防雷-转

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　　　　　　　　　　　弱电系统防雷与接地（一）

　　高压雷电的危害及其防护原理
　　随着计算机技术、通信技术、信息技术的发展，微电子设备应用普及率也得到了迅猛提高。众所周知，微电子设备普遍采用了中、大规模集成电路（LSI、VLSI芯片），从而导致耐过压、耐过流水平的下降，即抗电浪涌能力下降。被国际电工委员会IEC称之为电子时代的—大公害——雷电灾害也频频袭击我国要害部门，轻者造成一定数量的经济损失，重者则造成要害部门的工作瘫痪，雷电的危害已越来越受到人们的重视，尤其是在金融、邮电通信、交通、航空、电力等行业的计算机房、电脑调度中心等部门的工作人员已认识到防雷的必要性。
　　雷电产生的高压可达几千万伏，雷电流的产生时间是微秒级，上升的陡度很大。根据理论公式，可得出如图所示的遭直击雷击的N点电压：
　　

　　UN =LO Hdi/dt+iR+ir
　　其中LO 为单位长度的电感
　　H为高度
　　R为接地电阻
　　R为接闪器、引下线电阻
　　di/dt为雷电流陡度
　　当LO= 1.67μh/m i =100KA
　　di/dt=100KA/2.6μs R=10Ω r=0Ω
　　则UN =1641KV
　　感应电压：
　　UP=UQ C1/（C1+C2）
　　若导体P与地面垂直，则感应电压
　　Ui=0.2(ln100/a-1/2) di/dt
　　当a=5m di/dt=100KA/2.6μs时
　　ui=36.9kv
　　通过以上的计算可知直接雷电压和感应雷电压的厉害程度。
　　雷电成灾可以分为直接雷击和间接雷击。直接雷击是雷电直接击在物体上，产生电效应、热效应和机械力，直接雷的高压和强电流对地面物体造成巨大的破坏；间接雷击主要是指雷电感应和雷电波侵入。雷电感应是雷电在放电时，在附近物体上产生的静电感应和电磁感应并可能使金属部件之间产生电火花；雷电侵入是雷电放电时强烈电磁脉R雷电反击以及雷电过电压波可沿着架空线路和各种信号的进出线路及金属导管进入屋内，危及人体和设备。雷电的破坏主要表现在：强大的电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场及强烈的电磁辐射，从而造成火灾爆炸，仪器损坏等财产损失以及人员伤亡等事故。
　　由于雷害如此之大，从古以来人类就一直不停地探寻避雷的有效措施，发展到现代防雷保护的基本框架如下：
　　

　　由图可见，现代防雷技术一般分为“三道防线”
　　（1） 将绝大部分雷电流直接引入地下泄散（外部保护）
　　（2） 阻塞沿电源线或数据信号线引入的侵入波危害设备（内部保护及过电压保护）
　　（3） 限制被保护设备上雷电过电压幅值（过电压保护）
　　现在，一般重要场所的电源系统防雷采取三级防护措施，即三相总电源保护，进入室内的单相电源保护和进入设备前的保护。防雷专家最近提出了六点防雷计划，可以说是最恰如其分的了。这六点是
　　（1） 高效的接闪器
　　（2） 安全导引雷电流入地
　　（3） 完善的低电阻地网
　　（4） 清除地面回路
　　（5） 电源浪涌冲击防护
　　（6） 信号及数据线瞬变防护

　　　　　　　弱电系统防雷与接地（一）

　　
　　1 避雷器及信号保护器的原理
　　现在的过电压保护器件一般都是采用氧化锌（ZNO）压敏电阻以及放电管并接在线路中间，有效地防止电源浪涌和高压，氧化锌（ZNO）压敏电阻有负温度特性，即温度越高，电阻越小，直到击穿。

