弱電設備的雷害分析及保護

[摘 要] 對弱電設備防雷進行了分析，重點探討了雷電浪涌對弱電設備的危害及防雷措施，并提出有益的建議。
[關鍵詞] 雷電 弱電設備 防雷 接地
概況
雷擊是一種自然現象，它能釋放出巨大的能量、具有極強大的破壞能力。幾個世紀來，人類通過對雷擊破壞性的研究、探索，對雷電的危害采取了一定的預防措施，有效地降低了雷害。
近年來，隨著微電子技術的不斷發展，自動控制系統在生產生活各個方面的使用越來越廣，人們在受益于微電子的極大方便的同時，也受到其一旦損壞就損失巨大的困擾。實際中，在增加自動控制系統的時候，往往對自動控制系統的防雷未加考慮或考慮不夠的情況較多，一旦有雷電波侵入，設備損壞一般是巨大的，有的甚至使整個系統癱瘓，造成無可挽回的損失。僅1999年6月到2001年8月一年多的時間里，可查的由于雷擊發生的弱電損壞就有四次之多。樊莊變電站線路落雷，造成主控地與設備之間的電位差而損壞大量的保護設備；南郊變電站的微波塔落雷，由于感應過電壓而損壞大量的通訊、遠動設備損壞；西萬莊變電站的微波塔落雷，由于地電位差造成大量的通訊遠動設備損壞；北郊變電站微波塔落雷，造成大量的保護、運動、通訊設備損壞。
分析這幾次故障的主要原因是由于一次設備發生雷擊后在弱電設備造成的浪涌超過了設備承受的能力而損壞設備的，浪涌的主要形式是電源浪涌、信號浪涌。而這種浪涌在新建或擴建設備時又往往不被重視，所以本文在介紹常用的弱電防雷的同時，重點探討了浪涌對弱電設備的危害及預防措施。


2 弱電設備雷電危害的主要原因分析
雷電會導致多種不同形式的危害，沒有任何一種辦法可以全面防止雷電的危害，通過各種有效的辦法可將雷害的程度降到最低，在多年的實際中人們對直擊雷、感應雷、球形雷的認識比較高，防護也相對完善，但對雷電浪涌的防護意識和防護措施相對比較薄弱，以上所列的四次典型的雷擊弱電設備的情況就是對弱電防雷考慮不夠造成的。其主要的雷電形式及雷害情況有以下幾種情況：
(1)直擊雷是指雷電直接擊在建筑物構架、動植物上，因電效應、熱效應和機械效應等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。
(2)感應雷是雷電在雷云之間或雷云對地放電時，在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電力線、設備間連接線產生電磁感應并侵入設備，使串聯在線路中間或終端的電子設備遭到損害。感應雷雖然沒有直接雷猛烈，但其發生的幾率比直擊雷高得多。
(3)雷電浪涌是近年來由于微電子的不斷使用引起人們極大重視的一種雷電危害形式，同時其防護方式也不斷完善。最常見的電子設備危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發生時在電源和通訊線路中感應的電流浪涌引起的。一方面由于電子設備內部結構高度集成化(VLSI芯片)，從而造成設備耐壓、耐過電流的水平下降，對雷電(包括感應雷及操作過電壓浪涌)的承受能力下降，另一方面由于信號來源路徑增多，系統較以前更容易遭受雷電波侵入。浪涌電壓可以從電源線或信號線等途徑竄人電腦設備。美國GE公司測定一般家庭、飯店、公寓等低壓配電線(110V)在10000h(約一年零兩個月)內在線間發生的超出原工作電壓一倍以上的浪涌電壓次數達到800余次，其中超過1000V的就有300余次。這樣的浪涌電壓完全有可能一次性將電子設備損壞。信號系統浪涌電壓的主要來源是感應雷擊、電磁干擾、無線電干擾和靜電干擾。金屬物體(如電話線)受到這些干擾信號的影響，會使傳輸中的數據產生誤碼，影響傳輸的準確性和傳輸速率。排除這些干擾將會改善網絡的傳輸狀況。



