弱電設(shè)備的雷害分析及保護(hù)

[摘 要] 對(duì)弱電設(shè)備防雷進(jìn)行了分析，重點(diǎn)探討了雷電浪涌對(duì)弱電設(shè)備的危害及防雷措施，并提出有益的建議。
[關(guān)鍵詞] 雷電 弱電設(shè)備 防雷 接地
概況
雷擊是一種自然現(xiàn)象，它能釋放出巨大的能量、具有極強(qiáng)大的破壞能力。幾個(gè)世紀(jì)來，人類通過對(duì)雷擊破壞性的研究、探索，對(duì)雷電的危害采取了一定的預(yù)防措施，有效地降低了雷害。
近年來，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)生活各個(gè)方面的使用越來越廣，人們?cè)谑芤嬗谖㈦娮拥臉O大方便的同時(shí)，也受到其一旦損壞就損失巨大的困擾。實(shí)際中，在增加自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)候，往往對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的防雷未加考慮或考慮不夠的情況較多，一旦有雷電波侵入，設(shè)備損壞一般是巨大的，有的甚至使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，造成無可挽回的損失。僅1999年6月到2001年8月一年多的時(shí)間里，可查的由于雷擊發(fā)生的弱電損壞就有四次之多。樊莊變電站線路落雷，造成主控地與設(shè)備之間的電位差而損壞大量的保護(hù)設(shè)備；南郊變電站的微波塔落雷，由于感應(yīng)過電壓而損壞大量的通訊、遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備損壞；西萬莊變電站的微波塔落雷，由于地電位差造成大量的通訊遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備損壞；北郊變電站微波塔落雷，造成大量的保護(hù)、運(yùn)動(dòng)、通訊設(shè)備損壞。
分析這幾次故障的主要原因是由于一次設(shè)備發(fā)生雷擊后在弱電設(shè)備造成的浪涌超過了設(shè)備承受的能力而損壞設(shè)備的，浪涌的主要形式是電源浪涌、信號(hào)浪涌。而這種浪涌在新建或擴(kuò)建設(shè)備時(shí)又往往不被重視，所以本文在介紹常用的弱電防雷的同時(shí)，重點(diǎn)探討了浪涌對(duì)弱電設(shè)備的危害及預(yù)防措施。


2 弱電設(shè)備雷電危害的主要原因分析
雷電會(huì)導(dǎo)致多種不同形式的危害，沒有任何一種辦法可以全面防止雷電的危害，通過各種有效的辦法可將雷害的程度降到最低，在多年的實(shí)際中人們對(duì)直擊雷、感應(yīng)雷、球形雷的認(rèn)識(shí)比較高，防護(hù)也相對(duì)完善，但對(duì)雷電浪涌的防護(hù)意識(shí)和防護(hù)措施相對(duì)比較薄弱，以上所列的四次典型的雷擊弱電設(shè)備的情況就是對(duì)弱電防雷考慮不夠造成的。其主要的雷電形式及雷害情況有以下幾種情況：
(1)直擊雷是指雷電直接擊在建筑物構(gòu)架、動(dòng)植物上，因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。
(2)感應(yīng)雷是雷電在雷云之間或雷云對(duì)地放電時(shí)，在附近的戶外傳輸信號(hào)線路、埋地電力線、設(shè)備間連接線產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損害。感應(yīng)雷雖然沒有直接雷猛烈，但其發(fā)生的幾率比直擊雷高得多。
