1 引言
防雷技术的发展是与高科技的迅猛发展紧密相关的。随着计量技术及PLC控制技术的日益成熟,供水行业多采用电磁流量计等微电子产品,雷电对其破坏更加多样,它可以导致数据信号发生错乱,也可导致芯片的直接损坏,使设备出现故障,导致供水单位流量计量损失。本文就计量系统的防雷接地进行了全面探讨和简要分析,目的是提出一套完善实用的防雷方案,使计量系统在恶劣的雷电环境下能安全运行。
2 雷电危害及防雷原理
雷击是年复一年的严重自然灾害之一。随着我国现代化建设的不断提高,通信、控制等弱电设备越来越多,规模越来越大。一方面大型电子计算机网络,程控交换机组等系统设备耐过电流、耐雷电压的水平越来越低,新设备结构与过去电子管设备有了很大区别;另一方面由于信号来源路径增多,系统较以前更容易遭受雷电波的侵入,致使雷电灾害频频发生。
2.1 雷击的分类
雷击一般分为直接雷击和感应雷击。
直接雷击——指雷电直接击在建筑物、构架、树木、动植物上,由于电效应、热效应和机械效应等混合力作用,直接摧毁建筑物,构筑物以及引起人员伤亡等。由于直击雷的电效应,有可能使微电子设备遭受浪涌过电压的危害。
感应雷击(又称二次雷击)——指雷云之间或雷云对地之间的放电而在附近的架空线路、埋地线路、金属管线或类似的传导上产生感应电压,该电压通过传导体传送至设备,间接摧毁微电子设备。感应雷击对微电子设备,特别是通讯设备和电子计算机网络系统的危害最大,据资料显示,微电子设备遭雷击损坏,80%以上是由感应雷引起的。
另外还有操作过电压,即是指当电流在导体上流动时,会产生磁场储存能量,当负载(特别是电感性大的负载)电器设备开关时,会产生瞬时过电压,操作过电压同感应雷击一样,可以间接损坏微电子设备。
2.2 雷电的危害
近些年来由于高新技术的发展,尤其是电子技术的飞速发展,推动了电子用电设备的普及和应用,其中借助计算机系统进行信息处理、数据处理、自动化控制、网络通讯、设计开发等,大大提高了人们的工作质量和效率。但先进的电子设备包括电子计算机耐受过电压、过电流的能力相对较低,同时也缺乏必要的雷害防护技术措施。
另外,在现代高新技术电子产品的生产中大量采用了大规模及超大规模的电子集成电路制造技术,当今电子设备、计算机系统的网络化程度越来越高,如通讯系统、视频、信号、工业自动化控制网络、计算机网络系统等,它们的传输线路,特别是暴露在室外的长距离输送线,以及动力电源输送线路等,都有可能遭受雷击,产生雷击过电压,并侵入设备,将设备击毁。
德国法兰克福ELELTRA保险公司的统计说明在1994年的灾害赔偿中雷击过电压损失占33.8%,为第一位(图1)。
这种雷击灾害的损失与我国近年来的情况基本相同。我国城市中的雷击电子设备损害可占雷电灾害总损失的80%以上。
2.3 雷电的划分[1]
按照IEC61312-1及GB50057-94(2000)要求,将要保护的空间划分为不同的防雷区,以规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和指明各区交界处的等电位连接点的位置。防雷区宜按以下分区:
1、LPZ OA区:直击雷非防护区,本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流;本区内的电磁场没有衰减。
2、LPZ OB区:直击雷防护区,本区内的各物体不可能遭到直接雷击,但本区内的电磁场没有衰减。
3、LPZ 1区:屏蔽防护区,本区内的各物体不可能遭到直接雷击,流经各导体的电流比LPZ OB更小;本区内的电磁场可能衰减,这取决于屏蔽措施。
4、LPZ 2区等:后续防雷区,当需要进一步减小导入的电流和电磁场时,应引入后续雷区,并按照需要保护的系统所要求的环境选择后续防雷区的要求条件。通常,防雷区的数越高,电磁环境的参数越低。
2.4 雷电对电子设备损害途径
主要有三个途径:
直击雷经过接闪器(如避雷针、避雷带、避雷网等)而直放入地,导致地网地电位上升。高电压由设备接地线引入电子设备造成地电位反击。
雷电流沿引下线入地时,在引下线周围产生磁场,引下线周围的各种金属管(线)上经感应而产生过电压。
