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弱電設備防雷初探

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作者：[貴州科比特防雷產品部] 人氣：發表時間：2019/1/5 16:09:00

     在電力系統中，對于強電設備的防雷措施比較完善，經驗也比較豐富，但是對于弱電設備（如通訊設備、自動化設備、計算機及網絡設備、弱電電源設備等）的防雷卻顯得很薄弱，每年各種弱電設備因雷擊而遭受破壞的事例屢見不鮮。隨著電力系統現代化、信息化進程的發展，弱電系統在整個電力系統中已占據舉足輕重的地位，因此如何保護弱電系統免遭損害也越來越引起了各方面的高度重視，本文就此作一初步的探討。
    隨著現代電子技術的不斷發展，大量精密電子設備的使用及聯網，使安裝在弱電系統中的設備，經受著電源質量不良（如電源諧波放大、開關電磁脈沖）、直擊雷、感應雷、工業操作瞬間過電壓、零電位飄移等浪涌和過電壓的侵襲，經常會受到各種過電壓、過電流的危害。由于一些電子設備工作電壓僅幾伏，傳遞信息電流也很小，對外界的干擾極其敏感，而雷電的電壓可高達數100萬V，瞬間電流可高達數10萬A，因此，具有極大的破壞性。避雷針能防止直接雷擊，但不能阻止感應雷擊過電壓、操作過電壓、零電位飄移過電壓以及因這些過電壓在泄放電流時在其周圍所產生的很強的感應電壓，而這些過電壓卻是破壞大量電子設備的罪魁禍首。雷電造成的危害是無孔不入的。尤其對計算機網絡系統的危害更大。據研究當磁場強度Bm≥0．07×10－4 T時，無屏蔽的計算機會發生暫時性失效或誤動作；當Bm≥2．4×10－4 T時，計算機元件會發生永久性損壞。而雷電電流周圍出現的瞬變電磁場強度往往超過2．4×10－4 T。因此，有效地防止雷電對弱電系統設備所產生的危害，是保證弱電系統設備安全、穩定運行的重要前提。
    1.電子設備防浪涌要求
    （1）耐壓要求
     當瞬間電壓超過電子設備的絕緣耐壓值時，其安全性能會降低，甚至被毀。因而電子設備的瞬間過電壓應該小于其絕緣耐壓值，正常的工作電壓應小于保護電壓。
   （2）過流保護要求
    電子設備的過流能力一般設計為額定電流的1．5～2倍，以此為標準選擇電子元器件。如額定電流為0．22 A的計算機其最大過流能力約為0．45A，當電流大于該值時，電子設備所選用的電子元器件將會燒壞而無法正常工作，因而應該保證到達電子設備的瞬間過電流小于其額定電流的1．5～2倍。
   （3）動態響應時間的要求
    電子設備在設計過程中，已經采用了許多保護器件，如快熔器、壓敏電阻、空氣開關、繼電保護器件等，每種保護器件都有特有的動態響應時間（如空氣開關、繼電保護器件其動態響應時間約在200 ms左右），而每種電子設備也有其保護響應時間，因而流過電子設備的浪涌的瞬態時間應該大于電子設備的動態響應時間，避免保護器件來不及響應而使浪涌通過電子設備。
   （4）接地保護要求
    電子設備在安裝時，應做到良好接地，否則雷電所產生的浪涌能量不能有效地對地泄放而擊毀器件。接地線在瞬間遭受浪涌以電感方式存在，其典型值為1μH／m，接地線上的壓降為U1＝L×di／dt。對于1．5 m長的接地線L≈1．5μH，雷電在瞬間（如100μs）產生的幾百安培（500 A）浪涌脈沖，其di／dt＝5×10 A／s，此時接地線上的壓降U1＝L×di／dt＝1．5×10×5×10＝7．5 V，設備將承受500 A×7．5 V＝3750 W的浪涌能量，該能量將可能損傷或毀壞大部分電子設備。因此，對電子設備作可靠的接地保護，能使到達電子設備外殼的電壓較小，起到安全保護的作用。但僅作接地保護是遠遠不夠的，還必須加裝浪涌保護裝置。因外界侵入的浪涌能量將首先通過電子設備再對地泄放，這樣流經電子設備的浪涌電流基本不變，其能量有可能很大，電子設備仍有可能被損壞；因此接地保護對于電子設備而言只能是一種輔助性保護。
