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摘要：随着微电子技术的不断发展，自动控制系统在生产生活各个方面的使用越来越广，人们在受益于微电子的极大方便的同时，也受到其一旦损坏就损失巨大的困扰。实际中，在增加自动控制系统的时候，往往对自动控制系统的防雷未加考虑或考虑不够的情况较多，一旦有雷电波侵入，设备损坏一般是巨大的，有的甚至使整个系统瘫痪，造成无可挽回的损失。
近年来，智能家居已开始步入千家万户, 但由于其抵抗过电压和过电流浪涌冲击的能力较弱, 遭受雷击事故的现象时有发生。因此，本文根据智能家居的电气结构特点, 对其防雷设计进行技术分析探讨。
关键词: 防雷保护；智能家居
中图分类号：TU856文献标识码：A文章编号：
引言：智能家居是指是以住宅为平台,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。与信息系统设备类似,智能家居电子设备存在过电压和过电流耐受能力差, 对电磁干扰敏感等弱点,因此时常遇到意外的电压瞬变和浪涌,从而导致损坏。由于雷电在闪击过程中,产生的电磁脉冲在电源线路、信号线路上产生的感应过电压具有高电位、大电流、瞬时性的特点,也是造成智能家居电子设备损坏的主要原因。
1 智能家居电子设备雷击损坏原因分析
1.1 地电位反击电压通过接地体入侵
雷电流经过防雷引下线泄入大地时, 在接地体附近形成发射型的电位分布。当有电子设备的接地装置靠近防雷接地体时就会产生高压地电位反击,入侵的电压可高达数万伏。此外,当雷电流通过民居建筑物防直击的避雷引下线入地时, 在避雷引下线附近的空间将产生强大的变化电磁场, 进而会在相邻的导线(电源、信号线路)上感应雷电过电压。此时,民居建筑物的防雷装置不但不能保护家居电子设备,反而有可能引入了雷电。
1.2 由信号传输线路入侵
当地面凸出物遭直击雷袭击时,强雷电流将邻近土壤击穿。若雷电击穿土壤的区域敷设有信号电缆时, 雷电流就会直接入侵电缆外皮,进而击穿外皮,使高压入侵线路。此外,当雷云对地面放电时,在信号线路上会感应出上千伏的过电压,击坏与线路相连的电子设备,并通过设备连线入侵通信线路。这种入侵干扰将沿通信线路传播,涉及面广,危害范围大。
1.3 由交流 220V 电源供电线路入侵
直击雷击中高压电力线路后, 由变压器耦合到 220V 低压侧,然后通过智能家居系统的电源线路进入室内,损坏家居智能系统中的用电设备;低压线路被直击雷击中、感应雷电过电压,在 220V 电源线路上出现平均可达 10kV 的雷电过电压,对家居电子系统可造成毁灭性打击。
2 智能家居的雷电防护
智能家居防雷措施,除应考虑建筑物本身的直击雷防护外,还必须重视雷电电磁兼容性。外部防雷设施可将绝大部分雷电流直接引入大地; 内部防雷设施可抑制沿电源线路或信号线引入的雷电波。两者有机结合,相互补充,构成一套完整的防雷体系。
2.1 智能家居系统的外部防雷
智能家居按第 2 类防雷建筑物的防雷措施进行设计比较妥当。由接地体、引下线、接闪器组成的外部防雷装置可以将接闪时 50%的直接雷电流直接泄放入地。利用智能家居建筑物的基础构造钢筋作为接地体即可满足要求,其优点是耐用、节省投资、电气性能良好(接地电阻小、阻抗低、电位分布均匀等)。建筑物内的交流工作地、安全保护地、直流工作地、防雷接地与建筑物法拉第笼良好连接,使弱电设备共用接地装置,避免接地设备之间存在电位差。对于小区建筑群,由于建筑物间的距离都不远,在进行设计时, 应将各建筑物的独立接地装置在对称 2 个方向焊接,把所有建筑物自然基础钢筋连接成一个大的接地体,接地电阻≤1Ω。