工厂弱电系统的防雷保护

   摘要：随着计算机技术和电子信息的不断发展，日益繁忙的事务通过电脑、自动化及通讯设备得以高效运营地井然有序，如果受雷电袭击的后果可能是整个系统的运行中断、重要数据丢失，造成无法弥补的经济损失，雷电和浪涌电压已成为电子信息时代的公害。弱电设备的防雷问题是一个综合性的工程,工厂弱电系统的安全运行对企业来说，尤其是大型的综合企业非常重要，企业供电的可靠性、连续性和安全性要求性很高，减少雷电对弱电系统的损坏,防患于未然、势在必行。本文从雷电和弱电系统，工厂弱电系统防雷保护设计、弱电系统防雷原则与措施和弱电系统防雷措施五个方面分析工厂弱电系统防雷的保护，以期起抛砖引玉的作用。 
　　关键词：弱电系统；防雷；保护

　　一、雷电和弱电系统 
　　雷电是一种很常见的自然现象，雷电是雷云层接近大地时,地面感应出相反电荷,当电荷积聚到一定程度,产生云和云之间以及云和大地之间放电,迸发出光和声的现象。雷电可分为直击雷、感应雷(包括静电感应和电磁感应)和球形雷。 
　　雷电波入侵智能建筑的形式有两种，一种是直击雷，另一种是感应雷。一般来说，直击雷击中智能楼宇内的电子设备的可能性很小，通常不必安装防护直击雷的设备。感应雷即是由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压，过电流形成雷击。感应雷入侵电子设备及计算机系统主要有以下三条途径：雷电的地电位反击电压通过接地体入侵；由交流供电电源线路入侵；由通信信号线路入侵。不管是通过哪种途径入侵形式，都会使电子设备及计算机系统受到不同程度的损坏或严重干扰。 
　　厂区智能建筑主要由建筑自动化系统(BAS)、办公自动化系统(OAS)、信息通信系统(CAS)三个系统组成,并利用计算机网络技术、通信技术将此三个系统进行系统集成。即将智能建筑管理系统,以语言、数据、视频、监控等不同信号的配线系统经过统一的规划设计,综合成一套标准的布线系统,作为建筑物内部之间的传输网络的综合布线系统，又名弱电系统,可分为建筑物内综合布线、建筑物群内部之间的综合布线。 
　　以弱电系统的防雷而言,除雷电直击外,最具有破坏作用的是二次效应,也就是静电感应雷和电磁感应雷,由于雷电具有高电位、大冲击电流、瞬时性的特点,强大的闪电产生静电场、交变电磁场和电磁辐射,以雷电波侵入、地电位反击等形成雷电电磁脉冲，产生强大的变电磁场、使周围的金属产生感应电势和感应电流。信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。金属物体(传输线等)受到这些干扰信号的影响,会使传输中的数据产生误码,影响传输的准确性和传输速率。 
　　二、弱电系统防雷保护设计 
　　防雷系统设计应满足的原则：保护器不影响被保护设备的正常工作；雷击产生冲击波时，所采用的防护器件应有低阻抗，将冲击电流直接导入大地而不产生危险的冲击对地电位差；防护器件应有较高的承受冲击能量的能力，并有规范的接地系统。为了防止雷电产生的感应过电压和过电流，在所有监控设备的电源线入口、信号线连接的设备两端均安装相应的避雷器。 
　　防雷系统设计依据是GB50057-94《建筑物防雷设计规范》，QX3－2000《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》D562《建筑物、构筑物防雷设施安装》，GB7450-87《电子设备雷击保护导则》，GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》，VDE0675《过电压保护器》的GB50174-93《电子计算机机房设计规范》等规范。 
　　弱电防雷的综合因素，要求将外部防雷装置和内部防雷装置统一考虑，着眼于全方位的雷电综合防护，把机房建筑物的防雷、雷电电磁脉冲（LEMP）防护、设备防雷、电源系统防雷、线路防雷、接地系统、保护装置等综合因素考虑在内。建筑群子系统，设备间子系统，管理子系统，垂直干线子系统和水平干线子系统的工作区子系统各系统之间的综合关系，任何方面的遗漏带来的危害都是不能低估的。 
　　在雷击发生时，产生巨大瞬变电磁场，在1KM范围内的金属环路，如网络、信号及通讯金属连线等都会感应到雷击，将会影响网络、信号及通讯系统的正常运行甚至彻底破坏系统。对于网络方面的防雷工作是较易被忽视的。 
　　三、弱电系统防雷原则和保护器选择 
　　多级分级保护原则，根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定防护要点作分类保护；根据雷电危害可能侵入的电气路径，实现对各系统从电源线到数据通信线等进行多级、多层次的保护。外部无源保护，在0级保护区即外部作无源保护，主要有避雷针（网、线、带）和接地装置（接地线、地极）。保护原理：当雷云放电接近地面时，它使地面电场发生畸变。在避雷针（线）顶部，形成局间电场强度畸变，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（线）放电，再通过接地引下线，接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免受雷击。 