    2.系統防浪涌措施
    根據IEC61312標準，弱電設備應設置多級防雷保護措施，一般為三級配置。由于雷電流主要是由首次雷擊電流和后續雷擊電流所組成，因此，雷電過電壓的保護必須同時考慮到如何抑制（或分流）首次雷擊電流和后續雷擊電流。在采取多級保護措施的同時，還必須考慮各級之間的能量配合和解耦措施。弱電系統的防雷可采用兩種措施，即外部防雷和內部防雷。外部防雷可將絕大部分雷電流直接引入地下泄散；內部防雷可阻塞沿電源或信號線所引入的雷電波。這兩道防線，互相配合，各盡其職，缺一不可。
    2．1外部防雷與接地
    外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是防護直擊雷，它是防雷技術革新的主要組成部分，其技術措施可分接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網等金屬接閃器）、引下線、接地體和法拉第籠等。
    接地電阻應符合相關標準，一般為4Ω。對某些設備制造廠商有特殊接地要求，將直流地與其它6個接地類型分開以避免電磁干擾和零地電位升高。但當有雷電對地泄放時，高電壓將通過直流地反擊設備。因此對于這種情況宜在防雷地和直流地之間加裝地電位均衡器，避免反擊現象。
    2．2內部防雷
    內部防雷系統主要是對建筑物內易受過電壓破壞的設備加裝過壓保護裝置，在設備受到過電壓侵襲時，保護裝置能快速動作泄放能量，從而保護設備免受損壞。內部防雷分為電源防雷和信號防雷。
   （1）電源防雷系統
    電源防雷系統主要是防止雷電波通過電源線路對計算機及相關設備造成危害。為避免高電壓經過防雷器對地泄放后的殘壓或因更大的雷電流在擊毀防雷器后繼續毀壞后續設備，以及防止線纜遭受二次感應，依照有關防雷工程試行草案，應采取分級保護、逐級泄流的原則。一是在大樓電源的總進線處安裝放電電流較大的一級電源防雷器，二是在重要樓層或重要設備電源的進線處加裝二級或三級電源防雷器。為了確保遭受雷擊時，高電壓首先經過一級電源防雷器，然后再經過二級電源防雷器，一級電源防雷器和二級電源防雷器之間的距離要大于10～15 m，如果兩者間距不夠，可采用帶線圈的防雷箱，這樣可以避免二級電源防雷器首先遭受雷擊而損壞。
   （2）信號防雷系統
由于雷電波在線路上能感應出較高的瞬時沖擊能量，因此要求網絡通信設備能夠承受較高能量的瞬時沖擊，而目前大部分設備由于電子元器件的高度集成化而使耐過電壓、耐過電流水平下降，必須在網絡通信接口處加裝必要的防雷保護裝置以確保網絡通信系統的安全運行。
對通信系統進行防雷保護，選取適當保護裝置非常重要，應充分考慮防雷產品與通信系統匹配。對于信息系統，應分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據所屬保護區的級別確定，精細保護要根據電子設備的敏感度來進行確定。
     3.浪涌保護裝置選型原則
    （1）最大放電電流的選擇
根據建筑物地理位置及年平均雷暴日，計算Ng（1 km2面積內年平均雷擊數）值，確定電源防雷器的最大放電電流。一般可選用100 kA或65 kA，作為該系統電源的一級防雷；二、三級防雷可選用40kA，終端選用插座型避雷器（如Einmax2具有濾波功能，消除99％電磁干擾、射頻干擾，實現終端能域避雷和頻域避雷的相結合）。
    (2）最大持續耐壓的選擇
