分析弱电设备防雷初案例

　　雷电是一种常见的大气放电现象。在夏天，当地面含水蒸汽的空气受热不断地上升到高空，形成积雨云，在上升的过程，由于气流的摩擦以及地球磁场的影响，云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷雨云的电荷感应，也会带上与云底相反极性的电荷。当云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电，发出耀眼的强光，这就是闪电，而闪电通道道上的高温会使空气急剧膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。由于雷电释放的能量相当大，它所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应给人们带来了多种危害。

　　随着科学技术的发展，电力系统的要求强电越来越多，对防雷设备要求也越来越高，经验也比较丰富，但是对于弱电设备（如通讯设备、自动化设备、计算机及网络设备、弱电电源设备等）的防雷却显得很薄弱，每年各种弱电设备因雷击而遭受破坏的事例屡见不鲜。随着电力系统现代化、信息化进程的发展，弱电系统在整个电力系统中已占据举足轻重的地位，因此如何保护弱电系统免遭损害也越来越引起了各方面的高度重视，本文就此作一初步的探讨。

　　随着现代电子技术的不断发展，大量精密电子设备的使用及联网，使安装在弱电系统中的设备，经受着电源质量不良、直击雷、感应雷、工业操作瞬间过电压、零电位飘移等浪涌和过电压的侵袭，经常会受到各种过电压、过电流的危害。由于一些电子设备工作电压仅几伏，传递信息电流也很小，对外界的干扰极其敏感，而雷电的电压可高达数100万V，瞬间电流可高达数10万A，因此，具有极大的破坏性。避雷针是用来保护建筑物等避免雷击的装置。在高大建筑物顶端安装一个金属棒，用金属线与埋在地下的一块金属板连接起来，利用金属棒的放电，使云层所带的电和地上的电逐渐中和，从而不会引发事故。避雷针规格必须符合GB标准，每一个级别的防雷需要的避雷针规格都不一样。据研究当磁场强度Bm≥0.07×10－4 T时，无屏蔽的计算机会发生暂时性失效或误动作；当Bm≥2.4×10－4 T时，计算机元件会发生性损坏。而雷电电流周围出现的瞬变电磁场强度往往超过2.4×10－4 T。因此，有效地防止雷电对弱电系统设备所产生的危害，是保证弱电系统设备安全、稳定运行的重要前提。

　　1.电子设备防浪涌要求

　　带有大量负电荷的雷云所产生的电场会在架空线路上感生出被电场束缚的正电荷。当雷云对地放电或对云间放电时，云与大地间的电场消失（严格说是大大减弱），那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，电荷来不及立即流散，在电势能的作用下，产生对地很高的静电感应过电压，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击，从而对电器设备产生不同程度的影响。

　　（1）耐压要求

　　当瞬间电压超过电子设备的绝缘耐压值时，其安全性能会降低，甚至被毁。因而电子设备的瞬间过电压应该小于其绝缘耐压值，正常的工作电压应小于保护电压。

　　（2）过流保护要求

　　电子设备的过流能力一般设计为额定电流的1.5～2倍，以此为标准选择电子元器件。如额定电流为0.22 A的计算机其过流能力约为0.45A，电子设备所选用的电子元器件将会烧坏而无法正常工作，因而应该保证到达电子设备的瞬间过电流小于其额定电流的1.5～2倍。

　　（3）动态响应时间的要求

　　电子设备在设计过程中，已经采用了许多保护器件，如快熔器、压敏电阻、空气开关、继电保护器件等，每种保护器件都有特有的动态响应时间，而每种电子设备也有其保护响应时间，因而流过电子设备的浪涌的瞬态时间应该大于电子设备的动态响应时间，避免保护器件来不及响应而使浪涌通过电子设备。

　　（4）接地保护要求

　　电子设备在安装时，应做到良好接地，否则雷电所产生的浪涌能量不能有效地对地泄放而击毁器件。接地线在瞬间遭受浪涌以电感方式存在，其典型值为1μH／m，接地线上的压降为U1＝L×di／dt。对于1.5 m长的接地线L≈1.5μH，雷电在瞬间（如100μs）产生的几百安培（500 A）浪涌脉冲，其di／dt＝5×10 A／s，此时接地线上的压降U1＝L×di／dt＝1.5×10×5×10＝7.5 V，设备将承受500 A×7.5 V＝3750 W的浪涌能量，该能量将可能损伤或毁坏大部分电子设备。因外界侵入的浪涌能量将首先通过电子设备再对地泄放，这样流经电子设备的浪涌电流基本不变，其能量有可能很大，电子设备仍有可能被损坏；因此接地保护对于电子设备而言只能是一种辅助性保护。

