原创电源防雷技术浅谈姜然

 2006-11-22 16:32  5625 9 9 分类: 电源/新能源

电源防雷技术浅谈姜然

本期受访人物：
河北工业大学陈英婕
天津市市政工程设计研究院付艳铮
郑州普天防雷科技有限公司王兵

一、防雷技术的发展
河北工业大学陈英婕
    随着社会的发展，人们对预防自然灾害越来越重视，作为自然灾害之一的雷电，市民对它都有一定了解，但对于防雷技术，则多数人还是停留在安装避雷针的认识上，实际上，防雷技术已经过了200多年发展，可以分为三个阶段。
    首先，是1749年，美国科学家Benjamin Franklin(本杰明•富兰克林)等经过科学实验，建立了雷电理论，并发明了避雷针，这就是最早的防雷产品。此阶段的防雷装置比较简单，只有接闪器、引下线和接地体，也就是现在所说的防直击雷。
    然后，随着电的普及使用，高压电线两端的发配电设备遭受过电压损坏的现象越来越严重，经过研究，人们发现这是“感应雷”在作怪，并建立了感应雷和高压反击的理论，弄清了高压雷电波在金属线路传播的规律。感应雷是因为直击雷放电而感应到附近金属导体中，其可以通过两种不同的感应方式入侵，一是静电感应，二是电磁感应。雷电在高压线路上感应电涌，并沿导线传播到线路两端的发配电设备，当这些设备耐压较低时，就会被电涌损坏。基于抑制电涌、保护线路上设备的目的，到十九世纪末人们发明了避雷器。
    后来，到了二十世纪70年代，随着半导体集成技术的发展和完善，半导体几乎应用于所有科学技术领域，由于半导体不能耐受过电压和过电流，因此凡是使用这些元件的计算机通信、微波通信等设备受雷害损坏的现象显著增加。同时随着高层建筑和智能建筑的数量越来越多，防雷技术进入了一个新的时代，就是现代综合防雷阶段，世界各国都有了完善的防雷规范，防雷器材也变得五花百门，防雷装置，不再是简单地安装避雷针和避雷器。作为现代综合防雷，首先进行雷击损害风险评估，再进行外部防雷和内部防雷布局。外部防雷方面既要考虑防直击雷，还要有防侧击雷，防雷电波入侵，做均压环和金属门窗与均压环相连。而内部防雷，要做好电磁屏蔽，减少电磁干扰，作等电位处理，减少线路之间的电位差，安装电源浪涌保护器和信号浪涌保护器，保护电子设备不受电涌损坏。
    随着社会的发展，信息的现代化，雷电越来越威胁着我们信息设备的安全，因此我们要加强对雷电的认识，做好相应的防雷措施，减少因雷击而受到的损失。
二、雷电的入侵与防护
天津市市政工程设计研究院付艳铮
1.雷击的形成及入侵途径
　　雷击主要有两种形式：直接雷击和感应雷击
　　直接雷击:雷击直接击在物体上，产生电效应、热效应和机械力,称之为直接雷击。
　　感应雷击:雷电放电时，在附近导体上产生的静电效应和电磁感应，可能使金属部件之间产生火花，称之为感应雷击，其入侵途径为：
　　（1）传统避雷针的副作用产生二次感应雷击效应，雷电电流经过避雷针导地时感应到市内的传输线上。
　　几十年来的通讯设备是从电子管、晶体管向集成电路过渡的。由于电子管、晶体管的耐冲击能力较强，因此二次雷击效应对电子管、晶体管通讯设备没有造成太大损害。集成化度较高的微电子设备，其耐冲击能力差受雷击更易使微电子设备受到损坏。通过对部分雷击事故的分析，发现许多雷击事故都是在避雷针接地完好的情况下发生的。分析其原因就是二次雷击效应造成的。
　　（2）通过电源线、信号线或天馈线引入感应雷击
　　通过电感性耦合（磁感应）耦合到各类传输线而破坏设备。
　　电源线引入感应雷击：市区以外的移动通信基站的供电线路大多采用架空明线。试验表明，雷电频谱在几十MHZ以下频域，主要能量集中分布在工频附近。因此，雷电与市电相耦合的概率很高。
　　信号线引入雷击：为了扩大信号覆盖范围，就要尽可能地增加天线架设高度（65m以上的铁塔约占50%）。这样，在提高信号覆盖范围的同时，也增加了铁塔引雷的概率。当铁塔上的避雷针引雷入地产生二次雷击效应是顺塔而下的天馈线首当其冲。可一旦二次雷击效应以信号方式进入馈线时，收发信号设备端口损坏也就在所难免了。
　　（3）地电位反击引入感应雷击
　　通过阻性耦合方式经数据线破坏设备。
　　通过阻性耦合方式经中线及地线破坏设备。
　　上述各种耦和会产生高达6000伏的瞬间电压而破坏电子设备
2．雷击的防护
　　（1）直击雷的防护　　
　　主要依据是国际电工委员会《雷电电磁脉冲的防护》、《电子计算机机房设计规范》、《电子设备雷击导则》、《建筑物防雷设计规范》等。目前，防避直击雷都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器，然后通过良好的接地装置迅速而安全把它送回大地。
　　（2）感应雷的防护　　
　　①电源防雷
　　根据楼房建设的要求，配电系统电源防雷应采用一体化防护，由于避雷器生产厂家的设计思想各不相同，相应其避雷器的性能特点也不尽一致。
　　②信号系统防雷
　　与电源防雷一样，通讯网络的防雷主要采用通讯避雷器防雷。目前，计算机远程联网常采用的方式有电话线、专线、X.25、DDN和帧中继等，通讯网络设备主要为MODEM、DTU、路由器和远程中断控制器等。通常根据通讯线路的类型、通讯频带、线路电平等选择通讯避雷器，将通讯避雷器串联在通讯线路上。