利用建筑物外结构立柱内钢筋作为防雷引下线时,不应教条地按《建筑物防雷设计规范》规定的引下线间距进行设计。应充分利用建筑物所有外柱作为引下线,因为当引下线数量较多且间距较小时,雷电流在局部区域分布也较均匀,反击危险也相应减小,对雷电感应的屏蔽更好。在建筑物屋面设计由避雷带、避雷网、避雷针或混合组成的接闪器,将引下线与建筑物基础钢筋、梁柱钢筋、金属框架以及建筑物天面、墻壁中的结构钢筋在相交处电气连接(点焊),并与金属门窗焊接,形成闭合良好的法拉第笼,使建筑物内的弱电设备具有的初级的屏蔽效果(见图 1)。
图 1 结构钢筋及金属门窗的电气连接图
2.2 智能家居系统的内部防护设计
2.2.1 等电位连接及接地
为尽量避免智能建筑物内部产生反击和危险的接触电压、跨步电压,应使建筑物的地面、各金属管线、墙板等同处于一个电位。为此,应在建筑物各楼层的防雷区(LPZ)的适当位置、配电箱安装位置、家居电气设备可能安装的位置预留与房屋防雷装置相连的等电位连接板,作为弱电设备保护各种功能接地用。在设计阶段就在适当位置设计安装等电位连接板,以后只要合理选用和安装 SPD 以及做符合要求的等电位连接, 基本能达到较好的防雷效果而且也经济。智能家居建筑物等电位连接安装示意见图2。
图 2 智能家居建筑物等电位连接安装图
2.2.2 电源线路过电压保护
主要是防止雷电波通过电源线路对家居电子设备造成危害。为了避免单级防护随过大的雷击电流而出现损坏概率高和产生高残压毁坏后续设备,电源线路应进行多级浪涌保护器(以下简称 SPD)防护,达到逐级泄流的目的,通过合理的多级泄流配合, 保证 SPD 有较长的使用寿命和家居电气设备电源端口的残压低于设备端口耐雷电冲击电压,确保设备安全。一是在建筑物电源线路的总进线处安装第 1 级电源 SPD,SPD 的标称放电电流宜≥10kA(10/350us)或 40kA(8/20us),冲击残压≤2.5kV;建筑物的单元配电箱电源的进线处加装第 2 级电源 SPD,SPD 的标称放电电流宜≥20kA(8/20us),冲击残压≤1.3kV;利用安装在插座板内的电源 SPD 作为第 3 级防护,SPD 的标称放电电流宜≥10kA(8/20us),冲击残压≤0.9kV;电视机、电子计算机、微波炉、音响、电话机等家居设备通过该插座板取电,以确保这些家居设备得到精细过电压保护。
电源线路设计安装避雷器时, 应注意电压开关型 SPD 与限压型 SPD 之间的线路长度要>10m,限压型 SPD 之间的线路长度要>5m,否则要在 2 级 SPD 之间加装退耦器。
3 综合布线的保护
综合布线系统是智能家居建筑物的中枢神经系统, 它是建筑物内部信息传输网络。为达到防雷的目的,应将各种信号线路设计敷设在接地良好的金属管或金属线槽内。采用金属管或槽布线的屏蔽效果好, 防止电磁干扰能力强, 切忌采用 PVC 管保护。穿线的金属管或金属槽应与各楼层的等电位连接板和接地母线相连接,以便达到良好的屏蔽效果。
4 结束语
智能家居防雷与电子信息系统雷电防护一样是一个系统工程由外部防雷及内部防雷 2 个方面组成, 防雷措施应按照接闪、分流、均衡电位、屏蔽、接地和合理布线这 6 项要素综合来考虑。在设计阶段就应针对智能家居内各种弱电设备的安装位置、综合布线等方面做防雷措施的设计,为弱电信息系统的雷电电磁脉冲防护实现提供基础条件, 使整个防雷系统取得良好的防雷效果及经济实用。
参考文献：
[1] 马宏达.学习防雷的基本功[J].中国防雷,2003.