　　下图为一电源保护简化电原理图
　　

　　它的保护原理是：
　　泄漏电流上升→电阻片温度高→电阻值下降→泄漏电流上升更高难度→电阻值下降更快→热击穿。

　　　　左图为一信号保护器的简化电原理图。

　　它的保护原理是：迭加在信号上的尖峰干扰首先由放电管去除，再由箝位二极管箝位，得到稳定的信号。
　　避雷器是通过间隙击穿达到对地放电的目的，它必须与被保护设备并联，如下图：
　　
　　避雷器的间隙击穿电压比被保护设备绝缘的击穿电压低。正常工作时，避雷器间隙不会击穿。当雷电波沿导线传来，出现危及被保护设备的过电压时，避雷器的间隙就很快击穿，对地放电，使大量电荷泄入地中，从而起到保护作用。过电压过去后，间隙能迅速恢复，使被保护设备正常工作。
　　虽然安装避雷器可以大大减低设备的受损机会，而且可以在任何现成的建筑物及运行中的设备上安装，但要达到最完善的防雷保护技巧，必须从最早建筑物的结构及内部布局设计规划开始。以下是一些基本技巧及考虑因素：
　　（1） 设立一套良好的建筑物避雷网，在可能的条件下尽量增加建筑物外部引下金属导体，使雷电流有更多的分流途径，其产生的相应磁场便减少，也使因电感耦合到传输线的机会降低。
　　（2） 外置设备（如天线、空调等）必须尽量置于建筑物避雷器网45度角内的保护区，关键设备应在60度角内的保护区，否则必须有与之相应的接地措施。
　　（3） 接地措施风本文接地问题
　　（4） 室内设备应尽量置于远建筑物避雷网的引下地金属体。
　　（5） 布线及屏蔽考虑。室内的布线包括及各类传输线之间应尽量减少回路，并且最好能用两端已接地的金属导管作为各类传输线的屏蔽，这样便把传输线感应到瞬间过电压的机会减只至最小。
　　（6） 两座建筑物之间的数据信号线最好能采用光缆传输，或置于管道埋入底下，减少雷电流的破坏。
　　3.接地问题
　　接地是大家非常熟悉的东西。不论是电子、电力、邮电系统，还是在避雷以及消除静电等方面，它都是必不可少的装置。但尽管是熟悉的东西，人们往往忽略其重要性以至发生了许多由于地线不合格造成的问题。如计算机网络受干扰甚至瘫痪，指挥系统受干扰而影响其准确性，通信设备被雷电击穿不能正常工作。尤其在我国的多雷地区经常发生这类事故，在南方某工程建设初期，由于缺乏这方面的考虑，经常导致通信工作不正常。所以接地问题必须引起高度重视。
　　接地是一个比较复杂的问题。一个良好的接地系统可以保证系统设备可靠地工作，有效地防止寄生的电容耦合引起的干扰，解决环境电磁干扰和静电危害，保障人身安全。相反容易因接地处理不当，影响设备政正常工作，造成故障，甚至危机人身安全。
　　系统中，按照接地目的和作用的不同，分为工作接地、保护接地和防雷接地。其中防雷接地应由建筑部门负责考虑，它的作用是为了泄散雷电流的能量，抑制它的危害，其值一般在0.2~20Ω。工作接地又分为直流接地和交流接地，直流接地的目的是为了稳定电路的电位，防止外来干扰，尤其在一下地TTL电路中，由于高低电平幅度的判定值相差很小（约2V左右），在收到一点干扰的情况下，极易造成电平的误判，导致产生错误指令而造成后果，因此要求直流的接地电阻更小，一般要求0.2Ω以下。交流接地也称之为二次接地。其接地电阻要求小于4Ω。交流接地的目的是为了保障人身和设备的安全。保护接地是为了防止由于绝缘层的损坏可能使金属外壳带电而危及人身安全所采取的一种接地措施。
　　各种接地各有优缺点。分散的独立接地可有效地防止信号之间的相互干扰，但在遭受雷击时，易造成不同的接地点地电位不一样，从而引起地电位反击，使设备工作不正常或损坏；综合接地虽然有效地防止了地电位反击，但又会引起不同信号之间的干扰。因此系统的接地问题应综合考虑。为了解决防干扰和防雷击安全兼容问题，可以把逻辑地与防雷地分开布设，这样在正常情况下，两个地系统互不相连，有效地防止了各类信号间的相互干扰，在入户处将两接地系统之间用低压避雷器或放电管连接起来，以求地雷电时自动连接，形成暂态均压等电位体。
　　4.应用实例
　　在×××工程中，数字程控交换机MD110的用户线需经用户方的模拟微波远传到外站，由于操作人员不小心，误将220V的交流电串到405、406两个分机用户线上，至使220V交流电击穿了交换机的滤波板（LPU）而进入用户接口板（ELUII），将两用户接口板损坏；还有几次由于模拟微波只要对端的收发信机先关，则连到指挥所这端的模拟终端就会产生约100V的交流电压。由于我们的内部通信设备好几路（最多达10路），同时连接到该终端上，因此几路电压同时叠加在设备上，所以经常将线路接口电路（PVR2300）损坏。由于发生以上情况，我们立即设计、试验、投产了一批线路接口保护单元（LIPU），运抵现场安装。据现场回来的同事讲，自从安装此接口保护单元后，内通设备的损坏率大大降低，可以说该保护单元达到了预先设计的目的。该保护单元的保护原理跟文中所介绍的第一种信号保护接口基本相似。