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弱电设备防雷初探
www.i-tech.com.cn  2013-12-28  上海泰齐科技网
    摘 要:介绍了弱电系统设备设计原则及雷电对弱电设备可能引起的危害,以及弱电设备防雷的一些基本措施和浪涌保护装置选型原则,通过实际应用的案例,探讨解决方案,以便更有效地防止雷电对弱电系统的损害。
    关键词:弱电设备;接地;浪涌;防雷

  0引言

    在电力系统中,对于强电设备的防雷措施比较完善,经验也比较丰富,但是对于弱电设备(如通讯设备、自动化设备、计算机及网络设备、弱电电源设备等)的防雷却显得很薄弱,每年各种弱电设备因雷击而遭受破坏的事例屡见不鲜。随着电力系统现代化、信息化进程的发展,弱电系统在整个电力系统中已占据举足轻重的地位,因此如何保护弱电系统免遭损害也越来越引起了各方面的高度重视,本文就此作一初步的探讨。

    随着现代电子技术的不断发展,大量精密电子设备的使用及联网,使安装在弱电系统中的设备,经受着电源质量不良(如电源谐波放大、开关电磁脉冲)、直击雷、感应雷、工业操作瞬间过电压、零电位飘移等浪涌和过电压的侵袭,经常会受到各种过电压、过电流的危害。由于一些电子设备工作电压仅几伏,传递信息电流也很小,对外界的干扰极其敏感,而雷电的电压可高达数100万V,瞬间电流可高达数10万A,因此,具有极大的破坏性。避雷针能防止直接雷击,但不能阻止感应雷击过电压、操作过电压、零电位飘移过电压以及因这些过电压在泄放电流时在其周围所产生的很强的感应电压,而这些过电压却是破坏大量电子设备的罪魁祸首。雷电造成的危害是无孔不入的。尤其对计算机网络系统的危害更大。据研究当磁场强度Bm≥0.07×10-4 T时,无屏蔽的计算机会发生暂时性失效或误动作;当Bm≥2.4×10-4 T时,计算机元件会发生永久性损坏。而雷电电流周围出现的瞬变电磁场强度往往超过2.4×10-4 T。因此,有效地防止雷电对弱电系统设备所产生的危害,是保证弱电系统设备安全、稳定运行的重要前提。

1电子设备防浪涌要求

    (1)耐压要求
    当瞬间电压超过电子设备的绝缘耐压值时,其安全性能会降低,甚至被毁。因而电子设备的瞬间过电压应该小于其绝缘耐压值,正常的工作电压应小于保护电压。

    (2)过流保护要求
    电子设备的过流能力一般设计为额定电流的1.5~2倍,以此为标准选择电子元器件。如额定电流为0.22 A的计算机其最大过流能力约为0.45A,当电流大于该值时,电子设备所选用的电子元器件将会烧坏而无法正常工作,因而应该保证到达电子设备的瞬间过电流小于其额定电流的1.5~2倍。

    (3)动态响应时间的要求
    电子设备在设计过程中,已经采用了许多保护器件,如快熔器、压敏电阻、空气开关、继电保护器件等,每种保护器件都有特有的动态响应时间(如空气开关、继电保护器件其动态响应时间约在200 ms左右),而每种电子设备也有其保护响应时间,因而流过电子设备的浪涌的瞬态时间应该大于电子设备的动态响应时间,避免保护器件来不及响应而使浪涌通过电子设备。

    (4)接地保护要求
    电子设备在安装时,应做到良好接地,否则雷电所产生的浪涌能量不能有效地对地泄放而击毁器件。接地线在瞬间遭受浪涌以电感方式存在,其典型值为1μH/m,接地线上的压降为U1=L×di/dt。对于1.5 m长的接地线L≈1.5μH,雷电在瞬间(如100μs)产生的几百安培(500 A)浪涌脉冲,其di/dt=5×10 A/s,此时接地线上的压降U1=L×di/dt=1.5×10×5×10=7.5 V,设备将承受500 A×7.5 V=3750 W的浪涌能量,该能量将可能损伤或毁坏大部分电子设备。因此,对电子设备作可靠的接地保护,能使到达电子设备外壳的电压较小,起到安全保护的作用。但仅作接地保护是远远不够的,还必须加装浪涌保护装置。因外界侵入的浪涌能量将首先通过电子设备再对地泄放,这样流经电子设备的浪涌电流基本不变,其能量有可能很大,电子设备仍有可能被损坏;因此接地保护对于电子设备而言只能是一种辅助性保护。

