弱電設(shè)備防雷初探

在電力系統(tǒng)中，對(duì)于強(qiáng)電設(shè)備的防雷措施比較完善，經(jīng)驗(yàn)也比較豐富，但是對(duì)于弱電設(shè)備（如通訊設(shè)備、自動(dòng)化設(shè)備、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、弱電電源設(shè)備等）的防雷卻顯得很薄弱，每年各種弱電設(shè)備因雷擊而遭受破壞的事例屢見不鮮。隨著電力系統(tǒng)現(xiàn)代化、信息化進(jìn)程的發(fā)展，弱電系統(tǒng)在整個(gè)電力系統(tǒng)中已占據(jù)舉足輕重的地位，因此如何保護(hù)弱電系統(tǒng)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(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大量精密電子設(shè)備的使用及聯(lián)網(wǎng)，使安裝在弱電系統(tǒng)中的設(shè)備，經(jīng)受著電源質(zhì)量不良（如電源諧波放大、開關(guān)電磁脈沖）、直擊雷、感應(yīng)雷、工業(yè)操作瞬間過電壓、零電位飄移等浪涌和過電壓的侵襲，經(jīng)常會(huì)受到各種過電壓、過電流的危害。由于一些電子設(shè)備工作電壓僅幾伏，傳遞信息電流也很小，對(duì)外界的干擾極其敏感，而雷電的電壓可高達(dá)數(shù)100萬V，瞬間電流可高達(dá)數(shù)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(yīng)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(shí)在其周圍所產(chǎn)生的很強(qiáng)的感應(yīng)電壓，而這些過電壓卻是破壞大量電子設(shè)備的罪魁禍?zhǔn)?。雷電造成的危害是無孔不入的。尤其對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的危害更大。據(jù)研究當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度Bm≥0．07×10－4 T時(shí)，無屏蔽的計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)生暫時(shí)性失效或誤動(dòng)作；當(dāng)Bm≥2．4×10－4 T時(shí)，計(jì)算機(jī)元件會(huì)發(fā)生永久性損壞。而雷電電流周圍出現(xiàn)的瞬變電磁場(chǎng)強(qiáng)度往往超過2．4×10－4 T。因此，有效地防止雷電對(duì)弱電系統(tǒng)設(shè)備所產(chǎn)生的危害，是保證弱電系統(tǒng)設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。

1.電子設(shè)備防浪涌要求

（1）耐壓要求
當(dāng)瞬間電壓超過電子設(shè)備的絕緣耐壓值時(shí)，其安全性能會(huì)降低，甚至被毀。因而電子設(shè)備的瞬間過電壓應(yīng)該小于其絕緣耐壓值，正常的工作電壓應(yīng)小于保護(hù)電壓。

（2）過流保護(hù)要求
電子設(shè)備的過流能力一般設(shè)計(jì)為額定電流的1．5～2倍，以此為標(biāo)準(zhǔn)選擇電子元器件。如額定電流為0．22 A的計(jì)算機(jī)其最大過流能力約為0．45A，當(dāng)電流大于該值時(shí)，電子設(shè)備所選用的電子元器件將會(huì)燒壞而無法正常工作，因而應(yīng)該保證到達(dá)電子設(shè)備的瞬間過電流小于其額定電流的1．5～2倍。

（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的要求
電子設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中，已經(jīng)采用了許多保護(hù)器件，如快熔器、壓敏電阻、空氣開關(guān)、繼電保護(hù)器件等，每種保護(hù)器件都有特有的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間（如空氣開關(guān)、繼電保護(hù)器件其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約在200 ms左右），而每種電子設(shè)備也有其保護(hù)響應(yīng)時(shí)間，因而流過電子設(shè)備的浪涌的瞬態(tài)時(shí)間應(yīng)該大于電子設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，避免保護(hù)器件來不及響應(yīng)而使浪涌通過電子設(shè)備。

（4）接地保護(hù)要求
電子設(shè)備在安裝時(shí)，應(yīng)做到良好接地，否則雷電所產(chǎn)生的浪涌能量不能有效地對(duì)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(duì)于1．5 m長(zhǎng)的接地線L≈1．5μH，雷電在瞬間（如100μs）產(chǎn)生的幾百安培（500 A）浪涌脈沖，其di／dt＝5×10 A／s，此時(shí)接地線上的壓降U1＝L×di／dt＝1．5×10×5×10＝7．5 V，設(shè)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(shè)備。因此，對(duì)電子設(shè)備作可靠的接地保護(hù)，能使到達(dá)電子設(shè)備外殼的電壓較小，起到安全保護(hù)的作用。但僅作接地保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須加裝浪涌保護(hù)裝置。因外界侵入的浪涌能量將首先通過電子設(shè)備再對(duì)地泄放，這樣流經(jīng)電子設(shè)備的浪涌電流基本不變，其能量有可能很大，電子設(shè)備仍有可能被損壞；因此接地保護(hù)對(duì)于電子設(shè)備而言只能是一種輔助性保護(hù)。