　　③等电位连接
　等电位连接的目的，在于减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差。
防止雷电反击。将机房内的主机金属外壳，UPS及电池箱金属外壳、金属地板框架、金属门框架、设施管路、电缆桥架、铝合金窗的等电位连接，并以最短的线路连到最近的等电位连接带或其它已做了等电位连接的金属物上，且各导电物之间的尽量附加多次相互连接。
　　④金属屏蔽及重复接地
　　在做好以上措施基础上，还应采用有效屏蔽，重复接地等办法，避免架空导线直接进入建筑物楼内和机房设备，尽可能埋地缆进入，并用金属导管屏蔽，屏蔽金属管在进入建筑物或机房前重复接地，最大限度衰减从各种导线上引入雷电高电压。
3．关于雷电和浪涌电压
　　（１）闪电的常识
　　①闪电的平均电流：30,000A （目前记录的最大值：300,000A）；
　　②闪电中心的空气温度：摄氏3000度，90%以上的闪电是云层对云层放电过程；
　　③云层对地面的闪电次数：每秒种100次（全球范围）；
　　④闪电的强度可达 1000000000 伏；
　　⑤一个中等强度雷暴的功率有 10000000 瓦（相当于一个小型核电站的输出功率）；
　　⑥每年因雷击造成的直接损失超过1000000000 美元（全球不含中国的统计）
　　浪涌
雷电是浪涌电压的一种。首先让我们看看什么是浪涌。浪涌也叫突波，顾名思义超出正常工作电压的瞬间过电压。日本一些资料将浪涌分为四个组成部分。
    SPD
　　我们常常说的防雷器的英文是 SPD - SURGE PROTECTION DEVICE 即（浪涌保护器），因此防雷事实上是浪涌保护器的一种功能，由于雷击的浪涌电压和能量要远远高于其他种类浪涌电压，所以我们通常称 SPD为防雷器了。
　　4．IEC分级防雷
　级间线路距离不能太短，避免前后级防雷器线路距离太近导致的前级防雷器不动作问题末级和设备间线路距离不能太长，避免前末级和设备间的线路感应新的雷击电压，导致的设备端限制电压超过安全值。
　　电源系统的保护──电源保护
　　信号系统的保护（包括有线通信、无线通信、网络通信、遥感遥测等）──信号保护
　　根据雷击引入设备的渠道对可能遭受雷击的设备实施防雷保护──从防雷方案看SPD绝大多数单位的内部防雷，根据雷击可能引入的途径和感应途径不外乎从以下几个方面进行保护：
　　1）电源三级防雷 (IEC相关规定、三级防雷的要求及原因、分级防雷的级间距离、8/20和10/350波……)
　　2）网络系统防雷 (网络防雷注意事项、各种形式的网络、网络专线的防雷 ...)
　　3）通讯系统防雷 (电话线路防雷、专线系统的防雷、无线通信 ...)
　　4）信号系统防雷 (无线通信、监控监视信号、遥感遥测遥控 ...)
　　5）地电位均衡(地极防雷) (地电压反击、地电位均衡 ...)
　　参见 [内部防雷和外部防雷] [雷击引入的渠道]
既然雷电对线路的感应和地电位反击是造成设备损坏的最重要的原因，那么就应该在线路中加装设备对瞬态过电流、过电压进行有效的抑制，这种设备被称为避雷器、称浪涌抑制器、防雷保安器等。由于雷电感应主要是通过供电线路和各种信号线破坏设备的，因此对计算机信息系统的防雷保护主要地是合理地加装电源和信号避雷器，并进行合理的等电位连接。
三、设备类型
郑州普天防雷科技有限公司王兵
     防雷设备从类型上看大体可以分为：电源防雷器、电源保护插座、天馈线保护器、信号防雷器、防雷测试工具、测量和控制系统防雷器、地极保护器。
     电源防雷器分为B、C、D三级。依据IEC（国际电工委员会）标准的分区防雷、多级保护的理论，B级防雷属于第一级防雷器，可应用于建筑物内的主配电柜上；C级属第二级防雷器，应用于建筑物的分路配电柜中；D级属第三级防雷器，应用于重要设备的前端，对设备进行精细保护。
     通信线信号防雷器在产品的设计上，依据IEC 61644的要求，分为B、C、F三级。B级（Base protection）基本保护级（粗保护级），C级（Combination protection）综合保护级，F级（Medium&fine protection）中等&精细保护级。
     测量和控制装置有着广泛的应用，例如生产厂、建筑物管理、供暖系统、报警装置等。由于雷电或其他原因造成的过电压不仅会对控制系统造成危害，而且对昂贵的转换器、传感器也会造成危害。控制系统的故障通常会导致产品损失和对生产的影响。测量和控制单元通常比电源系统对浪涌过电压的反应更加敏感。
在测量和控制系统选择和安装防雷器的时候，下面的几个因素必须要考虑：
①系统的最大工作电压
②最大工作电流
③最大数据传输频率
④是否允许电阻值增大
⑤导线是否从建筑物外部引进，建筑物是否有外部防雷装置。
　　随着科技和经济的发展，计算机的应用已越来越广泛。我们对复杂的雷电机理还在进一步深入了解研究，目前的防雷方案也许还有一定的局限性，还难以完全有效地防止雷电的破坏。我们将继续不懈地研究和探讨，尽量将雷击可能造成的损害减少到最低限度，以保障各网络系统的安全运行。

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