烟草物流系统防雷设计
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【摘要】 讨论烟草物流系统（防火防盗、库区的流通信息输入、流通调拨和信息数据的传输）的防雷设计
【关键词】 烟草物流雷电近点电力线的侵入错相位雷害
0引言
烟草物流中心由信息中心、指挥中心、呼叫中心、库区、办公区等几部分组成，物流中心作为烟草流通领域的枢纽，其安全性和重要性主要体现在以下几个方面：防火防盗（消防、安防系统）、库区的流通信息输入、烟草流通调拨和信息数据的传输。
1雷电侵入系统的各种途径
1.1雷电远点袭击电力线
我国电力线输电方式是由发电厂通过升压变压器升压后，进行高压远程送电，经低压变压器输出至用户。由于我国的电压基本波形是每秒50Hz的正弦波形曲线，在电力线上形成每秒50次的交变磁场。如遇到雷雨天气时，在雷电未击穿大气时，将呈现出高压电场形式。
1.2雷电近点电力线的侵入
所谓雷电近点袭击电力线，实际上是雷电袭击建筑物避雷针，从而引起的雷电电磁脉冲的保护问题。雷电打在建筑物避雷装置上，按照GB50057-94《建筑物防雷设计规范》规定，定义大楼接闪电能力雷击电流为150KA（为波形10×350μS斜三角波）。避雷针引下线由于线路电感的作用，IEC1312定义最多只能将50%的电流引入大地，余下的电流将通过电力线屏蔽槽、水管、暖气管、金属门窗等与地面有连接的金属物质联合引雷，但也只引下少部分雷电流，余下总电流的25%在大楼流窜至UPS输入输出负载的电源线、局域网线等，击穿小型机局域网端，最终由逻辑地线处下泄入大地。对设备而言，部分雷电流将由UPS输入电源线对机房保护地线进行L-PE、N-PE泄放，UPS输出L-PE（逻辑地）、N-PE泄放,小型机L-PE泄放，局域网线对逻辑地线等进行泄放。最终结果，将击穿UPS输出对地线和输入对地线端、小型机电源对逻辑地线、网络数据线对逻辑地线。为此，必须对UPS输入输出火线零线对交流地和直流逻辑地进行保护，必须对小型机、服务器及其它重要终端进行等电位保护，对网络系统进行保护，只有堵死一切雷电导入的端口，才能有效的保护设备免受雷电的侵害。
1.3错相位雷害
雷电发生时闪电为一组雷击，每次不少于6个雷，它有大小和发生先后的区别，如果不同能量的雷打在两条相线上，线线之间就会产生一个电压差，侵入设备。这种雷击现象，称错相位雷击，又称雷电的二次破坏，对三相UPS而言，它的输入和输出端，应安装线与线之间的保护，才能更全面更立体的保护电子设备。
1.4雷电波侵入
当带电云层位于电力线上方时，将在电力线上感应出异号电荷。一但云内电荷放电（无论是云内放电还是地闪），则电力线上的电荷就变为自由电荷，将沿电力线向两端运动，并进入设备。由于其波头较陡，即使有隔离变压器也会由于电容藕合而进入电子设备。就是说只要
有雷电发生就有雷电侵入波，而不管雷电是否直接击中线路。堵死雷电由电力线入侵电子设备，应该从远点雷击、近点雷击，错相位雷击和雷电波侵入四种雷击现象入手，实施全方位的保护，才能在发生雷击时，有效的保护设备。雷电击在建筑物避雷针上，由避雷针通过引下线，将雷电流泄放大地，引下线自上而下产生一个变化旋转快速运动磁场，建筑物内的电源线、网络线等相对切割磁力线，产生感应高压并沿线路传输，造成设备被击毁。
1.5雷电作用下的二次效应--雷电高压反击雷
雷电袭击建筑物避雷针，由引下线将雷电流引入大地，由于大地电阻的存在，雷电电荷不能全部快速地与大地负电荷中和，必然引起局部电位升高，交流配电地和直流逻辑地将这种高电位引入机房，UPS输入、输出端被击穿，小型机及其他设备连接断口被击穿。这种反击电压少则数千伏，多则数万伏，直接烧坏用电器的绝缘部分。
1.6雷电作用下的网络雷害及人身安全危害