我們知道，在壓敏電阻的兩端施加1 mA的電流時，所測得的電壓為壓敏電阻的壓敏電壓，也是防雷器的標稱導通電壓，實際上，廠家或商家公布的是適合220 V或380 V電源的防雷器的實際最大持續耐壓，該數值小于防雷器的壓敏電壓，設計上認為電源防雷器的最大持續耐壓是一臨界值，超過該值，防雷器動作。我國電力系統為了保證供電的可靠性、連續性和考慮我國的實際情況，允許電網單相接地工作2 h，如果考慮電網±15％的波動，則有可能電網單相持續電壓可達437 V，如果電源防雷產品的最大持續耐壓只有385 V，當電網上工作電壓按上述方式波動時，電源防雷器將頻繁啟動，從而增加事故概率和浪費電能。因此選擇最大持續耐壓為440 V是合適的，尤其在農村地區。
    （3）殘壓的選擇
目前，在國內銷售的防雷產品在額定放電電流下的殘壓Ur是差不多的，有差別也只是100～200V而已，而電源防雷器安裝后的線間壓降UL＝L×di／dt很大，因此只考慮防雷器本身的殘壓Ur是不夠的，而應考慮整個系統的殘壓U＝Ur＋UL。對計算機等電子設備來說，其絕緣耐壓可高達1800 V以上，通過合理的施工是能夠滿足設備保護要求的。
    對設備來說，受影響的并不僅僅是Ur，而是系統殘壓U＝Uab＝Ur＋U1＋U2，其中U1＋U2＝UL＝L×di／dt。
    實驗表明，對一根長為1 m截面積為10～16mm的導線，當通以10 kA（8／20μs）的模擬雷電波時，經測試其電感相當于1μH，兩端電壓約為1200 V。另經測試，一般進入室內的感應雷電流為3 kA左右，當感應雷電流為3 kA左右時，對于市面上銷售的避雷器來說，其殘壓值Ur＝1100～1200V。假設有一絕緣耐壓為1800 V的電子設備，避雷器兩端的接地線長度分別為L1＝0．5 m，L2＝1 m，則U1≈0．5×1200×3／10＝180 V，U2≈1×1200×3／10＝360 V，線間壓降UL＝U1＋U2＝540 V，那么設備兩端的殘壓為U＝Uab＝540＋1200＝1740 V＜1800 V（浪涌經過避雷器分流對地泄放后，流經設備的涌流非常小，因而到達電子設備的浪涌能量很小，小于其損傷功率，設備將安全可靠運行）。由U＝UL＋Ur可見，降低線間壓降UL（安裝時盡可能縮短接地線長度或選擇較大截面的導線）顯得十分必要。因此在選擇避雷器時不應該僅僅考慮避雷器本身的殘壓，還應該考慮安裝時產生的系統殘壓對電子設備的影響。
   （4）漏電流的選擇
    在75％的標稱導通電壓下，所測得的流過防雷器的電流，稱為電源防雷器的漏電流I0，按照國家標準此參數應小于20μA，漏電流I0越大，電源防雷器將積聚更多能量而使電源防雷器發熱的可能性增大，而漏電流又是隨著壓敏電阻的溫度升高而增大的，因此，此時該壓敏電阻就處于惡性循環狀態，這也表明了漏電流隨時間的變化率（增加率）越大，電源防雷器積聚能量將越快，從而使電源防雷器的性能越趨惡化。一般情況下凡是電源防雷器發生爆炸（自爆）現象，除電源防雷器的結構設計有缺陷外，主要也是由于壓敏電阻的壓敏電壓和漏電流的選擇不當，從而使電源防雷器頻繁啟動和漏電流過大的雙重作用下發生損壞。
   （5）告警方式的選擇
    目前能提供的告警方式共有三類，一類是遙信、遙測告警，適用于無人值守的工作場合；另一類是可視告警，通過機械設計實現告警功能，這類告警方式應在雷雨過后對設施進行檢查或定期檢查，適用于所有的場合，也是目前使用最多的告警方式；還有是聲光告警，此告警方式需增加一個告警模塊，目前許多專家建議謹慎使用，因為雷擊時，有可能是聲光告警模塊中的電子元器件本身首先被擊壞而失去聲光告警功能，如此時防雷產品也正好被擊壞，人們因依賴聲光告警而未察覺，當第二次雷擊時，雷電將會乘虛而入，擊壞后續被保護設備。防雷產品屬安全保護產品，其結構應越簡單越好，因此建議采用可視告警方式。
    （6）結構化設計