2.系統(tǒng)防浪涌措施

根據(jù)IEC61312標(biāo)準(zhǔn)，弱電設(shè)備應(yīng)設(shè)置多級(jí)防雷保護(hù)措施，一般為三級(jí)配置。由于雷電流主要是由首次雷擊電流和后續(xù)雷擊電流所組成，因此，雷電過電壓的保護(hù)必須同時(shí)考慮到如何抑制（或分流）首次雷擊電流和后續(xù)雷擊電流。在采取多級(jí)保護(hù)措施的同時(shí)，還必須考慮各級(jí)之間的能量配合和解耦措施。弱電系統(tǒng)的防雷可采用兩種措施，即外部防雷和內(nèi)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(nèi)部防雷可阻塞沿電源或信號(hào)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(hù)直擊雷，它是防雷技術(shù)革新的主要組成部分，其技術(shù)措施可分接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬接閃器）、引下線、接地體和法拉第籠等。

接地電阻應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一般為4Ω。對(duì)某些設(shè)備制造廠商有特殊接地要求，將直流地與其它6個(gè)接地類型分開以避免電磁干擾和零地電位升高。但當(dāng)有雷電對(duì)地泄放時(shí)，高電壓將通過直流地反擊設(shè)備。因此對(duì)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(xiàn)象。

2．2內(nèi)部防雷

內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是對(duì)建筑物內(nèi)易受過電壓破壞的設(shè)備加裝過壓保護(hù)裝置，在設(shè)備受到過電壓侵襲時(shí)，保護(hù)裝置能快速動(dòng)作泄放能量，從而保護(hù)設(shè)備免受損壞。內(nèi)部防雷分為電源防雷和信號(hào)防雷。

（1）電源防雷系統(tǒng)
電源防雷系統(tǒng)主要是防止雷電波通過電源線路對(duì)計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備造成危害。為避免高電壓經(jīng)過防雷器對(duì)地泄放后的殘壓或因更大的雷電流在擊毀防雷器后繼續(xù)毀壞后續(xù)設(shè)備，以及防止線纜遭受二次感應(yīng)，依照有關(guān)防雷工程試行草案，應(yīng)采取分級(jí)保護(hù)、逐級(jí)泄流的原則。一是在大樓電源的總進(jìn)線處安裝放電電流較大的一級(jí)電源防雷器，二是在重要樓層或重要設(shè)備電源的進(jìn)線處加裝二級(jí)或三級(jí)電源防雷器。為了確保遭受雷擊時(shí)，高電壓首先經(jīng)過一級(jí)電源防雷器，然后再經(jīng)過二級(jí)電源防雷器，一級(jí)電源防雷器和二級(jí)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(jí)電源防雷器首先遭受雷擊而損壞。

（2）信號(hào)防雷系統(tǒng)
由于雷電波在線路上能感應(yīng)出較高的瞬時(shí)沖擊能量，因此要求網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備能夠承受較高能量的瞬時(shí)沖擊，而目前大部分設(shè)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(wǎng)絡(luò)通信接口處加裝必要的防雷保護(hù)裝置以確保網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行防雷保護(hù)，選取適當(dāng)保護(hù)裝置非常重要，應(yīng)充分考慮防雷產(chǎn)品與通信系統(tǒng)匹配。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.浪涌保護(hù)裝置選型原則

（1）最大放電電流的選擇
根據(jù)建筑物地理位置及年平均雷暴日，計(jì)算Ng（1 km2面積內(nèi)年平均雷擊數(shù)）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(tǒng)電源的一級(jí)防雷；二、三級(jí)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(shí)現(xiàn)終端能域避雷和頻域避雷的相結(jié)合）。

