| 解 決 方 案 | |
|
◆直擊雷防護方案 ◆感應雷防護方案 ◆接地方案 ◆航空障礙燈方案 |
|
|
|
| 電源監控系統防雷措施 | |||
|
電源監控系統防雷措施 武漢洲際通信電源集團公司（武漢市古田二路39號，430035）範敦浩 摘要：根據雷擊基本原理，分析電源監控系統在雷擊中的損壞現象，提出電源監控系統的防雷措施，即在工程設計中引入防雷區的概念，在防雷區的交界處配置防雷器。簡單介紹電源防雷器和信號防雷器的性能和安裝，介紹接地線阻抗的簡單計算和正確選用以有效防雷。 關鍵字：防雷 監控系統 信號防雷器 接地 1. 監控系統必須防雷 通信電源監控系統在各電信局已安裝和運行多年了，在運行中系統受雷擊損壞的事故時常發生，不僅監控設備受損，有時被控設備的通信口也損壞，造成很大的經濟損失。 監控系統在設計中，一般也考慮了系統防雷問題，但往往忽略了個別電信局的特殊情況，而雷擊損壞就恰恰在這個局發生。 本文對系統運行中發生的雷擊損壞現象進行初步分析，提出方案設計和工程設計中應採取的措施，以盡可能防止雷擊損壞。 2. 雷電簡述 2.1. 大樓受雷擊的途徑 ⑴由附近的對地雷擊引起的地電位反擊 二座鄰近的樓當附近有對地雷擊時，其地電位變化是不同的，因此存在地電位差，其大小決定於雷電大小、接地電阻和樓間距離。如樓間有信號線，則將承受高壓衝擊，據資料介紹，電纜或建築物附近100米以內的雷擊，能感應5KV和1.25KA的浪湧。 ⑵對建築物的直接雷 直接雷的雷電流可通過建築物的避雷導線系統流入大地，除了使地電位升高外，當電流快速流過長導體時，因導體的自感而在導體的二端產生電勢，一根30米的避雷導線可產生1.5MV電勢，使附近的無金屬保護的靠牆電纜會出現‘閃絡’，避雷導線和附近的電纜間還可由電容或電感耦合產生電壓，一個距避雷導線1米的10米×10米的回路，當避雷導線的電流為2kA/μs時，峰值電壓可達9.5kV。 ⑶由電力線被直接雷擊或感應雷擊 直接雷打在高壓線上，通過變壓器的電容耦合產生浪湧電壓（在高壓線上200kA的雷擊，可在低壓屏產生6kV的浪湧電壓）, 足以引起設備損壞。 直接打在高壓線上的雷擊概率較小，90%的雷電放電發生在雲與雲之間，電力線會因電磁感應或靜電感應產生二次雷擊。 雷雨雲之間的放電，因電磁輻射而在電力線上感應出脈衝，稱電磁感應雷；雷雨雲的靜電荷電場，會在電力線表面感應出電荷，當該雷雨雲的電荷與其他雷雨雲接閃後，電力線表面的電荷被釋放，向二邊放電，稱靜電感應雷。上述兩種感應雷，在架空或埋地的導線上產生電流或電壓衝擊波，沿導線經介面進入設備，即所謂雷電波竄入，對監控系統危害極大。 ⑷雷電電磁脈衝波（LEMP） 雷電放電的dv/dt及di/dt均很高，其電磁輻射很大。雷電波的主頻為1k~10kHz，高頻為5MHz~10MHz。電磁波可通過建築物的門、窗和電子設備機箱上的空洞、縫隙，直接作用於設備的元、器件，引起故障。雷電波的主頻不高，對大地而言，其穿透深度可達15~50m，埋在地下的通信和電力電纜將受到影響。 2.2. 防雷區（LPZ） 在建築物內可將需要保護的空間劃分為多個防雷區，以規定各區的雷電電磁脈衝（LEMP）的嚴重程度。圖2為IEC 1312-3《雷電電磁脈衝的防護第三部分：電湧保護器的要求》中描述的一個非遮罩材料建成的建築物。 避雷針保護範圍以外的為LPZ0A區，避雷針保護範圍以內的為LPZ0B區，電力線經SPDI（浪湧保護器件I）進入的區域為LPZ1，經SPDII進入的區域為LPZ2，再經SPDIII進入的區域為LPZ3。 