2系统防浪涌措施

     根据IEC61312标准,弱电设备应设置多级防雷保护措施,一般为三级配置。由于雷电流主要是由首次雷击电流和后续雷击电流所组成,因此,雷电过电压的保护必须同时考虑到如何抑制(或分流)首次雷击电流和后续雷击电流。在采取多级保护措施的同时,还必须考虑各级之间的能量配合和解耦措施。弱电系统的防雷可采用两种措施,即外部防雷和内部防雷。外部防雷可将绝大部分雷电流直接引入地下泄散;内部防雷可阻塞沿电源或信号线所引入的雷电波。这两道防线,互相配合,各尽其职,缺一不可。

2.1外部防雷与接地

    外部防雷主要指建筑物的防雷,一般是防护直击雷,它是防雷技术革新的主要组成部分,其技术措施可分接闪器(避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器)、引下线、接地体和法拉第笼等。

    接地电阻应符合相关标准,一般为4Ω。对某些设备制造厂商有特殊接地要求,将直流地与其它6个接地类型分开以避免电磁干扰和零地电位升高。但当有雷电对地泄放时,高电压将通过直流地反击设备。因此对于这种情况宜在防雷地和直流地之间加装地电位均衡器,避免反击现象。

2.2内部防雷

    内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的设备加装过压保护装置,在设备受到过电压侵袭时,保护装置能快速动作泄放能量,从而保护设备免受损坏。内部防雷分为电源防雷和信号防雷。

    (1)电源防雷系统
    电源防雷系统主要是防止雷电波通过电源线路对计算机及相关设备造成危害。为避免高电压经过防雷器对地泄放后的残压或因更大的雷电流在击毁防雷器后继续毁坏后续设备,以及防止线缆遭受二次感应,依照有关防雷工程试行草案,应采取分级保护、逐级泄流的原则。一是在大楼电源的总进线处安装放电电流较大的一级电源防雷器,二是在重要楼层或重要设备电源的进线处加装二级或三级电源防雷器。为了确保遭受雷击时,高电压首先经过一级电源防雷器,然后再经过二级电源防雷器,一级电源防雷器和二级电源防雷器之间的距离要大于10~15 m,如果两者间距不够,可采用带线圈的防雷箱,这样可以避免二级电源防雷器首先遭受雷击而损坏。

    (2)信号防雷系统
    由于雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量,因此要求网络通信设备能够承受较高能量的瞬时冲击,而目前大部分设备由于电子元器件的高度集成化而使耐过电压、耐过电流水平下降,必须在网络通信接口处加装必要的防雷保护装置以确保网络通信系统的安全运行。

    对通信系统进行防雷保护,选取适当保护装置非常重要,应充分考虑防雷产品与通信系统匹配。对于信息系统,应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定,精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。

3浪涌保护装置选型原则

    (1)最大放电电流的选择
    根据建筑物地理位置及年平均雷暴日,计算Ng(1 km2面积内年平均雷击数)值,确定电源防雷器的最大放电电流。一般可选用100 kA或65 kA,作为该系统电源的一级防雷;二、三级防雷可选用40kA,终端选用插座型避雷器(如Einmax2具有滤波功能,消除99%电磁干扰、射频干扰,实现终端能域避雷和频域避雷的相结合)。

     (2)最大持续耐压的选择
    我们知道,在压敏电阻的两端施加1 mA的电流时,所测得的电压为压敏电阻的压敏电压,也是防雷器的标称导通电压,实际上,厂家或商家公布的是适合220 V或380 V电源的防雷器的实际最大持续耐压,该数值小于防雷器的压敏电压,设计上认为电源防雷器的最大持续耐压是一临界值,超过该值,防雷器动作。我国电力系统为了保证供电的可靠性、连续性和考虑我国的实际情况,允许电网单相接地工作2 h,如果考虑电网±15%的波动,则有可能电网单相持续电压可达437 V,如果电源防雷产品的最大持续耐压只有385 V,当电网上工作电压按上述方式波动时,电源防雷器将频繁启动,从而增加事故概率和浪费电能。因此选择最大持续耐压为440 V是合适的,尤其在农村地区。