　　接地一 种有意或非有意的导电连接，由于这种连接，可使电路或电气设备接到大地或接到代替大地的、某种较大的导电体。注 ：接地的目的是：（a）使连接到地的导体具有等于或近似于大地（或代替大地的导电体）的电位；（b）引导人地电流流入和流出大地（或代替大地的导电体）。

　　从定义上可以将接地分为：人工接地、自然界地；从工作性质上可分为接地保护（如防雷接地、防静电接地、设备接地、配点接地等）、工作接地（如电力设施的发、送、配电接地等工作接地还有不需要实际物理连接的电子线路逻辑地）两大类。

　　接地系系统是通过平衡包括阻值、结构、及相互之间配合等因素通过释放由直击雷击、雷电电磁脉冲、积累在设备上的静电、电力系统短路等状况带来的威胁及其他各类异常能量从而达到防护的目的。

　　目前，通用的接地系统主要包括铜包钢接地系统、长效高导活性离子接地系统等，而在接地单元与帝王链接工艺上通用热熔焊接施工工艺。

　　2.系统防浪涌措施

　　根据IEC61312标准，弱电设备应设置多级防雷保护措施，一般为三级配置。由于雷电流主要是由首次雷击电流和后续雷击电流所组成，因此，雷电过电压的保护必须同时考虑到如何抑制（或分流）首次雷击电流和后续雷击电流。外部防雷可将绝大部分雷电流直接引入地下泄散；内部防雷可阻塞沿电源或信号线所引入的雷电波。这两道防线，互相配合，各尽其职，缺一不可。

　　2.1外部防雷与接地

　　外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是防护直击雷，它是防雷技术革新的主要组成部分，其技术措施可分接闪器（避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器）、引下线、接地体和法拉第笼等。

　　接地电阻应符合相关标准，一般为4Ω。对某些设备制造厂商有特殊接地要求，将直流地与其它6个接地类型分开以避免电磁干扰和零地电位升高。但当有雷电对地泄放时，高电压将通过直流地反击设备。因此对于这种情况宜在防雷地和直流地之间加装地电位均衡器，避免反击现象。

　　2.2内部防雷

　　内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的设备加装过压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，保护装置能快速动作泄放能量，从而保护设备免受损坏。内部防雷分为电源防雷和信号防雷。

　　（1）电源防雷系统

　　电源防雷主要是防止雷电和其他内部过电压侵入设备造成损坏，从室外防雷与线路防雷相结合的综合防雷方案，介绍了外部避雷和内部避雷、保护区、防雷等电位截流等概念。分析了电源防雷工作器原理。采用电源防雷器能在短时间内释放电路上因雷击感应而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地，降低设备各接口间的电位差，从而保护电路上的设备。一是在大楼电源的总进线处安装放电电流较大的电源防雷器，二是在重要楼层或重要设备电源的进线处加装二级或三级电源防雷器。为了确保遭受雷击时，高电压首先经过电源防雷器，然后再经过二级电源防雷器，电源防雷器和二级电源防雷器之间的距离要大于10～15 m，如果两者间距不够，可采用带线圈的防雷箱，这样可以避免二级电源防雷器首先遭受雷击而损坏。

　　（2）信号防雷系统

　　由信号防雷系统由于雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量，因此要求网络通信设备能够承受较高能量的瞬时冲击，而目前大部分设备由于电子元器件的高度集成化而使耐过电压、耐过电流水平下降，必须在网络通信接口处加装必要的防雷保护装置以确保网络通信系统的安全运行。对通信系统进行防雷保护，选取适当保护装置非常重要，应充分考虑防雷产品与通信系统匹配。对于信息系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根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。

　　因对弱电设备的雷电浪涌防护重视不够，故而发生雷电浪涌损坏设备的故障。所以在完善弱电设备外部防护的同时，要加强弱电设备的内部防护。

　　①完善弱电外部雷电防护，将绝大部分雷电流直接引入地下泄散。

　　②阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波。③限制钳位被保护设备上浪涌过电压过电流幅值在设备上可承受的范围。

　　④采用高吸收能量的分流设备（避雷器）将雷电过电压（脉冲）能量分流泄人大地。分流（限幅）技术中采用的防护器品质、性能的好坏是网络防护的关键，因此，选择合格优良的避雷器或保护器至关重要。