　　内部防护，电源部分防护，雷电侵害主要是通过供电线路侵入。“电源防雷器”并接在电力线路上，可遏制瞬态过电压和泄放浪涌电流。从总进线到用电设备端通常配置三级防护，经过逐级限压和放电，逐步消除雷电能量，保证用电设备的安全。过电压保护按国家规范应分三部分：建议在高压变压器后端到楼宇总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器，作为第一级保护；在总配电盘至楼层配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器，作为第二级保护；在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装避雷器，作为第三级保护。信号部分保护，对于各类信号系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级跟据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。“信号防雷器”接入信号线路后，一方面要能切断雷电进入设备的通路，同时要能迅速对地放电，另一方面要能确保在正常状态下，通过防雷器的信号不受损害，使设备能正常工作。
　　按地处理，在计算机房及各类弱电机房的建设中，一定要求有一个良好的接地系统，因所有防雷设备都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身安全。如果机房接地系统做得不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰的屏蔽问题及防静电问题等都需要通过建立良好的接地系统来解决。 
　　电源浪涌保护器的选择，GB50057-94（2000版）和IEC61312指出：二类保护要求,应按总雷电流150KA(10×350€%eS波)来考虑浪涌保护器选择，按照其建议的雷电流分配方式其中50%即75KA是通过接地系统（水管、铠装电缆外皮或导线的保护管等）直接入地；另外50%通过安装在相线和中线上的电涌保护器入地。所以，对电涌保护器通流容量的要求最好为75KA以上。另一方面，若采取三级保护方式，要使过电压的残压于到达终端设备前能限制至1500V以下（按3C的标准要求），需要好几套第二级防雷器的同时每台电脑前加装质量较好的第三级防雷器。这样，这部分的成本就相当大了。由此，可以选择一体化的高性能电源浪涌保护器。 
　　四、弱电系统防雷措施 
　　多级防电源防雷措施：一级防雷，作为系统电源进线端的主级三合一防雷器，在雷击多发地带至少应有100-160KA的通流容量，可将数万甚至数十万伏的雷击过电压到数千伏，防雷器可并联安装在厂房总配电柜内的电源进线处或配房低压输出端。配电房低压输出端并联安装壹套B级电源防雷箱Cn-B4P-100，用于机房整体设备的电源第一级的防雷设备初级保护。或采用Cn电源防雷模块Cn-TP-100B，并联安装在配电房低压输出端。二级电源防雷，UPS电源防雷器，对通过电源初级防雷器的雷电能量进一步泄放，可将几千伏的过电压进一步到1点几千伏，雷电多发地带需要具有40KA的通流容量，防雷器可并联安装在UPS处。具体措施：在电源总进线处，并联安装一套电源二级二合一防雷器Cn-B4P-40用于中心机房内设备的电源第二级防雷保护。或采用Cn-TP60B/4电源防雷模块。 
三级防雷系统，即用电设备的末级防雷，这也是系统防雷中最容易被忽视的地方，现代的电子设备都使用很多的集成电路和精密的元件，这些器件的击穿电压往往只是几十伏，由经过一级防雷而进入设备的雷击残压仍将有千伏之上，这将对后接设备造成很大的冲击，并导致设备的损坏。作为第的二合一防雷器，要求有10KA以上的通流容量。 
　　同时，如线路尽可能短、尽可能不要架空走线、有条件穿管埋线、电源线与信号线尽可能分开布划。雷电波侵入的防护主要是在线路上安装相应的防雷装置并有效接地，利用合适的线路衰减来达到防雷的目的。 
　　针对监控设备，由于供电、控制及信号线路电压等级低，而很多设备又是安装在室外等特点，一般都采用在设备前安装三合一防雷装置并有效接地。联合接地时接地电阻值取弱点系统和防雷系统要求的最小值，比如防雷系统要求小于10欧姆，弱点系统要求小于4欧姆，联合接地就取小于4欧姆。防雷系统要求小于1欧姆，弱点系统要求小于4欧姆，联合接地就取小于1欧姆。 
　　工厂配电网中性点电阻接地方式的可行性，中性点电阻接地方式有效地解决了单相接地过电压问题，有关资料表明，当电阻电流与故障点的电容电流相近或略大于电容电流，可以有效抑制弧光接地过电压幅值，并对继电保护有利。 
　　提高供电的可靠性和安全性，采用电阻接地后，当发生单相接地故障时线路要立即跳闸，不能保证用户的连续供电。但化工系统的配电网，不是过去的单电源的辐射系统或树形系统，而是双电源供电系统。因此，在这种情况下，提高供电可靠性就不再单靠要求带单相接地故障运行几个小时来保证，而是靠BZT装置和短时停电再启动技术来保证。BZT装置是保证系统可靠性的重要技术手段，石化系统的配电网中几乎百分之百使用，起到了很好效果。在工厂中广泛应用的保证用电连续性的“智能型快速切换装置”可以较好地提高企业供电系统的可靠性。 
　　短时停电再启动技术在系统的配电网中应用广泛，较好地保证了化工装置的安全连续运行。 
　　屏蔽防雷措施的目的是阻挡空间电磁波感应、过电压以及磁场能量侵入被保护的通信设备,起到抑制、消除电磁场的干扰和危害。建筑通信机房时,房屋的六面应敷设金属屏蔽网;进出机房的电力线、信号线如无屏蔽层,从室外引入前必须穿管埋地;架空音频电缆的牵引钢丝两端应进行接地,最大限度衰减从各种导线上引入雷电高电压,以减少雷电电磁干扰。

　　隔离措施，由弱电自动化装置构成的控制系统中必须解决好接口信号的隔离,抑制传输过程中产生的各种干扰,才能使系统稳定可靠运行。电源部分可以安装交流电源隔离变压器;对于数字输入信号,大部分都利用光电隔离器或者串接各种信号防雷设备,也有一些使用脉冲变压器隔离和运算放大器隔离;对于数字输出信号也是主要采用光电隔离器或者串接各种信号防雷设备。对于模拟量输入信号,可采用安装音视频隔离变压器、光隔离器等进行隔离。对于计算机网络接口,可以采用专用的网络防雷器,距离较远时可采用光纤进行传输。