    (3)残压的选择
    目前,在国内销售的防雷产品在额定放电电流下的残压Ur是差不多的,有差别也只是100~200V而已,而电源防雷器安装后的线间压降UL=L×di/dt很大,因此只考虑防雷器本身的残压Ur是不够的,而应考虑整个系统的残压U=Ur+UL。对计算机等电子设备来说,其绝缘耐压可高达1800 V以上,通过合理的施工是能够满足设备保护要求的。

    图1是电源避雷器的常规安装方式。对设备来说,受影响的并不仅仅是Ur,而是系统残压U=Uab=Ur+U1+U2,其中U1+U2=UL=L×di/dt。

    实验表明,对一根长为1 m截面积为10~16mm的导线,当通以10 kA(8/20μs)的模拟雷电波时,经测试其电感相当于1μH,两端电压约为1200 V。另经测试,一般进入室内的感应雷电流为3 kA左右,当感应雷电流为3 kA左右时,对于市面上销售的避雷器来说,其残压值Ur=1100~1200V。假设有一绝缘耐压为1800 V的电子设备,避雷器两端的接地线长度分别为L1=0.5 m,L2=1 m,则U1≈0.5×1200×3/10=180 V,U2≈1×1200×3/10=360 V,线间压降UL=U1+U2=540 V,那么设备两端的残压为U=Uab=540+1200=1740 V<1800 V(浪涌经过避雷器分流对地泄放后,流经设备的涌流非常小,因而到达电子设备的浪涌能量很小,小于其损伤功率,设备将安全可靠运行)。由U=UL+Ur可见,降低线间压降UL(安装时尽可能缩短接地线长度或选择较大截面的导线)显得十分必要。因此在选择避雷器时不应该仅仅考虑避雷器本身的残压,还应该考虑安装时产生的系统残压对电子设备的影响。

    (4)漏电流的选择
    在75%的标称导通电压下,所测得的流过防雷器的电流,称为电源防雷器的漏电流I0,按照国家标准此参数应小于20μA,漏电流I0越大,电源防雷器将积聚更多能量而使电源防雷器发热的可能性增大,而漏电流又是随着压敏电阻的温度升高而增大的,因此,此时该压敏电阻就处于恶性循环状态,这也表明了漏电流随时间的变化率(增加率)越大,电源防雷器积聚能量将越快,从而使电源防雷器的性能越趋恶化。一般情况下凡是电源防雷器发生爆炸(自爆)现象,除电源防雷器的结构设计有缺陷外,主要也是由于压敏电阻的压敏电压和漏电流的选择不当,从而使电源防雷器频繁启动和漏电流过大的双重作用下发生损坏。

    (5)告警方式的选择
    目前能提供的告警方式共有三类,一类是遥信、遥测告警,适用于无人值守的工作场合;另一类是可视告警,通过机械设计实现告警功能,这类告警方式应在雷雨过后对设施进行检查或定期检查,适用于所有的场合,也是目前使用最多的告警方式;还有是声光告警,此告警方式需增加一个告警模块,目前许多专家建议谨慎使用,因为雷击时,有可能是声光告警模块中的电子元器件本身首先被击坏而失去声光告警功能,如此时防雷产品也正好被击坏,人们因依赖声光告警而未察觉,当第二次雷击时,雷电将会乘虚而入,击坏后续被保护设备。防雷产品属安全保护产品,其结构应越简单越好,因此建议采用可视告警方式。

    (6)结构化设计
    电源防雷器的结构化设计是非常重要的,如果压敏电阻是被树脂密封着,散热效果较差,会使压敏电阻因发热而处于恶性循环状态,使电源防雷器的整体性能下降。目前,电源防雷产品有两种结构形式:整体式模块化设计和插拔式模块化设计。插拔式结构在插拔时必然因间隙存在而发生放电干扰,尤其在空气湿度比较大的地方,此现象将会更严重,使防雷器的性能下降。而整体式模块化设计不存在任何间隙,同时因采用导轨式安装,也可实现热(带电)更换。因此选择整体式模块化设计的电源防雷产品更为合适。