[2]GB50057- 94.建筑物防雷设计规范.2000.
近年来，智能家居已开始步入千家万户, 但由于其抵抗过电压和过电流浪涌冲击的能力较弱, 遭受雷击事故的现象时有发生。因此，本文根据智能家居的电气结构特点, 对其防雷设计进行技术分析探讨。
关键词: 防雷保护；智能家居
中图分类号：TU856文献标识码：A文章编号：
引言：智能家居是指是以住宅为平台,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。与信息系统设备类似,智能家居电子设备存在过电压和过电流耐受能力差, 对电磁干扰敏感等弱点,因此时常遇到意外的电压瞬变和浪涌,从而导致损坏。由于雷电在闪击过程中,产生的电磁脉冲在电源线路、信号线路上产生的感应过电压具有高电位、大电流、瞬时性的特点,也是造成智能家居电子设备损坏的主要原因。
1 智能家居电子设备雷击损坏原因分析
1.1 地电位反击电压通过接地体入侵
雷电流经过防雷引下线泄入大地时, 在接地体附近形成发射型的电位分布。当有电子设备的接地装置靠近防雷接地体时就会产生高压地电位反击,入侵的电压可高达数万伏。此外,当雷电流通过民居建筑物防直击的避雷引下线入地时, 在避雷引下线附近的空间将产生强大的变化电磁场, 进而会在相邻的导线(电源、信号线路)上感应雷电过电压。此时,民居建筑物的防雷装置不但不能保护家居电子设备,反而有可能引入了雷电。
1.2 由信号传输线路入侵
当地面凸出物遭直击雷袭击时,强雷电流将邻近土壤击穿。若雷电击穿土壤的区域敷设有信号电缆时, 雷电流就会直接入侵电缆外皮,进而击穿外皮,使高压入侵线路。此外,当雷云对地面放电时,在信号线路上会感应出上千伏的过电压,击坏与线路相连的电子设备,并通过设备连线入侵通信线路。这种入侵干扰将沿通信线路传播,涉及面广,危害范围大。
1.3 由交流 220V 电源供电线路入侵
直击雷击中高压电力线路后, 由变压器耦合到 220V 低压侧,然后通过智能家居系统的电源线路进入室内,损坏家居智能系统中的用电设备;低压线路被直击雷击中、感应雷电过电压,在 220V 电源线路上出现平均可达 10kV 的雷电过电压,对家居电子系统可造成毁灭性打击。
2 智能家居的雷电防护
智能家居防雷措施,除应考虑建筑物本身的直击雷防护外,还必须重视雷电电磁兼容性。外部防雷设施可将绝大部分雷电流直接引入大地; 内部防雷设施可抑制沿电源线路或信号线引入的雷电波。两者有机结合,相互补充,构成一套完整的防雷体系。
2.1 智能家居系统的外部防雷
智能家居按第 2 类防雷建筑物的防雷措施进行设计比较妥当。由接地体、引下线、接闪器组成的外部防雷装置可以将接闪时 50%的直接雷电流直接泄放入地。利用智能家居建筑物的基础构造钢筋作为接地体即可满足要求,其优点是耐用、节省投资、电气性能良好(接地电阻小、阻抗低、电位分布均匀等)。建筑物内的交流工作地、安全保护地、直流工作地、防雷接地与建筑物法拉第笼良好连接,使弱电设备共用接地装置,避免接地设备之间存在电位差。对于小区建筑群,由于建筑物间的距离都不远,在进行设计时, 应将各建筑物的独立接地装置在对称 2 个方向焊接,把所有建筑物自然基础钢筋连接成一个大的接地体,接地电阻≤1Ω。利用建筑物外结构立柱内钢筋作为防雷引下线时,不应教条地按《建筑物防雷设计规范》规定的引下线间距进行设计。应充分利用建筑物所有外柱作为引下线,因为当引下线数量较多且间距较小时,雷电流在局部区域分布也较均匀,反击危险也相应减小,对雷电感应的屏蔽更好。在建筑物屋面设计由避雷带、避雷网、避雷针或混合组成的接闪器,将引下线与建筑物基础钢筋、梁柱钢筋、金属框架以及建筑物天面、墻壁中的结构钢筋在相交处电气连接(点焊),并与金属门窗焊接,形成闭合良好的法拉第笼,使建筑物内的弱电设备具有的初级的屏蔽效果(见图 1)。
