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。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 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））。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。