(2）最大持續(xù)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(shí)，所測(cè)得的電壓為壓敏電阻的壓敏電壓，也是防雷器的標(biāo)稱導(dǎo)通電壓，實(shí)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(shí)際最大持續(xù)耐壓，該數(shù)值小于防雷器的壓敏電壓，設(shè)計(jì)上認(rèn)為電源防雷器的最大持續(xù)耐壓是一臨界值，超過該值，防雷器動(dòng)作。我國(guó)電力系統(tǒng)為了保證供電的可靠性、連續(xù)性和考慮我國(guó)的實(shí)際情況，允許電網(wǎng)單相接地工作2 h，如果考慮電網(wǎng)±15％的波動(dòng)，則有可能電網(wǎng)單相持續(xù)電壓可達(dá)437 V，如果電源防雷產(chǎn)品的最大持續(xù)耐壓只有385 V，當(dāng)電網(wǎng)上工作電壓按上述方式波動(dòng)時(shí)，電源防雷器將頻繁啟動(dòng)，從而增加事故概率和浪費(fèi)電能。因此選擇最大持續(xù)耐壓為440 V是合適的，尤其在農(nóng)村地區(qū)。

（3）殘壓的選擇
目前，在國(guó)內(nèi)銷售的防雷產(chǎn)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(yīng)考慮整個(gè)系統(tǒng)的殘壓U＝Ur＋UL。對(duì)計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備來說，其絕緣耐壓可高達(dá)1800 V以上，通過合理的施工是能夠滿足設(shè)備保護(hù)要求的。

對(duì)設(shè)備來說，受影響的并不僅僅是Ur，而是系統(tǒng)殘壓U＝Uab＝Ur＋U1＋U2，其中U1＋U2＝UL＝L×di／dt。

實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)一根長(zhǎng)為1 m截面積為10～16mm的導(dǎo)線，當(dāng)通以10 kA（8／20μs）的模擬雷電波時(shí)，經(jīng)測(cè)試其電感相當(dāng)于1μH，兩端電壓約為1200 V。另經(jīng)測(cè)試，一般進(jìn)入室內(nèi)的感應(yīng)雷電流為3 kA左右，當(dāng)感應(yīng)雷電流為3 kA左右時(shí)，對(duì)于市面上銷售的避雷器來說，其殘壓值Ur＝1100～1200V。假設(shè)有一絕緣耐壓為1800 V的電子設(shè)備，避雷器兩端的接地線長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1＝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(shè)備兩端的殘壓為U＝Uab＝540＋1200＝1740 V＜1800 V（浪涌經(jīng)過避雷器分流對(duì)地泄放后，流經(jīng)設(shè)備的涌流非常小，因而到達(dá)電子設(shè)備的浪涌能量很小，小于其損傷功率，設(shè)備將安全可靠運(yùn)行）。由U＝UL＋Ur可見，降低線間壓降UL（安裝時(shí)盡可能縮短接地線長(zhǎng)度或選擇較大截面的導(dǎo)線）顯得十分必要。因此在選擇避雷器時(shí)不應(yīng)該僅僅考慮避雷器本身的殘壓，還應(yīng)該考慮安裝時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)殘壓對(duì)電子設(shè)備的影響。

（4）漏電流的選擇
在75％的標(biāo)稱導(dǎo)通電壓下，所測(cè)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)此參數(shù)應(yīng)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(fā)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(shí)該壓敏電阻就處于惡性循環(huán)狀態(tài)，這也表明了漏電流隨時(shí)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(fā)生爆炸（自爆）現(xiàn)象，除電源防雷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dāng)，從而使電源防雷器頻繁啟動(dòng)和漏電流過大的雙重作用下發(fā)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(cè)告警，適用于無人值守的工作場(chǎng)合；另一類是可視告警，通過機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)告警功能，這類告警方式應(yīng)在雷雨過后對(duì)設(shè)施進(jìn)行檢查或定期檢查，適用于所有的場(chǎng)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(gè)告警模塊，目前許多專家建議謹(jǐn)慎使用，因?yàn)槔讚魰r(shí)，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(shí)防雷產(chǎn)品也正好被擊壞，人們因依賴聲光告警而未察覺，當(dāng)?shù)诙卫讚魰r(shí)，雷電將會(huì)乘虛而入，擊壞后續(xù)被保護(hù)設(shè)備。防雷產(chǎn)品屬安全保護(hù)產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)應(yīng)越簡(jiǎn)單越好，因此建議采用可視告警方式。