　　⑤采用短线技术。设备间的连接线尽可能短，以减少导线上的雷电感应电压幅值。

　　⑥采用屏蔽方式。选用有屏蔽层的电缆，将减小雷电感应电压强度，但屏蔽层应可靠接地。

　　⑦采用隔离、绝缘来削弱雷电感应电压。天线的固定支架采用绝缘棒与避雷针支体隔离，电池极支架与避雷针体地板用绝缘子隔离。

　　⑧人工隔离。如需弱电设备工作时，由人工合上电源开关，插接网络线路，否则，断开以上线路。

　　⑨电压抑制技术。对于无人职守设备和需不间断与外界联络的设备，必须把雷电感应电压限制在设备承受的电压以下，防止设备损坏。要使设备达到理想的防雷效果，必须根据设备的工作原理、工作条件、功率大小及阻抗高低来装设相应的防雷保护装置。要求有一个良好的接地系统，因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄人大地，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，甚至还将危害工作人员的生命安全。另外防干扰的屏蔽问题、防静电的问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。

　　3.浪涌保护装置选型原则

　　（1）放电电流的选择

　　根据建筑物地理位置及年平均雷暴日，计算Ng（1 km2面积内年平均雷击数）值，确定电源防雷器的放电电流。一般可选用100 kA或65 kA，作为该系统电源的防雷；二、三级防雷可选用40kA，终端选用插座型避雷器。

　　（2）持续耐压的选择

　　我们知道，在压敏电阻的两端施加1 mA的电流时，所测得的电压为压敏电阻的压敏电压，也是防雷器的标称导通电压，我国电力系统为了保证供电的可靠性、连续性和考虑我国的实际情况，允许电网单相接地工作2 h，如果考虑电网±15％的波动，则有可能电网单相持续电压可达437 V，如果电源防雷产品的持续耐压只有385 V，当电网上工作电压按上述方式波动时，电源防雷器将频繁启动，从而增加事故概率和浪费电能。因此选择持续耐压为440 V是合适的，尤其在农村地区。

　　（3）残压的选择

　　目前，在国内销售的防雷产品在额定放电电流下的残压Ur是差不多的，有差别也只是100～200V而已，而电源防雷器安装后的线间压降UL＝L×di／dt很大，因此只考虑防雷器本身的残压Ur是不够的，而应考虑整个系统的残压U＝Ur＋UL。对计算机等电子设备来说，其绝缘耐压可高达1800 V以上，通过合理的施工是能够满足设备保护要求的。

　　对设备来说，受影响的并不仅仅是Ur，而是系统残压U＝Uab＝Ur＋U1＋U2，其中U1＋U2＝UL＝L×di／dt。

　　实验表明，对一根长为1 m截面积为10～16mm的导线，当通以10 kA（8／20μs）的模拟雷电波时，经测试其电感相当于1μH，两端电压约为1200 V。另经测试，一般进入室内的感应雷电流为3 kA左右，当感应雷电流为3 kA左右时，对于市面上销售的避雷器来说，其残压值Ur＝1100～1200V。假设有一绝缘耐压为1800 V的电子设备，避雷器两端的接地线长度分别为L1＝0.5 m，L2＝1 m，则U1≈0.5×1200×3／10＝180 V，U2≈1×1200×3／10＝360 V，线间压降UL＝U1＋U2＝540 V，那么设备两端的残压为U＝Uab＝540＋1200＝1740 V＜1800 V。由U＝UL＋Ur可见，降低线间压降UL显得十分必要。因此在选择避雷器时不应该仅仅考虑避雷器本身的残压，还应该考虑安装时产生的系统残压对电子设备的影响。

　　（4）漏电流的选择

　　在75％的标称导通电压下，所测得的流过防雷器的电流，称为电源防雷器的漏电流I0，按照国家标准此参数应小于20μA，漏电流I0越大，电源防雷器将积聚更多能量而使电源防雷器发热的可能性增大，而漏电流又是随着压敏电阻的温度升高而增大的，因此，此时该压敏电阻就处于恶性循环状态，这也表明了漏电流随时间的变化率（增加率）越大，电源防雷器积聚能量将越快，从而使电源防雷器的性能越趋恶化。

　　（5）告警方式的选择

　　目前能提供的告警方式共有三类，一类是遥信、遥测告警，适用于无人值守的工作场合；另一类是可视告警，通过机械设计实现告警功能，还有是声光告警，此告警方式需增加一个告警模块，目前许多建议谨慎使用，因为雷击时，有可能是声光告警模块中的电子元器件本身首先被击坏而失去声光告警功能，如此时防雷产品也正好被击坏，人们因依赖声光告警而未察觉，当第二次雷击时，雷电将会乘虚而入，击坏后续被保护设备。防雷产品属安全保护产品，其结构应越简单越好，因此建议采用可视告警方式。