圖2 無遮罩建築物的雷擊保護區 圖3 電湧保護器 所謂SPD（Surge protection device）就是一個連接在線路和設備之間，能安全地將線路上的浪湧電流通過接地系統引入大地，並限制瞬變電壓到一個設備允許的電平的器件。如圖3所示。 由於SPD的分流和距離效果，各防雷區的電磁場是逐漸減弱的。各SPD是順序安裝的，安裝位置根據線路穿入點的要求選擇。為減小回路面積，建議將輔助電源線和資訊線相互靠近進入需要保護的空間，並通過SPD連到共用的等電位連接帶上。 所選用的各SPD應確保雷電流的大部分從LPZ0A/LPZ1交界處的接地裝置流走。隨後的SPD則需應付LPZ0 A/LPZ1交界處的剩餘威脅值和LPZ1區內電磁場產生的感應值。為了實現保護，SPD的等電位連接導體的阻抗應很低。 2.3. 感應雷浪湧特徵： 電信機樓都裝有避雷針，電源監控系統一般均處於避雷針保護範圍以內的LPZ0B防雷區，在該區中由雷電引起的電磁場起支配作用，可不考慮直接雷擊。在此情況下，這種感應效應可籍一個波形為8/20μs的浪湧電流來模擬。圖4 為某防雷器製造公司根據ANSI C62.41制訂的測試波形圖，其中： ⑴開路電壓：在電纜上測量的峰值電壓，假設因絕緣而未發生擊穿。 ⑵短路電流：當擊穿發生時的峰值電流。 ⑶時間：電壓或電流脈衝上升到峰值然後衰減的時間。 3. 電源監控系統雷擊故障分析及防雷措施 3.1. 雷擊故障之一 98年某局電源監控系統中，凡與智慧油機控制屏連接的通信口，易受雷擊損壞，並損壞多串口卡的其他串口。 其原因是油機房不在通信機樓內，信號線通過地溝，感應雷擊造成串口損壞。 措施：加防雷器件SPD是防雷的主要措施，在信號線的進建築物口，加信號防雷器，並可靠接地，在多串口卡的每一串口加RS-232信號防雷器。 3.2. 雷擊故障之二 99年某局RS-485信號線受雷擊，在RS-485上的採集模組、海洛斯空調的智慧口均損壞。 一般RS-485信號線均在樓內，不易受雷擊。但該局有新、老機樓和低壓配電室組成，RS-485信號線通過二個地溝。以防雷區的概念來看，信號線從老樓的LPZ1區，經過LPZ0區，到新樓的LPZ1區，在跨區時應在防雷區的交界處配置SPD，原方案設計時忽略了這個局的特殊情況，造成很大損失。 措施：在新樓、老樓和低壓配電室的信號線入口處各加一個SPD，並可靠接地。 3.3. 電源監控系統防雷措施 在工程設計中引入防雷區的概念，進行防雷區劃分，在防雷區的交界處配置SPD。 ⑴兩座建築物之間的信號線、輔助電源線均應在入口處配置相應的SPD。 ⑵監控系統需採集低壓配電盤的交流市電的電量，低壓配電盤上雖然有避雷器，但均屬初級保護，交流供電線路除了容易受感應雷擊外，還易產生操作過電壓，因此，須在交流變送器前加一個SPD。低壓室的信號線在進入監控主機所在機房時，也應設置SPD。 ⑶分散式監控系統由信號線將各監控模組連接在一起，常用信號線有RS-232、RS-485、RS-422、乙太網線等。當信號匯流排長度超過20米時應加防雷器，以防止感應過電壓。如圖5 ⑷為保證監控主機的可靠運行，在信號線進入主機處（如多串口卡、HUB等），應配置相應SPD。 ⑸監控設備和器件的安裝應避免靠近外牆避雷線。 ⑹資料線和輔助電源線應敷設在毗連的管道以使環路區域最小。 4. 防雷器件選用及安裝 4.1. 防雷元、器件 理想防雷器件原理如圖6 。無雷擊正常時，接地端斷開；雷擊浪湧時，接地端接通，浪湧電流流入大地。 以下是常用的防雷器件。 ⑴氣體放電管（GDT）: 氣體放電管將放電間隙密封在充氣管內，放電管的擊穿電壓與氣體壓力、電極距離和材料組合有關。GDT的電壓特性如圖7，放電管開始在輝光放電區為1A/75~150V，進入弧光放電區時為1~10KA/10~30V（如浪湧源能提供此電流）。當浪湧消失後，電流下降，回到非導通狀態。 對快速脈衝，GDT的擊穿電壓高於直流下的擊穿電壓，因為電極間電離需要時間，如一個在直流下擊穿電壓為200V的氣體放電管，在1kV/μs上升脈衝下，可衝擊到900V，放電管的衝擊一般在0.5μs以內。 ⑵齊納二極體（Zener diode）: 齊納二極體的伏安特性如圖8，具有硬箝位特性，回應快速(pS)，箝位元電壓精確且範圍廣。標準齊納二極體容量較小，採用增加結面積可使功率容量達幾KW/1ms，稱為浪湧抑制二極體（Surge suppression diode）。 ⑶金屬氧化物變阻二極體（MOV）： MOV又稱金屬氧化物壓敏電阻，電阻隨電壓增加而減小，其伏安特性如圖9，具有軟箝位特性。 MOV的回應速度與齊納二極體一樣快，其單位體積功率容量大於浪湧抑制二極體，廣泛用於交流電源的保護。MOV在正常電壓下的漏電流較大，其特性會隨溫度、使用時間和承受雷擊的次數而惡化。 當MOV的性能緩慢惡化，其額定工作電壓降到外加電源電壓的峰值以下時，MOV會因熱擊穿而損壞。因此，使用MOV時，應注意使用電壓不要超過MOV的額定電壓，最好有一定餘量。 4.2. 電源SPD 電源監控系統的交流電壓採樣部分直接與低壓配電室的配電屏連接，易受雷擊損壞，應在交流電壓變送器前加一個防雷器。 電源防雷器採用MOV為主要防雷器件，圖10為一種電源SPD的原理圖，其中， V ：壓敏電阻，其保護電平應低於受保護設備的電壓； Ft ：熱/衝擊保險，能在壓敏電阻過熱時（如外加電壓超過MOV工作電壓時）切斷與線路的連接，或當衝擊電流超過最大放電電流時，自動斷開並給出指示。 C ：遙信開關，當Ft動作時，輸出遙信接點。 電源防雷器有各種電流等級，在電源監控系統中，可選用5~10KA級的電源防雷器並在電源線上，然後再接到交流電壓變送器。 4.3. 信號SPD 在電源監控系統中，採用信號防雷器是防雷的主要手段。 信號防雷器一般採用氣體放電管和浪湧抑制二極體，組成混合浪湧保護電路。如圖11 ，電路中有一個氣體放電管用於對付雷擊能量（容通量大於5kA），一個低壓浪湧抑制二極體，用於快速響應和精確的電壓箝位元。二種元件用串聯電感隔離，電感值按信號SPD運行條件和各信號線的設計需要確定。當浪湧電壓小於氣體放電管的擊穿電壓時，由二極體對電壓箝位元，電感限制電流峰值。 防雷器製造廠在設計信號防雷器時已考慮了各種信號線的特性和防雷要求，如電纜和連接器型號；信號電平；系統阻抗；允許的衰減；基於信號速率需要的帶寬；需對付的浪湧電流；系統接地安排；物理尺寸限定；安裝方法等。因此，一般可根據信號線的類型、數量和安裝情況從產品目錄中來選用相應特性和結構的信號防雷器。 4.4. SPD安裝和接地線 SPD的準確安裝對防雷效果起重要的作用，原則上防雷器應靠近機房的聯合接地端和靠近被保護設備安裝。首先應確定離被保護設備距離最近的接地端子，然後確定SPD安裝位置和安裝方法，使SPD的接地線儘量短(小於1米) 。 雷擊電流引入大地的好壞取決於接地線的阻抗，阻抗與接地線的截面和長度有關。 接地線的電阻R=0.0175lw/A，（Ω） 其中lw為導線長度（m）、A為導線截面（mm2）; 接地線的電感（假設為長直導線）可按以下公式計算， L=0.2lw{loge(2lw/r)-1} （μH）， 其中，lw為導線長度（m）、r為導線半徑（m2）。 