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弱電設備的雷電危害分析及保護

發布時間:2008-07-29

1.概述     
隨著科技的不斷發展,人類已步入信息社會,計算機網絡技術的普及越來越多的辦公大樓、寫字樓、醫院、銀行、賓館等建築離不開綜合布線係統。配置綜合布線係統,猶如為建築物建立了一個高速,大容量的信息傳送平台,為建築智能化提供了快速的信息通道。計算機、程控交換機、CATV等微電子設備日益增多,而微電子器件承受雷電電磁脈衝能力較差,因此,雷害事故不斷發生。我國每年因雷擊破壞建築物內計算機網絡係統的事件時有發生,所造成的損失是非常巨大的。因此綜合布線係統的防雷設計就顯得尤其重要。 
  我們知道雷電入侵電器設備的形式有兩種:直擊雷和感應雷。雷電直接擊中線路並經過電器設備入地的雷擊過電流稱為直擊雷;由雷閃電流產生的強大電磁場變化與導體感應出的過電壓,過電流形成的雷擊稱為感應雷。 
  目前,在建築物防雷係統設計上,是執行的國家標準《建築物防雷設計規範》GB50057-  94,設計由避雷網(帶),避雷針或混合組成的接閃器,立柱基礎的鋼筋網與鋼屋架,屋麵板鋼筋等構成一個整體,避雷網通過全部立柱基礎的鋼筋作為接地體,將強大的雷電流入大地。計算機係統安置在建築物內,受建築物防雷係統保護,直擊雷擊中計算機網絡係統的可能性非常小,計算機設備抗直擊雷能力很低,防護設備非常昂貴,通常不必安裝防護直擊雷的設備,而計算機網絡必須防感應雷和雷電浪湧電壓。 
2.幹擾途徑與耦合機製   
產生幹擾必須具備三個條件:幹擾源、幹擾通道、易受幹擾設備。   
  幹擾源分為內部和外部。內部主要是裝置原理和產品質量等。外部主要由使用條件和環境因素決定,如工作電源直流回路受開關操作和天氣影響等而引起的浪湧電壓,強電場或強磁場以及電磁波輻射等。   
  幹擾通道有傳導耦合、公共阻抗耦合和電磁耦合三種。外部主要通過分布電容的電磁耦合傳到內部;內部則三種均有。   
  由於設備采用的敏感元件的選用和結構布局等不盡合理,造成本身抗幹擾能力差,  對幹擾加以抑製,降低其幅度,減少其影響力,這是從外部環境上加以改善。  