（6）結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)
電源防雷器的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)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(huì)使壓敏電阻因發(fā)熱而處于惡性循環(huán)狀態(tài)，使電源防雷器的整體性能下降。目前，電源防雷產(chǎn)品有兩種結(jié)構(gòu)形式：整體式模塊化設(shè)計(jì)和插拔式模塊化設(shè)計(jì)。插拔式結(jié)構(gòu)在插拔時(shí)必然因間隙存在而發(fā)生放電干擾，尤其在空氣濕度比較大的地方，此現(xiàn)象將會(huì)更嚴(yán)重，使防雷器的性能下降。而整體式模塊化設(shè)計(jì)不存在任何間隙，同時(shí)因采用導(dǎo)軌式安裝，也可實(shí)現(xiàn)熱（帶電）更換。因此選擇整體式模塊化設(shè)計(jì)的電源防雷產(chǎn)品更為合適。
4.一個(gè)具體的防雷方案

弱電設(shè)備防雷對(duì)象主要有：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信設(shè)備、自動(dòng)化設(shè)備、相關(guān)的電源等附屬設(shè)備及其相互傳輸?shù)母黝愋盘?hào)。

圖為我局通信機(jī)房雷電過電壓保護(hù)配置示意圖，其中S1為DEHNventil 280／4型電源1、2級(jí)復(fù)合防雷器，S2為DEHNguard T385型電源2級(jí)防雷器，S3為DEHNrail 48FML型電源3級(jí)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(shè)防雷設(shè)備前，對(duì)各防雷點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試和檢查，主要有：
（1）避雷帶是否連續(xù)可靠，是否與引下線均勻可靠連接。
（2）確認(rèn)是否有必要鋪設(shè)避雷網(wǎng)，安裝避雷針。
（3）檢測(cè)接地電阻是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)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(hù)地采用同一的大樓底層的接地體，機(jī)房?jī)?nèi)沿墻四周地面均布截面積為30×3 mm的銅排環(huán)網(wǎng)，該接地銅排環(huán)型網(wǎng)架離地面高約300～350 mm且與墻絕緣連接，室內(nèi)所有設(shè)備的接地采用單點(diǎn)接地方式接到該環(huán)形母排上，該環(huán)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(nèi)已鋪設(shè)的接地扁鋼連接，作為環(huán)形母排的接地線；

機(jī)房?jī)?nèi)專設(shè)交流配電箱。該處配電箱供電采用三相四線制供電，嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)機(jī)房?jī)?nèi)各設(shè)備接地接零分開；安裝電源和信號(hào)避雷器，其避雷器接地采用合防雷器，S2為DEHNguard T385型電源2級(jí)防雷器，S3為DEHNrail 48FML型電源3級(jí)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(shè)防雷設(shè)備前，對(duì)各防雷點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試和檢查，主要有：
（1）避雷帶是否連續(xù)可靠，是否與引下線均勻可靠連接。
（2）確認(rèn)是否有必要鋪設(shè)避雷網(wǎng)，安裝避雷針。
（3）檢測(cè)接地電阻是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
機(jī)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(hù)地采用同一的大樓底層的接地體，機(jī)房?jī)?nèi)沿墻四周地面均布截面積為30×3 mm的銅排環(huán)網(wǎng)，該接地銅排環(huán)型網(wǎng)架離地面高約300～350 mm且與墻絕緣連接，室內(nèi)所有設(shè)備的接地采用單點(diǎn)接地方式接到該環(huán)形母排上，該環(huán)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(nèi)已鋪設(shè)的接地扁鋼連接，作為環(huán)形母排的接地線。

機(jī)房?jī)?nèi)專設(shè)交流配電箱。該處配電箱供電采用三相四線制供電，嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)機(jī)房?jī)?nèi)各設(shè)備接地接零分開；安裝電源和信號(hào)避雷器，其避雷器接地采用單點(diǎn)接地方式；微波天線的饋線外護(hù)套選取多點(diǎn)作可靠的接地。通過一年多的實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)，被保護(hù)設(shè)備沒有遭受過雷擊損害。

5.結(jié)論

隨著通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)等的大規(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)體系已不能滿足通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)等安全的要求。應(yīng)從單純一維防護(hù)（避雷針引雷入地-無源防護(hù)）轉(zhuǎn)為三維防護(hù)（有源和無源防護(hù)），包括：防直擊雷，防感應(yīng)雷電波浸入，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。

現(xiàn)代防雷技術(shù)強(qiáng)調(diào)全方位防護(hù)、綜合治理、層層設(shè)防，綜合運(yùn)用分流（泄流）、均壓（等電位）、屏蔽、接地和保護(hù)（箝位）等各項(xiàng)技術(shù)，構(gòu)成一個(gè)完整的防護(hù)體系。