压型 |
6 |
10 |
第四级 |
限压型 |
4 |
6 |
广州立信防雷科技公司是一家专门从事防雷产品的研究和开发工作十余年的高科技企业，其产品经作者的多年使用，认为该品牌产品具有技术先进、性能稳定、种类齐全、价格适中的特点，因此，此设计方案中均选用该公司的各系列产品。具体选择如下：
一级浪涌保护器选择广州立信防雷科技公司的组合式（开关型+限压型）三相电源保护器REP-XEL385B20产品：配电系统TN-S， 最大工作电压Uc=385V，通流容量In=80kA，限制电压Up≤4kV，有颜色劣化显示，内置I级后备熔断器REP-FB-I，作为保护器后备保险装置，并配备有雷击计数器。
二级浪涌保护器选择广州立信公司的限压型三相电源保护器REP-D380B7B，该产品最大工作电压Uc=385V，通流容量In=40kA，限制电压Up≤2.5kV，颜色劣化显示, 内置II级后备熔断器REP-FB-II。
三级浪涌保护器选择广州立信公司的限压型单相电源保护器REP-D220B3产品，最大工作电压275V，通流容量In=20kA，限制电压 Up≤1.5kV，颜色劣化显示，电源浪涌保护器前安装市售16A熔断器或后备熔断器REP-FB-III。
四级浪涌保护器选择广州立信公司的限压型单相电源防雷插座REP-D220CK产品，最大工作电压275V，通流容量In=10kA，限制电压 Up≤1.5kV。
2、信号线防雷电波侵入
公安大楼信息机房是公安信息交换的枢纽，由于大楼内部各种计算机、控制终端、监控系统、终端设备等各系统之间的通信连线纵横交错，非常复杂，有的连接线很长，这些通信连接线易受到雷电电磁脉冲的感应和影响，从而侵害设备。所以必须在程控交换设备、电话机、视频设备、公用网、公安专用网等信号线路上安装信号避雷器，防因地电位升高或线路感应过电压。
对于由架空转化成埋地引入的公用网络、公安专用网络、110报警电话、城保摄像监控等各种信号线路的，在入户前埋地长度必须≥50 m，并将线缆屏蔽层或光缆加强芯两端均接地。
信号线路避雷器具体选择如下：
在公安大楼局内电话程控交换机前选用广州立信防雷科技公司的REP-X03-TEL避雷器，每一台可保护10路，根据大楼的局内电话总台数，选用一台或多台，该产品最大持续工作电压Uc=130V，标称放电电流In=5kA，电压保护水平Up≤350V，插入损耗≤0.5db。
在公安110专用电话排队交换机前每路进线选用避雷器REP-X03-PSTN，该产品最大持续工作电压Uc=130V，标称放电电流In=5kA，电压保护水平Up≤350V，插入损耗≤0.5db，该型号一个避雷器仅保护一对电话进线。在每部外部可直接拨入的电话机前串接REP-X01-DH通信线路避雷器，该产品最大持续工作电压Uc=130V，标称放电电流In=5kA，电压保护水平Up≤270V，插入损耗≤0.5db。
在城防监控系统设备的视频线路上选用REP-16GVD机架式视频信号避雷器，该产品最大持续操作电压1.4V，标称放电电流In=5KA，电压保护水平Up≤12V，插入损耗≤0.5db，每台可保护的端口数为16口。
在公用网络、公安专用三、四级网络的Modem的信号入口处安装REP-X04-ADSL（或REP-X04-DDN或REP-X04-ISDN）专线避雷器，该产品最大持续运行电压180V，标称放电电流In=5.0 KA，电压保护水平Up≤270V，插入损耗≤0.5db。交换机信号出线线路上选用8线保护、接口方式为RJ45的REP-24RJ45E100/8型计算机网络避雷器，该产品最大持续运行电压5V，标称放电电流（8/20us）In=300A(线/线)In=2.5 kA(线/地)，电压保护水平Up≤13V(线/线)，Up≤700V(线/地)，插入损耗≤0.3db，保护的端口数为24口。此外还必须在服务器、前台计算机以及与交换机的线路长度超过20 m的局域网终端计算机信号线路入口处串接REP-X06-RJ45100，其技术参数同REP-24RJ45E100/8。计算机网络信号线路防雷示意图2：
图2 计算机网络信号线路防雷示意图 进入建筑物的金属管道（如镀锌水管）应就近与共用联合接地网相连接。
（三）屏蔽、等电位及综合布线措施
主机房墙壁中的结构钢筋、上下楼层钢筋在相交处电气连接，并与金属门窗焊接，初步构成一个屏蔽笼，可以大大减弱雷电电磁波的侵入，在室内沿墙壁四周再做一圈保护接地环，沿该接地环每隔一定距离与屏蔽笼上的结构钢筋做电气连接。地面静电地板下采用30×3mm薄铜排，做成0.6×0.6 m的网格，铜排网格接到保护接地环上构成等电位连接，光缆加强芯、电源浪涌保护器、信号浪涌保护器、各箱体、壳体、机柜、走线架以及进入机房各金属管道均就近等电位连接于此铜排网上，构成M型等电位连接方式。等电位连接采用6mm2铜芯导线就近接于汇流排或等电位铜排网格。活动地板铁架与铜网格进行电气联接，联接点不少于四点，间距≤3m。网络布线采用“超五类”屏蔽双绞线，压AMP头，采用标准19英寸配线架，网线采用静电地板桥架布线，桥架全程贯通并两端接地。主机房活动地板下部的低压配电线路采用铜芯屏蔽导线或铜芯屏蔽电缆，电源线应尽可能地远离计算机信号线，避免并排敷设。电源线缆与通信、数据线缆不能共线槽，通信电缆线槽以及地线线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁并沿建筑物立柱或横梁布线较长的距离，通信电缆线槽以及地线线槽尽可能位于距离建筑物立柱或横梁较远的位置。
四、结语
本文在确定公安大楼的防雷类别和建筑物电子信息系统的雷电防护等级的基础上，遵从系统防雷“整体防御、综合治理、多重保护，层层设防”的原则，根据公安大楼信息系统多样性的实际，有针对性地采取分流、接闪、均压、接地、屏蔽、合理布线等综合防雷措施，既考虑了外部防雷又考虑了内部防雷，既考虑了防直击雷又考虑了防雷电波侵入、防感应雷，总之从各个可能的雷击引入途径进行规划保护，从而提高了公安大楼整体防雷的效果，使雷电的危害降低到最低点，以确保公安大楼内人员、设备财产安全以及110报警系统、城防监控系统、公用网络、公安专用网络的安全稳定运行。
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Primary Design Project For Protection Against Lightning Of The Police Security Commanding Building Wang Sheng-kuan Nanjing University Of Information Science & Technology, Adult Education College Nanjing 210044,China ABSTRACT： This article first briefly introduced the thunder and lightning and against public security command lightning buildings where the environment by calculating the building is expected to determine the frequency of lightning strikes in the building of the type of lightning protection for the second one, the lightning through the risk assessment to determine the building Lightning Protection of Electronic Information System for A-level grades, In these efforts based on a preliminary contain anti-Zhi Jilei, lightning invasion waves, mask, such as the PDS and potential measures to mine design．
Key word: The Police Security Commanding Building Protection Against Lightning Design project
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