基于电磁兼容的地下建筑防雷设计

　　雷电是一种自然现象，为一连串的干扰脉冲，地球上平均每秒发生100次左右雷电冲击，其放电电流幅值可高达14 kA，在放电的瞬间，巨大的电流可产生极大的干扰电磁场。军事、交通、电力、医疗、通信、厂矿等领域拥有众多的地下建筑，随着近代高科技的发展，尤其是微电子技术的高速发展，计算机网络系统、自动控制系统、现代通信系统等不断应用在地下建筑，使地下建筑物日益智能化。从结构特点来说，地下建筑并非完全与外界隔绝，而是通过电源线、通风口、自然防护体等或多或少地与外界保持着一定的联系，因而使雷电形成的干扰电磁场有机可乘，势必通过辐射、传导、耦合的形式严重影响地下建筑内智能化系统的正常工作，甚至可能直接导致设备和系统的瘫痪。因此研究地下建筑物的防雷设计，避免雷电对各用电设备、人员造成伤害，保证地下建筑物完成特定的功能具有十分重大的意义。本文将从电磁兼容的角度来说明如何实现地下建筑物的防雷设计。

1　电磁兼容
　　电磁兼容是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。因此电磁兼容包含2个方面的要求：一方面是指设备在运行时对环境的电磁骚扰不能超过一定的限值；另一方面设备对其所在电磁环境中存在的电磁骚扰具有一定的抗扰度，即电磁敏感性。在GB／T4365－1995《电磁兼容术语》中把可能引起装置、设备或系统性能降低或者对生命或无生命物质产生损害作用的各种电磁现象称作电磁骚扰［1］。把对设备、传输信道或系统性能构成下降影响时的电磁骚扰称为电磁干扰［1］。要形成电磁干扰需要满足如图1所示的3个基本要素：
    （1）足够强度的电磁骚扰源；
    （2）对该电磁骚扰能量敏感的接收器；
    （3）电磁骚扰传输到接收器的媒介。

　　因此保证电磁兼容性，提高设备抗干扰能力的原理是：
    （1）切断干扰源；
    （2）提高受干扰设备的敏感度阈值；
　　电磁干扰有传导干扰和辐射干扰两种形式。
2　雷电电磁脉冲对地下建筑物的作用路径
　　图2为地下建筑物结构简图。为了排气和通风，地下建筑物常设计有通风口，直接和外界相连。同时为了方便和外界的通信，还设计有安装在地表的通信天线，在无内部发电机组的情况下，还将通过变压器引入市电。因此为雷电提供了多种干扰途径：
    （1）雷电电磁脉冲穿透岩土层形成辐射干扰；
　　（2）雷电电磁脉冲作用于380 V，220 V电源线形成传导干扰；
　　（3）雷电电磁脉冲透过通风口的辐射以及传导干扰；
　　（4）雷电脉冲作用于通信天线信号传输通道后形成的干扰；
　　（5）雷电脉冲作用于地表附属建筑物后形成的干扰；
    （6）雷电脉冲通过地电位反击形成的干扰。

3　基于电磁兼容的地下建筑防雷设计
　　由于雷电对地下建筑物内部各设备、系统存在多种干扰途径，因此其防雷设计可从抗干扰的原理出发，采取泄流、均压、接地、屏蔽、隔离、滤波、过电压保护等综合防护措施，来保证建筑物内部各系统、设备的电磁兼容。雷电在电磁干扰中充当干扰源的角色，采用避雷针、接地、过电压保护、滤波措施可以有效地抑制干扰源，采用屏蔽措施则可以减少耦合通道。如图3所示为采用各种措施后的防雷系统示意图。
3．1　面向电磁兼容的防雷区域的划分
　　根据地下建筑物的结构，可将其划分为内部防雷区和外部防雷区。外部防雷保护区是指直接暴露于雷击的区域，用A表示，为地表附属建筑物及设施所涵盖的区域；内部防雷保护区是指没有直接受到雷击的区域，用B表示，为地表以下部分，包括钢筋混凝土结构的墙体、内部各机房、设备。内部保护区又划分为保护区域1、保护区域2、保护区域3，分别用B1，B2，B3表示。保护区域1为墙体与各机房之间的部分，保护区2为各机房，保护区域3为各设备机箱内部。