(3)雷電浪涌是近年來由于微電子的不斷使用引起人們極大重視的一種雷電危害形式，同時(shí)其防護(hù)方式也不斷完善。最常見的電子設(shè)備危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發(fā)生時(shí)在電源和通訊線路中感應(yīng)的電流浪涌引起的。一方面由于電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化(VLSI芯片)，從而造成設(shè)備耐壓、耐過電流的水平下降，對(duì)雷電(包括感應(yīng)雷及操作過電壓浪涌)的承受能力下降，另一方面由于信號(hào)來源路徑增多，系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波侵入。浪涌電壓可以從電源線或信號(hào)線等途徑竄人電腦設(shè)備。美國GE公司測(cè)定一般家庭、飯店、公寓等低壓配電線(110V)在10000h(約一年零兩個(gè)月)內(nèi)在線間發(fā)生的超出原工作電壓一倍以上的浪涌電壓次數(shù)達(dá)到800余次，其中超過1000V的就有300余次。這樣的浪涌電壓完全有可能一次性將電子設(shè)備損壞。信號(hào)系統(tǒng)浪涌電壓的主要來源是感應(yīng)雷擊、電磁干擾、無線電干擾和靜電干擾。金屬物體(如電話線)受到這些干擾信號(hào)的影響，會(huì)使傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼，影響傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和傳輸速率。排除這些干擾將會(huì)改善網(wǎng)絡(luò)的傳輸狀況。



3 弱電設(shè)備防雷措施
按照防護(hù)范圍可將弱電設(shè)備的防雷措施分為兩類，外部防護(hù)和內(nèi)部防護(hù)。外部防護(hù)是指對(duì)安裝弱電設(shè)備的建筑物本體的安全防護(hù)，可采用避雷針、分流、屏蔽網(wǎng)、均衡電位、接地等措施，這種防護(hù)措施人們比較重視、比較常見，相對(duì)來說比較完善。內(nèi)部防護(hù)是指在建筑物內(nèi)部弱電設(shè)備對(duì)過電壓(雷電或電源系統(tǒng)內(nèi)部過電壓)的防護(hù)，其措施有：等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、保護(hù)隔離、合理布線和設(shè)置過電壓保護(hù)器等措施，這種措施相對(duì)來說是比較新的辦法，也不夠完善，下邊對(duì)弱電設(shè)備防雷進(jìn)行探討，主要對(duì)雷電浪涌及地電位差的防護(hù)提出一些自己的看法。
3.1 弱電設(shè)備的外部防護(hù)
弱電設(shè)備的外部防護(hù)首先是使用建筑物的避雷針將主要的雷電流引人大地；其次是在將雷電流引人大地的時(shí)候盡量將雷電流分流，避免造成過電壓危害設(shè)備；第三是利用建筑物中的金屬部件以及鋼筋可以作為不規(guī)則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作用，如果建筑物中的設(shè)備是低壓電子邏輯系統(tǒng)、遙控、小功率信號(hào)電路的電器，則需要加裝專門的屏蔽網(wǎng)，在整個(gè)屋面組成不大于5m-5m，6m-4m的網(wǎng)格，所有均壓環(huán)采用避雷帶等電位連接；第四是建筑物各點(diǎn)的電位均衡，避免由于電位差危害設(shè)備；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷擊建筑物時(shí)接點(diǎn)電位損壞設(shè)備。
3.2 弱電設(shè)備的內(nèi)部保護(hù)
從EMC(電磁兼容)的觀點(diǎn)來看，防雷保護(hù)由外到內(nèi)應(yīng)劃分為多級(jí)保護(hù)區(qū)。最外層為0級(jí)，是直接雷擊區(qū)域，危險(xiǎn)性最高，主要是由外部(建筑)防雷系統(tǒng)保護(hù)，越往里則危險(xiǎn)程度越低。保護(hù)區(qū)的界面劃分主要通過防雷系統(tǒng)、鋼筋混凝土及金屬管道等構(gòu)成的屏蔽層而形成，從0級(jí)保護(hù)區(qū)到最內(nèi)層保護(hù)區(qū)，必須實(shí)行分層多級(jí)保護(hù)，從而將過電壓降到設(shè)備能承受的水平。一般而言，雷電流經(jīng)傳統(tǒng)避雷裝置后約有50%是直接泄人大地，還有50%將平均流人各電氣通道(如電源線，信號(hào)線和金屬管道等)。