（1）广域网络一般讲，广域网络通常在遭受直击雷的破坏时，1mm²的铜线遭受10KA的电袭击，它自身就断了。所以，广域网的雷害主要是感应雷害，击穿方式为线对线对机壳（地），GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》标准中，广域网保护的最大雷电流为5KA，连接广域网一般有以下几类，一类是DDN租用专线，一类是ISDN专线，一类是帧中继以及微波通讯方式。对于专线的数据接收设备，其耐压应为5倍的工作电压，即Vdc25V，传输速率小于等于2M，插入防雷保护器，使之在雷电作用下，短路保护5KA电流，而端口残压小于25V，而对于电话线来说，它的工作电压48V加93√2 V振铃电压共计175V，插入防雷保护器（启动电压185V），残留电压小于Vdc330V，因为调制解调器的耐压为Vdc330V。保护模式为一对地和线对线，广域网遭受雷击的概率较大，一般在28%左右。
（2）局域网在局域网的传输电缆中，常常采用UTP电缆，UTP电缆的4对线中两对线（1-2，3-6线对）一对线接收一线发送，采用RJ45接口方式，雷电防护方式按两对线进行保护。在机房的综合布线中，施工人员为了布线工程的美观漂亮，把很多网线放在墙壁内，没有考虑对另外，对于网络系统，由于雷电引起的电磁脉冲，在机房内产生2.4Gs的变化电磁场，必然引起网卡端口芯片的烧毁。
（3）由雷击引起的人身安全问题雷电泄入大地，由于接地电阻较大，不能马上泄放，从而引起地电位升高，由于机房直流逻辑地线不在一点入地，距离差产品电位将两个电位值引入机房，这时，当一个操作人员的一只手摸在UPS输出负载外壳上（如小型机），而另一只手（或身体）摸在交流设备外壳上（如空调），两个电位值将通过操作人员的身体短路，造成操作人员伤亡。美国1996年为此而伤亡198人，广东省1997年在报导雷击伤亡的170人中，有相当一部分是为此而伤亡的。所以防雷保护设备的确很重要，但是保护人身安全更重要。
2、设计理念
依据雷电流活动规律及雷电波的可能侵袭途径，防雷设计遵循如下理念：接闪、引下分流、接地、屏蔽、均压等电位、共用接地系统、过电压保护等七个环节。每一个环节都是不可或缺的一部分，各部分互为保障，相辅相承。
3、解决方案
（一）概述
（1）雷电破坏建筑物的主要方式是直接对建筑物或构筑物发生闪击，由于雷电的巨大能量集中在闪击点，如果没有良好的泄放通道，产生巨大的电应力会直接损坏建筑结构的完整性。外部防雷的主要目的是将雷电流的能量引入大地从而保护建筑物的安全，这已经在大楼的设计和建设中完成了。
（2）雷击损坏网络和通信设备的主要方式是雷击瞬间产生的电磁脉冲感应在通信、网络或电源线路上，线路上产生的浪涌过电压最高可达数百万伏，瞬间电流可达数千安，如此高的电压和如此大的电流，是普通的网络和通信设备难以承受的。IEC（国际电工委员会）的防
雷技术组（TC/81）作为世界权威的防雷技术规范制定的标准化组织，在对雷电作了大量研究和实验的基础上，提出了先进防雷理念，并最终确立了分级保护、整体防雷的理论体系。
（3）按照IEC和国内相关规范要求，把整体防雷保护归纳为DBSE技术，即分流-均压-屏蔽-接地（Dividing、Bonding、Shielding、Earthing），实践也证明这四个要素是防雷保护中最有效和最重要的几个方面。只有认真做好包括电源系统、通信系统、网络系统和接地系统的保护设计，才能全面可靠地保障设备的安全。
（4）建议在需保护的区域，在有可能引入雷击过电压的进线处安装防雷器。防雷器是一种雷击放电流的泄放通道，也是一种等电位连接体，其保护原理是在雷击瞬间防雷器件快速导通和对地大电流泄放，瞬间使大地、设备、线路处在等电位上，从而保护设备免遭强电势差的损害。
（二）电源系统的防雷及过电压保护
（1）由于电力供电的普遍性，线路分布广、线径粗，多以架空铺设，受雷击或感应的机会相当大。国家规范《建筑物防雷设计规范》第3.4.9条中指出“线路侵入高电位而造成的事故占总雷害事故的70%以上”。电力部门也指出“据统计，电力系统中的绝缘事故占总事故次数的一半以上，其中由于过电压使绝缘破坏的情况更为突出。”