 
  2.1幹擾途徑  

 
  感應雷可由靜電感應產生,也可由電磁感應產生,形成感應雷電壓的機率很高,對建築物內的弱電設備威脅巨大,計算機網絡係統及電話程控交換機的防雷工作重點是防止感應雷入侵。入侵計算機網絡係統的雷電過電壓過電流主要有以下三個途徑: 
  2.1.1由交流電220V電源供電線路入侵;計算機係統的電源由電力線路輸入室內,電力線路可能遭受直擊雷和感應雷。直擊雷擊中高壓電力線路,經過變壓器耦合到220伏低壓,入侵計算機供電設備;另外低壓線路也可能被直擊雷擊中或感應雷過電壓。在220伏電源線上出現的雷電過電壓平均可達10000伏,對計算機網絡係統可造成毀滅性打擊。電源幹擾複雜性中眾多原因之一就是包含著眾多的可變因素,電源幹擾可以以"共模"或"差模"方式存在。"共模"幹擾是指電源線與大地,或中性線與大地之間的電位差。"差模"幹擾存在於電源相線與中性線之間。對三相電源來講,還存在於相線與相線之間。電源幹擾複雜性中的第二個原因是幹擾情況可以從持續周期很短暫的尖峰幹擾到全失電之間的變化。 
  電源幹擾的類型見表一:  表一  序號  幹擾的類型  典型的起因  1  跌落  雷擊,重載接通,電網電壓低下  2  失電  惡劣的氣候,變壓器故障,其他原因的緣故  3  頻率偏移  發電機不穩定,區域性電網故障  4  電氣燥聲  雷達,無線電信號。電力公司和工業設備的飛狐,轉換器和逆變器  5  浪湧  忽然減輕負載,變壓器的抽頭不恰當  6  諧波失真  整流,開關負載。開關型電源,調速驅動  7  瞬變  雷擊,電源線負載設備的切換,功率因數補償電容的切換,空載電動機的斷開 
  電源幹擾進入設備的途徑;一是電磁耦合;二是電容耦合;三是直接進入三種。 
  2.1.2由計算機通信線路入侵;可分為三種情況:   
  (1)  當地麵突出物遭直擊雷打擊時,強雷電壓將鄰近土壤擊穿,雷電流直接入侵到電纜外皮,進而擊穿外皮,使高壓入侵線路。   
  (2)  雷雲對地麵放電時,在線路上感應出上千伏的過電壓,擊壞與線路相連的電器設備,通過設備連線侵入通信線路。這種入侵沿通信線路傳播,涉及麵廣,危害範圍大。   
  (3)若通過一條多芯電纜連接不同來源的導線或者多條電纜平行鋪設時,當某一導線被雷電擊中時,會在相鄰的導線感應出過電壓,擊壞低壓電子設備。 
  2.1.3地電位反擊電壓通過接地體入侵;雷擊時強大的雷電流經過引下線和接地體泄入大地,在接地體附近放射型的電位分布,若有連接電子設備的其他接地體靠近時,即產生高壓地電位反擊,入侵電壓可高達數萬伏。建築物防直擊雷的避雷引入了強大的雷電流通過引下線入地,在附近空間產生強大的電磁場變化,會在相鄰的導線(包括電源線和信號線)上感應出雷電過電壓,因此建築物避雷係統不但不能保護計算機,反而可能引入了雷電。計算機網絡係統等設備的集成電線芯片耐壓能力很弱,通常在  100伏以下,因此必須建立多層次的計算機防雷係統,層層防護,確保計算機特別是計算機網絡係統的安全。   
  2.2耦合機製   
  雷電衝擊影響微電子設備構成係統的耦合機製有下麵幾種。     
  2.2.1電阻耦合;雷電放電將使受影響的物體相對於遠端地的電位上升高達幾百千伏,地電位升高形成的電流將分布到設備的金屬部分。如連接到係統參考點數據線和電源電線。電纜屏蔽層的電流在屏蔽層與芯線之間引起過電壓,其數值與傳輸阻抗成正比例。   
  2.2.2磁耦合;在導體上流通的或處在雷電通道的雷電流會產生磁場,在幾百米範圍內,可以認為磁場的時間變化率與雷電電流時間變化率相同。然而,磁場經常被建築材料和周圍的物體所衰減和改變。磁場的變化會在室內外電纜設備上產生感應電流和電壓。   
  2.2.3電耦合;雷電通道下端的電荷會在附近產生一個很強的電場,它對鞭狀天線設備有影響,而對於建築物內部電場幹擾一般可以忽略。     
  2.2.4電磁耦合;遠距離雷電放電產生的電磁場會在大範圍的數據傳輸網上感應出過電壓,這種幹擾會傳導到接口上,但這種情況下,直接輻射的電磁場很難對建築物或機櫃內的微電子設備造成破壞。   

3.弱電設備防雷措施   

按照防護範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築物本體的安全防護,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。內部防護是指在建築物內部弱電設備對過電壓(雷電或電源係統內部過電壓)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,針對弱電設備防雷的特性機理,對雷電浪湧及地電位差的防護進行探討。 
  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築物的避雷針將主要的雷電流引入大地;其次是在將雷電流引入大地的時候盡量將雷電流分流,避免造成過電壓危害設備;第三是利用建築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,如果建築物中的設備是低壓電子邏輯係統、遙控、小功率信號電路的電器,則需要加裝專門的屏蔽網,在整個屋麵組成不大於5m-5m,6m-4m的網格,所有均壓環采用避雷帶等電位連接;第四是建築物各點的電位均衡,避免由於電位差危害設備;第五是保障建築物有良好的接地,降低雷擊建築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(建築)防雷係統保護,越往裏則危險程度越低。保護區的界麵劃分主要通過防雷係統、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後約有50%是直接泄入大地,還有50%將平均流入各電氣通道(如電源線,信號線和金屬管道等)。   
  隨著微電子設備的大規模使用,雷電以及操作瞬間過電壓造成的危害越來越嚴重。以往的防護體係已不能滿足微電子設備構成的網絡係統對安全提出的要求。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麵作係統綜合考慮。   
  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。 
3.3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製到小於6000V(IEEEEC62.41),而線對線則無法控製。所以,對380V低壓線路應進行過電壓保護,按國家規範應有三部分:建議在高壓變壓器後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(脈衝)能量分流泄入大地,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係網絡保護的關鍵,因此,選擇合格優良的避雷器或保護器至關重要。 
  3.4信號部分保護     
  對於信息係統,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。   