表1列出了不同截面和長度的接地線的電阻和電感值，以及在浪湧電流為1kA、di/dt=100A/μs時，在接地線路上的電壓峰值。 表1 線長（m） 截面（mm2） 電阻（Ω） 電感（μH） 電阻部分壓降（V） 電感部分壓降（V） 1 1 0.0175 1.43 17.5 143 1 2.5 0.007 1.34 7.0 134 1 10 0.0017 1.20 1.7 120 10 1 0.175 18.95 175 1895 10 2.5 0.07 18.03 70 1803 10 10 0.017 16.64 17 1664 由上表可看出： ⑴在di/dt=100A/μs時，接地線的電感部分壓降是主要的； ⑵接地線的電感隨長度的增長而快速增長（大於線性）； ⑶接地線的電感與截面關係不大。當導線截面由2.5mm2增加到10mm2時，電感降低16%（143到120）。 由上可知，在雷擊情況下，接地線的阻抗主要決定於接地線的電感，而電感主要決定於接地線的長度，因此接地線應儘量短，企圖用增加截面積來延長接地線長度是無用的，正確的辦法應是先確定防雷器的安裝位置，再確定信號線的路徑。 接地線的截面可選2.5mm2 , 便於工程施工。 考慮到導線在高頻情況下的集膚效應和鄰近效應，採用多根間隔幾釐米的細導線來代替一根粗導線，能降低導線的阻抗，改善接地效果。 表2列出環接在浪湧發生器端子上的一根和多根導線（1m、2.5mm2），在1 kA、8/20μs浪湧電流下，導線上的浪湧峰值電壓。 由表可見，當接地線由一根增加到四根時（總截面10mm2），峰值電壓降低48%，效果比用一根10 mm2 的導線好得多。（見表1，只降低16%） 表2 導線、根數 浪湧峰值電壓（V） 單根 250 2根、相似的佈線路徑 170 4根、相似的佈線路徑 130 4根、不同的佈線路徑 80 若四根導線採用不同的佈線路徑，使間距更大，則可降低68%。因此當接地線較長時，應採用多根間隔導線接地。 4.5. SPD接地 一般通信局（站）各類通信設備的工作接地、保護接地以及建築防雷接地共同合用一組接地體，即採用聯合接地方式。 監控系統的防雷器應就近從水準接地分彙集線上接入。接地時應注意單點接地形成等電位連接，防止多點接地，形成回路，引起干擾。 在監控系統中，監控設備如機櫃、機箱、輔助電源、電腦等人體易接觸的設備外殼，均需安全接地，但系統的信號線往往是浮地的。圖12是RS-485信號線在系統中的接線圖，由於採集模組是電源、輸入和輸出三隔離，因此其輸出RS-485是浮地的。當雷擊時，通過信號防雷器使RS-485暫態接地，既可抑制RS-485長線上產生的感應電壓，也可抵禦地電位反擊。 5. 結束語 電源監控系統是在原有設備上加採樣器件組成的系統，各種被監控設備處於不同的防雷區，因此，需以防雷區的概念來做監控系統的防雷設計。 系統防雷設計不同其他產品設計，很難在實驗室重複進行，因此，只能根據設計規範、防雷器產品樣本和受雷擊的經驗來不斷改進工程設計，本文內容來自上述三個方面，錯誤之處，敬請批評指正。 參考文獻： 1．Telematic Limited Application Note 1997 2. IEC 1312-3 雷電電磁脈衝的防護第三部分：電湧保護器的要求，廣東防雷中心、北京華雲克雷公司編譯，1997.8 [出處/作者]：範敦浩
|
 |
 |