4一个具体的防雷方案

    弱电设备防雷对象主要有:网络设备、通信设备、自动化设备、相关的电源等附属设备及其相互传输的各类信号。

    图2为我局通信机房雷电过电压保护配置示意图,其中S1为DEHNventil 280/4型电源1、2级复合防雷器,S2为DEHNguard T385型电源2级防雷器,S3为DEHNrail 48FML型电源3级防雷器(直流48 V),A为UGK/N(2.5 G)天馈线防雷器,B为YG20-A音频隔离变压器,C为ZH型中和变压器,D为同轴防雷器。


    在布设防雷设备前,对各防雷点应进行相关的测试和检查,主要有:
    (1)避雷带是否连续可靠,是否与引下线均匀可靠连接。
    (2)确认是否有必要铺设避雷网,安装避雷针。
    (3)检测接地电阻是否符合相关标准。

    机房的接地将防雷地、工作交流地、静电地、屏蔽地、绝缘地、安全保护地采用同一的大楼底层的接地体,机房内沿墙四周地面均布截面积为30×3 mm的铜排环网,该接地铜排环型网架离地面高约300~350 mm且与墙绝缘连接,室内所有设备的接地采用单点接地方式接到该环形母排上,该环形母排与底层共用接地体,采用90 mm多股绝缘铜芯线通过大楼管道井内已铺设的接地扁钢连接,作为环形母排的接地线;

    机房内专设交流配电箱。该处配电箱供电采用三相四线制供电,严格实现机房内各设备接地接零分开;安装电源和信号避雷器,其避雷器接地采用合防雷器,S2为DEHNguard T385型电源2级防雷器,S3为DEHNrail 48FML型电源3级防雷器(直流48 V),A为UGK/N(2.5 G)天馈线防雷器,B为YG20-A音频隔离变压器,C为ZH型中和变压器,D为同轴防雷器。

    在布设防雷设备前,对各防雷点应进行相关的测试和检查,主要有:
    (1)避雷带是否连续可靠,是否与引下线均匀可靠连接。
    (2)确认是否有必要铺设避雷网,安装避雷针。
    (3)检测接地电阻是否符合相关标准。
    机房的接地将防雷地、工作交流地、静电地、屏蔽地、绝缘地、安全保护地采用同一的大楼底层的接地体,机房内沿墙四周地面均布截面积为30×3 mm的铜排环网,该接地铜排环型网架离地面高约300~350 mm且与墙绝缘连接,室内所有设备的接地采用单点接地方式接到该环形母排上,该环形母排与底层共用接地体,采用90 mm多股绝缘铜芯线通过大楼管道井内已铺设的接地扁钢连接,作为环形母排的接地线。

    机房内专设交流配电箱。该处配电箱供电采用三相四线制供电,严格实现机房内各设备接地接零分开;安装电源和信号避雷器,其避雷器接地采用单点接地方式;微波天线的馈线外护套选取多点作可靠的接地。通过一年多的实际运行考验,被保护设备没有遭受过雷击损害。

5结论

    随着通信设备、网络设备、计算机应用系统等的大规模使用,雷电以及操作瞬间过电压造成的危害越来越严重。以往的防护体系已不能满足通信、网络、计算机等安全的要求。应从单纯一维防护(避雷针引雷入地-无源防护)转为三维防护(有源和无源防护),包括:防直击雷,防感应雷电波浸入,防雷电电磁感应,防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑。

    现代防雷技术强调全方位防护、综合治理、层层设防,综合运用分流(泄流)、均压(等电位)、屏蔽、接地和保护(箝位)等各项技术,构成一个完整的防护体系。

参考文献
    [1]原电力工业部DL548-94,电力系统通信站防雷运行管理规程[S].
    [2]原邮电部YD2011-9,微波站防雷与接地设计规范[S].

原作者:不详

来 源:中国电磁兼容网

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