3．2　外部防雷
　　外部防雷的一般措施是使雷电流经避雷器或避雷针的接地引下线流入接地网。保护原理是：当雷云放电接近地面时，使地面电场发生畸变。在避雷针（线）顶部，形成局部电场强度畸变，从而影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（线）放电，再通过接地引下线，接地装置将雷电流引入大地，使被保护物免受雷击。
3．2．1　雷电流进入接地网的表征雷电流进入接地网以后有以下特点：
　　（1）雷电流进入地网后将在入流点的地方形成波头很陡的冲击电压波形。并且由于高频时电感的作用，雷电流不易扩散，因而在注入点的附近电压很快便降落到很低；
　　（2）相同幅值的雷电流，频率高的要比频率低的产生的冲击电压要高，相同的波头时间的雷电流，在相同的地网节点上产生的电压的大小跟雷电流的幅值的大小近乎成正比；
　　（3）雷电流从地网中心点流入，电流对称地分散到地网的四面八方。
3．2．2　对于外部防雷所采用的措施
　　对于外部防雷，将针对不同的设施采取相应的防护措施。
    （1）天线的防雷　
　　通信天线以及卫星接收天线防雷保护的目的是为雷击放电提供安全通道，使雷电电荷顺利进入大地，而不经天馈系统进入设备，危及建筑物内设备及人员的安全。为达到该目的，应在天线上加装避雷器，同时，天线要与天线塔搭接，消除电弧的产生。避雷器或者避雷针要通过引下线与地网连接，天线塔也应与地网连接。为提高对雷击的反应速度，应避免使用被动放电式避雷针，选择提前放电主动式的避雷针。
    （2）外部电源的防雷　
　　一般民用地下建筑均采用市电输入，为防止雷击83变压器、输电线后产生过电压以及传导干扰，影响建筑物内设备的正常工作，同样需采取严密的防雷措施，具体措施如下：
　　①为了避免雷击输电线路，造成跳闸等线路故障，在变压器的输电线杆塔上安装氧化锌避雷器，并通过引下线接入地网。
　　②对变压器采取良好的避雷措施：在变压器顶端安装避雷器或避雷针，并通过引下线到接地网，接地网由一些水平和垂直的导体棒做成网格状直接埋于土中而成，他的作用不仅在于可以确保为电气和电子仪器充当参考零电势，而且还可以为内部或外部原因导致的故障电流提供入地的低阻通道。
　　输电线杆塔以及变压器上安装的避雷器作为整个电源系统的第一级保护。
　　③为避免雷击后在输电线上产生的耦合过电压以传导的形式进入地下建筑物内部，应把下户电线、电缆穿铁管埋入地下，最低穿铁管长度不小于
为当地土壤的电阻率（Ω·m））［2］。所用的金属管、电缆金属屏蔽层接地线应同接地网相连。同时在接口处安装滤波器，对设备易敏感的频段实施滤波，保证电磁兼容。
    （3）通风口的防雷　
　　通风口如果为金属管道或者钢筋混凝土结构，应将金属管或者钢筋网连接到内部接地网。
3．3　内部防雷
　　内部防雷是指对雷电波侵入的防护，其技术措施可分为屏蔽措施、均压等电位措施和过电压保护措施三部分。
3．3．1　屏蔽措施
　　采用分级屏蔽措施，分三级屏蔽，分别对应保护区1，2，3的屏蔽。
    （1）一级屏蔽
　　国内有专家分析认为雷电的能量大多分布在频率为10多千赫以下［3］，且有学者研究了钢筋混凝土对电磁脉冲的屏蔽效能，得出对100 kHz以下的平面波型电磁脉冲峰值，钢筋混凝土的电场屏蔽效能可达40 dB左右，磁屏蔽效能可达20 dB左右［4］。钢筋混凝土屏蔽效能加上岩土层对雷电脉冲的约20 dB的屏蔽效能后，可以得出总的屏蔽效能大约在60 dB左右，对于民用地下建筑物来说，以钢筋混凝土作为一级屏蔽已经足够了，但是对于军用地下建筑物而言，该屏蔽效能还远远不够，需要实施钢板整体屏蔽。在一级屏蔽中，要将建筑物的钢筋网、金属构架、金属门窗、金属水管、金属通风管等与地板相互连接在一起，形成法拉第网，并与地网有可靠的电气连接，形成一级屏蔽网。
    （2）二级屏蔽
　　对于重要设备，如计算机网络系统、通信系统等，由于易受干扰，常有专门的机房，在一级屏蔽防护达不到要求的情况下，需要采取专门的屏蔽措施，例如在机房的墙面上刷电磁屏蔽涂料，采用金属结构的墙体等，同时需要将机房墙体、金属构件等接入接地网，形成次级屏蔽网。