3 弱電設備防雷措施
按照防護范圍可將弱電設備的防雷措施分為兩類，外部防護和內部防護。外部防護是指對安裝弱電設備的建筑物本體的安全防護，可采用避雷針、分流、屏蔽網、均衡電位、接地等措施，這種防護措施人們比較重視、比較常見，相對來說比較完善。內部防護是指在建筑物內部弱電設備對過電壓(雷電或電源系統內部過電壓)的防護，其措施有：等電位聯結、屏蔽、保護隔離、合理布線和設置過電壓保護器等措施，這種措施相對來說是比較新的辦法，也不夠完善，下邊對弱電設備防雷進行探討，主要對雷電浪涌及地電位差的防護提出一些自己的看法。
3.1 弱電設備的外部防護
弱電設備的外部防護首先是使用建筑物的避雷針將主要的雷電流引人大地；其次是在將雷電流引人大地的時候盡量將雷電流分流，避免造成過電壓危害設備；第三是利用建筑物中的金屬部件以及鋼筋可以作為不規則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作用，如果建筑物中的設備是低壓電子邏輯系統、遙控、小功率信號電路的電器，則需要加裝專門的屏蔽網，在整個屋面組成不大于5m-5m，6m-4m的網格，所有均壓環采用避雷帶等電位連接；第四是建筑物各點的電位均衡，避免由于電位差危害設備；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷擊建筑物時接點電位損壞設備。
3.2 弱電設備的內部保護
從EMC(電磁兼容)的觀點來看，防雷保護由外到內應劃分為多級保護區。最外層為0級，是直接雷擊區域，危險性最高，主要是由外部(建筑)防雷系統保護，越往里則危險程度越低。保護區的界面劃分主要通過防雷系統、鋼筋混凝土及金屬管道等構成的屏蔽層而形成，從0級保護區到最內層保護區，必須實行分層多級保護，從而將過電壓降到設備能承受的水平。一般而言，雷電流經傳統避雷裝置后約有50%是直接泄人大地，還有50%將平均流人各電氣通道(如電源線，信號線和金屬管道等)。
隨著電腦通信設備的大規模使用，雷電以及操作瞬間過電壓造成的危害越來越嚴重。以往的防護體系已不能滿足電腦通信網絡安全的要求。應從單純一維防護轉為三維防護，包括：防直擊雷，防感應雷電波侵入，防雷電電磁感應，防地電位反擊以及操作瞬間過電壓影響等多方面作系統綜合考慮。
多級分級(類)保護原則：即根據電氣、微電子設備的不同功能及不同受保護程序和所屬保護層確定保護要點作分類保護；根據雷電和操作瞬間過電壓危害的可能通道從電源線到數據通信線路都應做多級層保護。
3.2.1 電源部分防護
弱電設備的電源雷電侵害主要是通過線路侵入。高壓部分有專用高壓避雷裝置，電力傳輸線把對地的電壓限制到小于6000V(1EEEEC62.41)，而線對線則無法控制。所以，對380V低壓線路應進行過電壓保護，按國家規范應有三部分：建議在高壓變壓器后端到二次低壓設備的總配電盤間的電纜內芯線兩端應對地加避雷器或保護器，作一級保護；在二次低壓設備的總配電盤至二次低壓設備的配電箱間電纜內芯線兩端應對地加裝避雷器保護器，作二級保護；在所有重要的、精密的設備以及UPS的前端應對地加裝避雷器或保護器，作為三級保護。目的是用分流(限幅)技術即采用高吸收能量的分流設備(避雷器)將雷電過電壓(脈沖)能量分流泄人大地，達到保護目的，所以，分流(限幅)技術中采用防護器的品質、性能的好壞是直接關系網絡保護的關鍵，因此，選擇合格優良的避雷器或保護器至關重要。
3.2.2 信號部分保護
對于信息系統，應分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據所屬保護區的級別確定，精細保護要根據電子設備的敏感度來進行確定。

 3.2.3 接地處理
一定要求有一個良好的接地系統，因所有防雷系統都需要通過接地系統把雷電流泄人大地，從而保護設備和人身安全。如果機房接地系統做得不好，不但會引起設備故障，燒壞元器件，嚴重的還將危害工作人員的生命安全。另外還有防干擾的屏蔽問題，防靜電的問題都需要通過建立良好的接地系統來解決。
4 結論
弱電設備的防雷問題是一個綜合性的工作，尤其是弱電設備的雷電浪涌防護還重視不夠，也常常由其而引起設備的損壞，所以在完善弱電設備外部防護的同時，要加強弱電設備的內部防護，建議加強以下幾方面的工作；
(1)首先要完善弱電外部雷電防護，將絕大部分雷電流直接接閃引入地下泄散。
(2)其次要阻塞沿電源線或數據、信號線引入的過電壓波。
(3)第三限制鉗位被保護設備上浪涌過壓過流幅值在設備可承受的范圍。
這三道防線，相互配合，各行其責，缺一不可。