（2）根据国际规范IEC-1312的要求，同时对应于IEC-1024中所给出的防雷保护区概念，电源系统的防雷及过压保护分为三级，保护器分为B、C、D三类，其原因主要有3个方面：①由于雷击感应的能量巨大，依靠单一的防雷器件，很难将雷电流全部导入大地而自身不会损坏。而自身强度较高，泄流能力强的器件本身的残压（表征器件本身的阻抗）较高，在不同的电磁场强度的空间采用功能不一的防雷器件，各器件协调工作，既能保证大电流入地，又保证低残压，同时也使避雷器的寿命得到延长。②安装多级的保护装置，其间的导线有助于抑制电压和电流的提升率（陡度）即DV/Dt和 DI/Dt都减低，达到浪涌抑制的目的，后级的保护装置也同时起到吸收前级残压的作用；③多级保护，可以抑制由建筑物内部产生的浪涌对设备造成的影响，可防止较长导线对浪涌电流的反射。
（3）根据系统配电的实际情况，建议按照IEC标准进行最安全的三级配合保护。IEC统计的首次雷击强度可达200KA（10/350us），由于电磁的空间损耗和衰减，有50%的能量有可能耦合到线路上，因此对低压电力线路，其第一级的避雷器的保护能力（放电流）必须达到100 KA（10/350us）。具体实施如下：（见后图
1、图2）
（三）计算机网络系统的保护
（1）由于雷电发生时产生了巨大的电磁场，IEC指出“在距离雷电发生中心1500米范围内，电磁场的强度足以损坏任何没有屏蔽的电子设备”。设备已经由机壳本身屏蔽保护，但各类传输线、接口线仍会感应一定的脉冲电流，进而损坏或干扰设备，因此在重要的网络端口需要安装精细级的网络保护器。
（2）考虑到整个计算机网络系统是构筑在千兆以太网上，其核心交换机主的干通道是光纤连接，从防雷和抗干扰的角度来说已经是最好的。
（3）主交换机通过光纤连接二级边缘交换机。应在需要保护的楼层交换机的接口前加装标准的19英寸机架式24口保护器。
（4）网络接口保护器的目的是防止双绞线感应雷击过电压和终端设备引入过电压及地电位反击时使网络设备内部建立等电位连接，保证雷击是数据传输的准确和稳定，避免网络设备发生损坏和数据传输失误。参阅图3：
图3 计算机网络系统防雷器安装示意图
（四）防火防盗系统的保护
在防火防盗系统中，大部分传感器、摄像机设备均安装于室内，控制等线路大部分不穿越任何防雷分区，因此无加装防雷器件的必要，加装不当时，甚至会影响消防系统的正常使用，反而加大安全隐患！
根据建筑物防雷设计规范的要求，只有穿越防雷分区的线缆，即在系统中进出库区和办公区外墙面的控制线缆，才应该安装防雷保护器件，以确保防火防盗系统的安全使用。
（五）机房接地系统
（1）采用联合接地系统，利用机房预设的接地点，在机房内敷设一均压网，规格为2M×2M，材料为40×4紫铜带。
（2）机房内机柜的保护地用16平方毫米铜线接到均压带上。
（3）通信电缆的屏蔽层、信息线走线槽、防静电地板及支撑架、各类合金门窗等都要可靠连接到均压网上。
（4）防雷器的接地要就近连接到均压网上，接地线要尽量短，接地汇集排与各类接地线的连接要可靠，并要检测接触电阻。
参考文献
国家标准《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94
国家标准《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004
国家标准《电子计算机机房设计规范》GB50174-93
国际电工委员会（IEC）标准《Protection of Structures against Lightning》 IEC 61024国际电工委员会（IEC）标准《Protection against lightning electromagnetic impulse》国际规范《Electrical installations of buildings》IEC 364-4：