隨著電腦通信設(shè)備的大規(guī)模使用，雷電以及操作瞬間過電壓造成的危害越來越嚴(yán)重。以往的防護(hù)體系已不能滿足電腦通信網(wǎng)絡(luò)安全的要求。應(yīng)從單純一維防護(hù)轉(zhuǎn)為三維防護(hù)，包括：防直擊雷，防感應(yīng)雷電波侵入，防雷電電磁感應(yīng)，防地電位反擊以及操作瞬間過電壓影響等多方面作系統(tǒng)綜合考慮。
多級(jí)分級(jí)(類)保護(hù)原則：即根據(jù)電氣、微電子設(shè)備的不同功能及不同受保護(hù)程序和所屬保護(hù)層確定保護(hù)要點(diǎn)作分類保護(hù)；根據(jù)雷電和操作瞬間過電壓危害的可能通道從電源線到數(shù)據(jù)通信線路都應(yīng)做多級(jí)層保護(hù)。
3.2.1 電源部分防護(hù)
弱電設(shè)備的電源雷電侵害主要是通過線路侵入。高壓部分有專用高壓避雷裝置，電力傳輸線把對(duì)地的電壓限制到小于6000V(1EEEEC62.41)，而線對(duì)線則無法控制。所以，對(duì)380V低壓線路應(yīng)進(jìn)行過電壓保護(hù)，按國家規(guī)范應(yīng)有三部分：建議在高壓變壓器后端到二次低壓設(shè)備的總配電盤間的電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加避雷器或保護(hù)器，作一級(jí)保護(hù)；在二次低壓設(shè)備的總配電盤至二次低壓設(shè)備的配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器保護(hù)器，作二級(jí)保護(hù)；在所有重要的、精密的設(shè)備以及UPS的前端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器或保護(hù)器，作為三級(jí)保護(hù)。目的是用分流(限幅)技術(shù)即采用高吸收能量的分流設(shè)備(避雷器)將雷電過電壓(脈沖)能量分流泄人大地，達(dá)到保護(hù)目的，所以，分流(限幅)技術(shù)中采用防護(hù)器的品質(zhì)、性能的好壞是直接關(guān)系網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的關(guān)鍵，因此，選擇合格優(yōu)良的避雷器或保護(hù)器至關(guān)重要。
3.2.2 信號(hào)部分保護(hù)
對(duì)于信息系統(tǒng)，應(yīng)分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)。粗保護(hù)量級(jí)根據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級(jí)別確定，精細(xì)保護(hù)要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來進(jìn)行確定。

 3.2.3 接地處理
一定要求有一個(gè)良好的接地系統(tǒng)，因所有防雷系統(tǒng)都需要通過接地系統(tǒng)把雷電流泄人大地，從而保護(hù)設(shè)備和人身安全。如果機(jī)房接地系統(tǒng)做得不好，不但會(huì)引起設(shè)備故障，燒壞元器件，嚴(yán)重的還將危害工作人員的生命安全。另外還有防干擾的屏蔽問題，防靜電的問題都需要通過建立良好的接地系統(tǒng)來解決。
4 結(jié)論
弱電設(shè)備的防雷問題是一個(gè)綜合性的工作，尤其是弱電設(shè)備的雷電浪涌防護(hù)還重視不夠，也常常由其而引起設(shè)備的損壞，所以在完善弱電設(shè)備外部防護(hù)的同時(shí)，要加強(qiáng)弱電設(shè)備的內(nèi)部防護(hù)，建議加強(qiáng)以下幾方面的工作；
(1)首先要完善弱電外部雷電防護(hù)，將絕大部分雷電流直接接閃引入地下泄散。
(2)其次要阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)、信號(hào)線引入的過電壓波。
(3)第三限制鉗位被保護(hù)設(shè)備上浪涌過壓過流幅值在設(shè)備可承受的范圍。
這三道防線，相互配合，各行其責(zé)，缺一不可。