图 1 结构钢筋及金属门窗的电气连接图
2.2 智能家居系统的内部防护设计
2.2.1 等电位连接及接地
为尽量避免智能建筑物内部产生反击和危险的接触电压、跨步电压,应使建筑物的地面、各金属管线、墙板等同处于一个电位。为此,应在建筑物各楼层的防雷区(LPZ)的适当位置、配电箱安装位置、家居电气设备可能安装的位置预留与房屋防雷装置相连的等电位连接板,作为弱电设备保护各种功能接地用。在设计阶段就在适当位置设计安装等电位连接板,以后只要合理选用和安装 SPD 以及做符合要求的等电位连接, 基本能达到较好的防雷效果而且也经济。智能家居建筑物等电位连接安装示意见图2。
图 2 智能家居建筑物等电位连接安装图
2.2.2 电源线路过电压保护
主要是防止雷电波通过电源线路对家居电子设备造成危害。为了避免单级防护随过大的雷击电流而出现损坏概率高和产生高残压毁坏后续设备,电源线路应进行多级浪涌保护器(以下简称 SPD)防护,达到逐级泄流的目的,通过合理的多级泄流配合, 保证 SPD 有较长的使用寿命和家居电气设备电源端口的残压低于设备端口耐雷电冲击电压,确保设备安全。一是在建筑物电源线路的总进线处安装第 1 级电源 SPD,SPD 的标称放电电流宜≥10kA(10/350us)或 40kA(8/20us),冲击残压≤2.5kV;建筑物的单元配电箱电源的进线处加装第 2 级电源 SPD,SPD 的标称放电电流宜≥20kA(8/20us),冲击残压≤1.3kV;利用安装在插座板内的电源 SPD 作为第 3 级防护,SPD 的标称放电电流宜≥10kA(8/20us),冲击残压≤0.9kV;电视机、电子计算机、微波炉、音响、电话机等家居设备通过该插座板取电,以确保这些家居设备得到精细过电压保护。
电源线路设计安装避雷器时, 应注意电压开关型 SPD 与限压型 SPD 之间的线路长度要>10m,限压型 SPD 之间的线路长度要>5m,否则要在 2 级 SPD 之间加装退耦器。
3 综合布线的保护
综合布线系统是智能家居建筑物的中枢神经系统, 它是建筑物内部信息传输网络。为达到防雷的目的,应将各种信号线路设计敷设在接地良好的金属管或金属线槽内。采用金属管或槽布线的屏蔽效果好, 防止电磁干扰能力强, 切忌采用 PVC 管保护。穿线的金属管或金属槽应与各楼层的等电位连接板和接地母线相连接,以便达到良好的屏蔽效果。
4 结束语
智能家居防雷与电子信息系统雷电防护一样是一个系统工程由外部防雷及内部防雷 2 个方面组成, 防雷措施应按照接闪、分流、均衡电位、屏蔽、接地和合理布线这 6 项要素综合来考虑。在设计阶段就应针对智能家居内各种弱电设备的安装位置、综合布线等方面做防雷措施的设计,为弱电信息系统的雷电电磁脉冲防护实现提供基础条件, 使整个防雷系统取得良好的防雷效果及经济实用。
参考文献：
[1] 马宏达.学习防雷的基本功[J].中国防雷,2003.
[2]GB50057- 94.建筑物防雷设计规范.2000.