    （3）三级屏蔽
　　设备的屏蔽效果首先取决于初级屏蔽网和次级屏蔽网的衰减程度，其次取决于设备机箱对电磁波的反射损耗程度和吸收损耗程度，这又与所使用屏蔽材料的种类和厚度有关。由于大多电子设备在出厂时已经充分考虑了电磁兼容性，机箱具有较好的屏蔽电磁干扰的能力，因此三级屏蔽时应主要考虑屏蔽接地。在电子设备和电子系统中，各种电路均有电位基准，将所有的基准点连接到一个导体平面上（基准平面），所有信号都是以该基准平面作为零电位参考点，电子设备常以其金属底座为基准面，为了设备的工作稳定和操作人员的安全，应将基准面与接地网相连。各设备只要有着良好的接地，就可以为雷击等造成的感应电流提供通畅的泄流途径，避免在各机壳上生成高电压，带来损坏设备和伤害人员的危险。
3．3．2　均压等电位连接
　　均压等电位连接是内部防雷装置的一部分，其目的在于减小雷电流引起的电位差。等电位连接的具体做法是把建筑物的金属通风管道、金属下水管道和其他大件金属物以及建筑物梁、柱内的钢筋作良好的电气连接，并与所有接地网作良好的电气连接。这样，地下建筑物的所有电方面是全部连通的，当发生雷击的时候整个建筑物成为一个统一的带电体，各部分的电位差比不连接的时候远远要小，特别是各金属物与其附近的金属体之间电位差近于0。因此不会发生闪击放电或者破坏建筑物的事故。
3．3．3　过电压保护　
　　雷电侵害主要是通过线路侵入。外部防雷中的输电线杆塔以及变压器上安装的避雷器虽然为电源提供了一级保护；但是通过传导来的线路过电压和过电流仍然足以干扰各系统的正常工作，为此，在地下建筑内部总配电盘至各机房配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器，作为二级保护；在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装避雷器，作为三级保护。目的是用分流（限幅）技术即采用高吸收能量的分流设备（避雷器）将雷电过电压（脉冲）能量分　　93流泄入大地，达到保护目的。
　　内部防雷的屏蔽、均压等电位接地以及过电压保护三部分是相互配合，各行其责，缺一不可的。
3．4　内外部防雷的联合接地
　　内外部防雷的联合接地同样是根据等电位连接原理，把各内外接地网通过金属体相互连接起来，使他们之间成为电气相通的统一接地网。采用联合接地的原因有2个：
　　（1）各通讯系统、计算机系统和电源系统的接地是为了获得一个零电位点。如果各系统分别接地，当发生雷击的时候各个系统接地点的电位可能相差很大。
　　（2）由于各系统采用独立接地方式时要求各地网之间至少要有近20 m的安全距离，同时又要与各种金属管道、电缆金属屏蔽层和各大金属构件要有足够的距离，这些在实际设计和施工中是难以做到的［5］。图4为采用联合接地方式后的地下建筑物防雷系统示意图。
4　结　语
　　对地下建筑防雷系统的设计并没有固定不变的模式，因为影响地下建筑防雷系统设计的因素实在很多，这些因素包括有地下建筑物的种类、地理位置、当地气候条件、内部设备系统的种类及布局等。因此要设计具体的地下建筑物的防雷系统必须充分调查，因地制宜，并合理应用各种防护措施，才能保证建筑物内各设备及系统的电磁兼容性，避免雷击造成设备的损 坏及人员的伤害。

参考文献

［1］　陈淑风，马蔚宇，等．电磁兼容试验技术［M］．北京：北京邮电大学出版社，2001．
［2］　关象石．雷电电磁脉冲防护基本原理和初步实践经验［J］．工科物理，1998，（副刊)：39-46.
［3］　苏邦礼．现代防雷技术最重要的是等电位连接［J］．广东电力,1998,11(2):5-7.
［4］　周璧华，陈彬，等．钢筋网及钢筋混凝土电磁脉冲屏蔽效能研究［J］．电波科学学报，2000，15(3):251-259.
［5］　张景平，乔艳君．在实际防雷中联合接地的应用［J］．甘肃气象，2002，20（2）：17．