     電源防雷器的結構化設計是非常重要的，如果壓敏電阻是被樹脂密封著，散熱效果較差，會使壓敏電阻因發熱而處于惡性循環狀態，使電源防雷器的整體性能下降。目前，電源防雷產品有兩種結構形式：整體式模塊化設計和插拔式模塊化設計。插拔式結構在插拔時必然因間隙存在而發生放電干擾，尤其在空氣濕度比較大的地方，此現象將會更嚴重，使防雷器的性能下降。而整體式模塊化設計不存在任何間隙，同時因采用導軌式安裝，也可實現熱（帶電）更換。因此選擇整體式模塊化設計的電源防雷產品更為合適。
     4.一個具體的防雷方案
     弱電設備防雷對象主要有：網絡設備、通信設備、自動化設備、相關的電源等附屬設備及其相互傳輸的各類信號。
圖為我局通信機房雷電過電壓保護配置示意圖，其中S1為DEHNventil 280／4型電源1、2級復合防雷器，S2為DEHNguard T385型電源2級防雷器，S3為DEHNrail 48FML型電源3級防雷器（直流48 V），A為UGK／N（2．5 G）天饋線防雷器，B為YG20－A音頻隔離變壓器，C為ZH型中和變壓器，D為同軸防雷器。

     在布設防雷設備前，對各防雷點應進行相關的測試和檢查，主要有：
    （1）避雷帶是否連續可靠，是否與引下線均勻可靠連接。
    （2）確認是否有必要鋪設避雷網，安裝避雷針。
    （3）檢測接地電阻是否符合相關標準。
     機房的接地將防雷地、工作交流地、靜電地、屏蔽地、絕緣地、安全保護地采用同一的大樓底層的接地體，機房內沿墻四周地面均布截面積為30×3 mm的銅排環網，該接地銅排環型網架離地面高約300～350 mm且與墻絕緣連接，室內所有設備的接地采用單點接地方式接到該環形母排上，該環形母排與底層共用接地體，采用90 mm多股絕緣銅芯線通過大樓管道井內已鋪    設的接地扁鋼連接，作為環形母排的接地線；
    機房內專設交流配電箱。該處配電箱供電采用三相四線制供電，嚴格實現機房內各設備接地接零分開；安裝電源和信號避雷器，其避雷器接地采用合防雷器，S2為DEHNguard T385型電源2級防雷器，S3為DEHNrail 48FML型電源3級防雷器（直流48 V），A為UGK／N（2．5 G）天饋線防雷器，B為YG20－A音頻隔離變壓器，C為ZH型中和變壓器，D為同軸防雷器。
     在布設防雷設備前，對各防雷點應進行相關的測試和檢查，主要有：
    （1）避雷帶是否連續可靠，是否與引下線均勻可靠連接。
    （2）確認是否有必要鋪設避雷網，安裝避雷針。
    （3）檢測接地電阻是否符合相關標準。
     機房的接地將防雷地、工作交流地、靜電地、屏蔽地、絕緣地、安全保護地采用同一的大樓底層的接地體，機房內沿墻四周地面均布截面積為30×3 mm的銅排環網，該接地銅排環型網架離地面高約300～350 mm且與墻絕緣連接，室內所有設備的接地采用單點接地方式接到該環形母排上，該環形母排與底層共用接地體，采用90 mm多股絕緣銅芯線通過大樓管道井內已鋪    設的接地扁鋼連接，作為環形母排的接地線。
機房內專設交流配電箱。該處配電箱供電采用三相四線制供電，嚴格實現機房內各設備接地接零分開；安裝電源和信號避雷器，其避雷器接地采用單點接地方式；微波天線的饋線外護套選取多點作可靠的接地。通過一年多的實際運行考驗，被保護設備沒有遭受過雷擊損害。
    5.結論
    隨著通信設備、網絡設備、計算機應用系統等的大規模使用，雷電以及操作瞬間過電壓造成的危害越來越嚴重。以往的防護體系已不能滿足通信、網絡、計算機等安全的要求。應從單純一維防護（避雷針引雷入地-無源防護）轉為三維防護（有源和無源防護），包括：防直擊雷，防感應雷電波浸入，防雷電電磁感應，防地電位反擊以及操作瞬間過電壓影響等多方面作系統綜合考慮。
    現代防雷技術強調全方位防護、綜合治理、層層設防，綜合運用分流（泄流）、均壓（等電位）、屏蔽、接地和保護（箝位）等各項技術，構成一個完整的防護體系。