4.綜合浪湧保護係統組合   

4.1.三級保護   
  對於自動化控製係統的所需的浪湧保護應在係統設計中進行綜合考慮,針對自動化控製裝置的特性,應用於該係統的浪湧保護器基本上可以分為三級,對於自動化控製係統的供電設備來說,需要雷擊電流放電器、過壓放電器以及終端設備保護器。數據通信和測控技術的接口電路,比各終端的供電係統電路顯然要靈敏得多,所以必須對數據接口電路進行細保護。   
  自動化裝置的供電設備的第一級保護采用的是雷擊電流放電器,它們不是安裝在建築物的進口處,就是在總配電箱裏。為保證後續設備不承受的剩餘殘壓太高,所以必須根據對保護範圍的性質,安裝第二級保護。在下級配電設施中安裝過電壓放電器,作為二級保護措施,作為第三級保護是為了保護儀器設備,采取的方法是,把過電壓放電器直接安裝在儀器的前端。自動化控製係統三級保護布置如圖1所示;在不同等級的放電器之間,必須遵守導線的最小長度規定。供電係統中雷擊電流放電器與過壓放電器之間的距離不得小於10米,過壓放電器同儀器設備保護裝置之間的導線距離則不應低於5米。    
   4.2.三級保護器件 
  4.2.1.充有惰性氣體的過電壓放電器,是自動化控製係統中應用較廣泛的一級浪湧保護器件。充有惰性氣體過電壓放電器,一般構造的這類放電器可以排放20千安(8/20)微秒或者2.5千安(10/350)微秒以內的瞬變電流。氣體放電器的響應時間處於毫微秒範圍,其被廣泛的應用於遠程通信範疇。該器件的一個缺點是它的觸發特性與時間相關,其上升時間的瞬變量同觸發特性曲線在幾乎與時間軸平行的範圍裏相交。因此保護電平將同氣體放電器額定電壓相近。而特別快的瞬變量將同觸發曲線在十倍於氣體放電器額定電壓的工作點相交,也就是說,如果某個氣體放電器的最小額定電壓90伏,那麽線路中剩餘的殘壓可高達900伏。它的另一個缺點是可能會產生後續電流。在氣體放電器被觸發的情況下,尤其是在阻抗低、電壓超過24伏的電路中會出現下列情況:即原來希望維持幾個毫秒的短路狀態,會因為該氣體放電器繼續保持下去,由此引起的後果可能是該放電器在幾分之一秒的時間內爆碎。所以在應用氣體放電器的過電壓保護電路中應該串聯一個熔斷器,使得這種電路中的電流很快地被中斷。 
  4.2.2.壓敏電阻,壓敏電阻被廣泛作為係統中的二級保護器件,因壓敏電阻在毫微秒時間範圍內具有更快的響應時間,不會產生後續電流的問題。在測控設備的保護電路中,壓敏電阻可以用於放電電流為2.5KA—5KA(8/20)微秒的中級保護裝置。壓敏電阻的缺點是老化和較高的電容問題,老化是指壓敏電阻中二極管的P-N部分,在通常過載情況下,P-N結會造成短路,其漏電流將因此而增大,其值的大小取決於承載的頻繁程度。其應用於靈敏的測量電路中將造成測量失真,並且器件易發熱。壓敏電阻大電容問題使它在許多場合不能應用於高頻信息傳輸線路,這些電容將同導線的電感一起形成低通環節,從而對信號產生嚴重的阻尼作用。不過,在30千赫茲以下的頻率範圍內,這一阻尼作用是可以忽略。 
4.2.3.抑製二極管,抑製二極管一般用於高靈敏的電子回路,其響應時間可達微微秒級,而器件的限壓值可達額定電壓的1.8倍。其主要缺點是電流負荷能力很弱、電容相對較高,器件自身的電容隨著器件額定電壓變化,即器件額定電壓越低,電容則越大,這個電容也會同相連的導線中的電感構成低通環節,而對數據傳輸產生阻尼作用,阻尼程度與電路中的信號頻率相關。 

