智能建筑电子设备的雷电防护分析

雷电对智能建筑内部的电子设备危害很大。文章介绍了雷电的形成、分类以及对电子设备造成损害的原理，并针对智能建筑内部的电子设备提出了一些防雷击的设计方法。

智能建筑电子设备的雷电防护设计

1 前言

智能建筑是信息技术发展的必然产物，是高科技与现代建筑的巧妙集成。有着智能建筑“灵魂”之称的各种电子设备的应用范围也在不断扩大，因此大量的电子系统设备的安全运行是关系到智能建筑行业健康发展的一个关键问题，而对电子系统危害最大的就是雷电损害，有效解决和减少雷电对智能建筑内部大量电子设备的危害，是现代智能建筑中必须面对的新课题。文章阐述了雷电的成因，通过科学计算和分析，解释了雷电对智能建筑内部电子设备的危害途径，并提出了一些防雷方法和防雷工程实例。

2 雷电场的形成

由于地球静电场的存在，导致处于其中的云块发生正负电荷分离现象，由于大气的剧烈运动，运动的云块切割磁力线，把不同电荷进一步分离、极化，最后形成了带电云团。随着云团对地电位差的不断增大，它将击穿空气，形成对大地的强烈放电过程。这种放电可以是云团通过相对低阻抗物体（避雷针、大树、天线等）对大地的能量泄放，也可以是带异种电荷的云块之间的放电过程。由此可见，雷电的成因是大气的运动，没有这些运动，就不会产生雷电。这就解释了雷电总是伴随着狂风暴雨而出现的原因。

雷电场是一个巨大的静电场，由于它是一个静电场的放电，电流的方向不变，所形成的是一个幅度巨大的脉动直流电流，其所形成的电磁场称为雷电脉冲电磁场（ＬＥＭＰ）。

雷电频谱是研究雷电防护的重要依据。从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的能量在各频段的分布，根据这些数据可以估算电子信息系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确定雷电防护措施。

雷电流随时间以近似指数函数规律上升至峰值，然后又以近似指数函数规律下降，因此它被称为双指数函数曲线，可以用代数式表示为：

i=I0（e-αt-e-βt）

式中，I0—雷电流峰值（从几千安到几百千安）；

α—波前衰减系数；

β—波尾衰减系数；

ｉ—雷电流瞬时值.

从雷电波能量频率分布表明低频部分增值快，频率越高，增值越慢，这从另一个方面说明雷电能量主要分布在低频段。从典型的雷电波计算可知：９０％以上雷电能量分布在频率为十几ｋＨｚ以下。因此在电子信息系统设计中，只要防止频率为十几ｋＨｚ以下的雷电波窜入，就能把雷电波的能量消减掉９０％以上，这个结论对雷电防护工程来说很有指导意义。

雷电流的主要分量是直流分量，但脉动部分和雷电流与空气及地接触时产生的热骚动形成的谐波和高次谐波的电磁能量也很大，因此，对于电子设备而言，防止频率应适当扩宽（１４０kＨz），雷电流的统计数据见表１。

3 雷电的分类

（１）直击雷

当某一物体置于雷电场内，而且物体（可以是空气）又作为雷电流的导电体，巨大的电流通过该物体使物体遭到严重破坏，这种直接置于雷电场受到雷电的冲击被称为“直击雷”。直击雷的雷电电流峰值一般都在２００kＡ以上，其破坏力是惊人的，而且在瞬间、局部产生的高温可达５０００℃以上，可产生类似炸弹爆炸一样的冲击波。

（２）感应雷

置于地面某一位置的物体，雷电对这一物体产生的干扰可分为感应干扰和直接干扰。该物体不在雷电场内，但由于雷电处于放电过程，它所产生的强大电磁波使这一物体受电磁波的冲击，这样的雷被称为“感应雷”。感应雷相对直击雷来讲，雷电电流峰值较小，一般的电流峰值等级在２０kＡ以内。对现代微电子来说，不管感应雷还是直接雷对微电子器件都可造成永久性的破坏。

（３）地线反击雷

当雷云击穿空气对大地放电时，在极短时间内向大地注入大量的电荷，由于地阻的存在，导致大地在一定范围内电位升高到数千伏，甚至上万伏，对于那些接地系统，由于地电位远远高于其系统工作电压，其结果将是电源系统被地线反向放电所烧毁，这种雷击现象为“地线反击雷”。该现象表明，接地并不是一个最安全的选择，接地也不一定就是“安全”的。

4 雷电对智能建筑系统的危害

雷电对智能建筑系统的危害主要表现在对建筑物内电子设备的损坏，目前的电子设备系统具有工作电压低，工作电流小等特点，所以雷电对其损害也就比较容易。因此，提高智能建筑电子系统的防雷能力是智能建筑质量和健康发展的关键。雷击对智能建筑电子系统的危害主要表现在以下几个方面：

（１）直接烧毁电子设备线路板，造成局部或整个电子系统瘫痪，甚至引发火灾。

（２）雷击可使电子设备集成电路电路内部被击穿，毁坏三极管的ＰＮ结，线路铜皮崩裂等，这些“内伤”需借助专业仪表或显微镜才可观察到。

（３）雷击并不直接损坏电子设备，但是会造成系统的短暂失效、误动作、系统程序紊乱等现象，给智能建筑的安全运行带来隐患。

在３种雷击现象中，感应雷击是损坏智能建筑电子系统的第一“杀手”，因此智能建筑内部电子设备的防护重点应是感应雷。下面笔者将通过科学计算来认识感应雷的发生机理，探讨正确防护的方法。雷电感应电压计算模型如图２所示。

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击毁电子设备。

以某网络系统机房为例，假设大楼避雷针引下线或大楼主钢筋距主机房为１０m，机房面积为49ｍ２。其中，ｄｉ＝７５kＡ，ｄｔ＝１０μs，根据电磁感应定律，则感应高压U的计算式为：

Ｕ＝（μ/２π）×ｃ×Ｌｎ［（ａ＋ｂ）/ａ］×（ｄｉ/ｄｔ）

＝２×１０－７×７×Ｌｎ×＝５２５００Ｖ（1）

真空磁导率为：

μ＝４π×１０－７

由此可知，由雷电产生的感应电压会危及或影响其有效磁场内的所有电器，感应雷的能量虽小，但电压较高。所以，对感应雷害的防护，应该是全面的防护，但防护的级别可以低一些。

（编辑：大连站长网）

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