　　（6）结构化设计

　　电源防雷器包括Airdun电源防雷模块、Airdun电源防雷箱、Airdun电源防雷插座等。电源防雷器是防止雷电和其他内部过电压侵入设备造成损坏，从室外防雷与线路防雷相结合的综合防雷方案，介绍了外部避雷和内部避雷、保护区、防雷等电位连接等概念。分析了电源防雷工作器原理。采用电源防雷器能在短时间内释放电路上因雷击感应而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地，降低设备各接口间的电位差，从而保护电路上的设备。

　　目前，电源防雷产品有两种结构形式：整体式模块化设计和插拔式模块化设计。插拔式结构在插拔时必然因间隙存在而发生放电干扰，尤其在空气湿度比较大的地方，此现象将会更严重，使防雷器的性能下降。而整体式模块化设计不存在任何间隙，同时因采用导轨式安装，也可实现热（带电）更换。因此选择整体式模块化设计的电源防雷产品更为合适。

　　电源防雷器是浪涌保护器中常用的一种，主要是针对电源系统所选用的浪涌保护。另外，还有网络防雷器，信号防雷器等等。

　　电源防雷是防止雷电和其他内部过电压侵入设备造成损坏，从室外防雷与线路防雷相结合的综合防雷方案，介绍了外部避雷和内部避雷、保护区、防雷等电位连接等概念。分析了电源防雷工作原理。采用电源防雷能在短时间内释放电路上因雷击感应而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地，降低设备各接口间的电位差，从而保护电路上的设备。

　　4.一个具体的防雷方案

　　弱电设备防雷对象主要有：网络设备、通信设备、自动化设备、相关的电源等附属设备及其相互传输的各类信号。

　　图为我局通信机房雷电过电压保护配置示意图，其中S1为DEHNventil 280／4型电源1、2级复合防雷器，S2为DEHNguard T385型电源2级防雷器，S3为DEHNrail 48FML型电源3级防雷器（直流48 V），A为UGK／N（2.5 G）天馈线防雷器，B为YG20－A音频隔离变压器，C为ZH型中和变压器，D为同轴防雷器。

　　在布设防雷设备前，对各防雷点应进行相关的测试和检查，主要有：

　　（1）避雷带是否连续可靠，是否与引下线均匀可靠连接。

　　（2）确认是否有必要铺设避雷网，安装避雷针。

　　（3）检测接地电阻是否符合相关标准。

　　机房的接地将防雷地、工作交流地、静电地、屏蔽地、绝缘地、安全保护地采用同一的大楼底层的接地体，该接地铜排环型网架离地面高约300～350 mm且与墙绝缘连接，室内所有设备的接地采用单点接地方式接到该环形母排上，该环形母排与底层共用接地体，采用90 mm多股绝缘铜芯线通过大楼管道井内已铺设的接地扁钢连接，作为环形母排的接地线；

　　机房内专设交流配电箱。该处配电箱供电采用三相四线制供电，严格实现机房内各设备接地接零分开；安装电源和信号避雷器，其避雷器接地采用合防雷器，S2为DEHNguard T385型电源2级防雷器，S3为DEHNrail 48FML型电源3级防雷器（直流48 V），A为UGK／N（2.5 G）天馈线防雷器，B为YG20－A音频隔离变压器，C为ZH型中和变压器，D为同轴防雷器。

　　在布设防雷设备前，对各防雷点应进行相关的测试和检查，主要有：

　　（1）避雷带是否连续可靠，是否与引下线均匀可靠连接。

　　（2）确认是否有必要铺设避雷网，安装避雷针。

　　（3）检测接地电阻是否符合相关标准。

　　机房的接地将防雷地、工作交流地、静电地、屏蔽地、绝缘地、安全保护地采用同一的大楼底层的接地体，机房内沿墙四周地面均布截面积为30×3 mm的铜排环网，该接地铜排环型网架离地面高约300～350 mm且与墙绝缘连接，室内所有设备的接地采用单点接地方式接到该环形母排上，该环形母排与底层共用接地体，采用90 mm多股绝缘铜芯线通过大楼管道井内已铺设的接地扁钢连接，作为环形母排的接地线。

　　机房内专设交流配电箱。该处配电箱供电采用三相四线制供电，严格实现机房内各设备接地接零分开；安装电源和信号避雷器，其避雷器接地采用单点接地方式；微波天线的馈线外护套选取多点作可靠的接地。通过一年多的实际运行考验，被保护设备没有遭受过雷击损害。

　　5.结论

　　随着通信设备、网络设备、计算机应用系统等的大规模使用，雷电以及操作瞬间过电压造成的危害越来越严重。以往的防护体系已不能满足通信、网络、计算机等安全的要求。现代防雷技术强调全方位防护、综合治理、层层设防，综合运用分流（泄流）、均压（等电位）、屏蔽、接地和保护（箝位）等各项技术，构成一个完整的防护体系。