5.過程通道抗幹擾設計   

由自動化裝置構成控製係統中必須妥善解決好接口信號的隔離,抑製傳輸過程中產生的各種幹擾,才能使係統穩定可靠運行。接口與過程通道是自動化裝置和外部設備、被控對象進行信息交換的渠道,對於接口和過程通道侵入的幹擾主要是因公共地線所引起,其次,在信號微弱和傳輸線路較長時還會受到靜電和電磁波的幹擾。目前在自動化控製係統中,對於數字輸入信號,大部分都利用光電隔離器,也有一些使用脈衝變壓器隔離和運算放大器隔離;對於數字輸出信號也是主要采用光電隔離器。對於模擬量輸入信號,則許多場合下采用調製—解調式隔離放大器、運算放大器等,模擬量輸出信號隔離則可采用直流電壓隔離法及變換隔離法等。   
  5.1光電耦合技術   
  光電偶合器件是利用光傳遞信息的,它是由輸入端的發光元件和輸出端的受光元件組成,輸入與輸出在電氣上是完全隔離的。其體積小、使用簡便,可視現場幹擾情況的不同,可以組成各種不同的線路對共模和長模幹擾進行抑製。   
  5.1.1應用於輸入輸出的隔離。光電耦合器用在輸入、輸出間隔離情況下,線路是很簡單的,由於避免形成地環路,而輸入與輸出的接地點也可以任意選擇。這種隔離的作用不僅可以用在數字電路中,也可以用在線性(模擬)電路中。 
  5.1.2用於消除與抑製噪聲  光電耦合器用於消除噪聲是從兩個方麵體現的:一方麵是使輸入端的噪聲不傳遞給輸出端,隻是把有用信號傳送到輸出端。另一方麵,由於輸入端到輸出端的信號傳遞是利用光來實現的,極間電容很小,絕緣電阻很大,因而輸出端的信號與噪聲也不會反饋到輸入端。使用光電耦合器時,應注意這種光電耦合器本身有10—30pF的分布電容,所以頻率不能太高;另外在接點輸入時,應注意加RC濾波環節,抑製接點的抖動。另外,用於低電壓時,其傳輸距離以100米以內為限、傳輸速率在10Kbps以下為宜。 
  5.2脈衝變壓器隔離   
  脈衝變壓器原付邊繞組匝數很少,分別繞製在鐵氧體磁芯的兩側,分布電容僅幾微微法,可作為脈衝信號的隔離器件。對於模擬量輸入信號,由於每點的采樣周期很短,實際上的采樣波形也為一脈衝波形,也可實現隔離作用。這種脈衝變壓器隔離方式,線路中也應加濾波環節抑製動態常模幹擾和靜態常模幹擾,這種脈衝變壓器隔離方式已被用於幾兆赫的信號電路中。   
5.3模/數變換隔離   
  模/數變換隔離電路,在自動化控製係統中常在現場就地進行模/數轉換,利用模/數轉換器將易受幹擾的模擬信號轉換為數字信號進行傳輸,在接收端在采用光電隔離,以增強其在信號傳輸過程中的抗幹擾能力。而模/數轉換器的安裝位置,怎樣才能有效地抑製幹擾,是實際應用中很具體的問題。對於在工業生產現場應用的環境中,一是可以考慮將模/數轉換器遠離生產現場,放置主控室,二是將模/數轉換器放在生產現場,遠離主控室,兩者各有利弊。   
  將模/數轉換器放置於主控室,便於把模/數轉換器產生的數字信息傳送到控製係統的處理器,而主機的控製信息傳送給模/數轉換器也很方便,因而利於轉換器的管理。但由於模/數轉換器遠離生產現場,使得模擬量傳輸線路過長,分布參數以及幹擾的影響增加,而且易引起模擬信號衰減,直接影響轉換器的工作精度和速度。將轉換器放置於生產現場,雖然可解決上述問題,但數字信息傳輸線路過長,也不便於轉換器的管理。   
  這兩種方案的主要問題還在於,在控製係統與控製對象之間存在公共地線,即使采用同軸電纜作為傳輸媒介,也會有產生現場的幹擾進入計算機中,影響整個係統的可靠穩定工作。顯然這兩種方案都不適合於在現場環境工作。為了有效的解決工業生產環境下,采用光電隔離是比較行之有效的方案。為保證模/數轉換器能可靠運行,並獲得精確的測量結果,把模/數轉換器放在靠近現場一側。為了有效抑製幹擾,采用雙套光電偶合器,使得模/數轉換器與主機之間的信息交換均經過兩次電—光—電的轉換。如圖2所示;一套光電耦合器放在模/數轉換器一側,一套光電耦合器放在主機一側。係統中有三個不同的地端,一是主機與I/O接口公用的“計算機地”,一個是傳輸長線使用的“浮空地”,另一個是模/數轉換器和被控對象公用的“現場地”。采用這種兩次光電隔離的辦法,把傳輸長線隔浮在主機與被控對象之間,不僅有效地消除了公共地線,抑製了由其引進的幹擾,而且也有利於解決長線驅動與阻抗匹配的問題這樣就保證了整個控製係統的可靠運行。

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