进出大楼或机房的电源线和通信线等在大楼外受直击雷或感应雷而加载的雷电压及过电流沿线窜入,入侵电子设备。
2.5 针对此三种途径所进行的防护[2]
A、接闪与接地:大楼通过建筑物主钢筋,上端与接闪器,下端与地网连接,中间与各层均压网或环形均压带连接,对进入建筑物的各种金属管线实施均压等电位连接,具有特殊要求的各种不同地线进行等电位处理。这样就形成一个法拉第笼式接地系统。它是消除地电位反击有效的措施。
B、均压连接与屏蔽:安装均压环,同时通信电缆线槽及地线线槽需用金属屏蔽线槽,且做等电位连接。其布放应尽量远离建筑物立柱或横梁,通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能与建筑物立柱或横梁交叉。
C、分流:进入建筑物大楼的电源线和通讯线应在不同的防雷区交界处,以及终端设备的前端根据IEC61312——雷电电磁脉冲防护标准,安装上不同类别的电源类SPD以及通讯网络类SPD(SPD瞬态过电压保护器)。SPD是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手段。
3 计量系统构成[3]
电磁流量计用于测量封闭管道中导电液体和浆液的体积流量。主要由传感器和转换器组成。其测量原理是基于法拉第电磁感应定律。转换器使用16位高性能微处理器2X16字符显示选择,参数现场设定方便、具有自检和自诊断功能。其结构见图2。
4 计量系统的总体防雷设计方案
4.1 量水间的直击雷防护
计量站量水间的防雷保护主要是防止直击雷直接击在雷达上,引起雷达的损坏。对于直击雷的防护常见的有避雷针、避雷网、避雷带。选用何种直击雷防护措施要根据该建筑物所处的地理位置、当地雷击情况、建筑物的高度等进行选择。本次防护是选用在雷达顶的四周安装避雷针并做防侧击雷保护的方法进行全方面的防护．
4.2 电源、信号防雷器选型确定
本次配电系统防雷方案的设计,考虑数据信息的重量性,我们选用安装具有大流量泄流能力的防雷产品,以确保防雷工程质量。从此点出发,再综合其它各种因素考虑,防雷方案最终采用以德国菲尼克斯防雷器为主的整体防护体系来对计量站的电源部分作防雷保护。
4.3 电源系统保护
电源防雷器并联安装于线路上,因此在选择防雷器时要保证防雷器能够起到保护作用,同时还要考虑到防雷器对雷电流的通流能力,所以在防雷器的选型上应注意下列问题:
1) 对不同的供电接地系统选用不同的防雷器
2) 最大持续工作电压的选择
3) 残压的选择
4) 报警功能的选择
5) 空气开关的选择
6) 能量配合的选择
按照国际电工标准IEC61312-1技术要求,应将计量站需要保护的空间划分为不同的防雷区,以确定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和相应的防护对策。依据防雷设计原理及电源防雷器的选型原则,本方案主要采用德国PHOENIX电源防雷产品。
4.4 等电位连接
根据现场情况,实行等电位连接的主体应为:
1)、设备所在建筑物的主要金属构件和进入建筑物的金属管道
2)、供电线路含外露可导电部分
3)、防雷装置
4)、由电子设备构成的信息系统
实行等电位连接的连接体为金属连接导体和无法直接连接时而做瞬态等电位连接的电涌保护器(SPD)。
通过星型(S型结构或网形M型)结构把设备直流地以最短的距离连到邻近的等电位连接带上。小型机房宜选S型,在大型机房宜选M型结构。
机房内的电力电缆(线)、通信电缆(线)宜尽量采用屏蔽电缆。
架空电力线由终端杆引下后应更换为屏蔽电缆,进入站内前应水平直埋15m以上,埋地深度应大于0.5m,屏蔽层两端接地,非屏蔽电缆应穿镀锌铁管前水平直埋15m以上,铁管两端接地。
4.5 接地
根据GB50174-93标准要求,电子计算机机房接地装置应满足下列接地要求:
交流工作地:
在工作或事故情况下,保证电器设备可靠地运行,降低人体接触电压,迅速切除故障设备或线路、降低电器设备和输电线路的绝缘水平,接地电阻不大于4欧姆。
安全保护地:
在中性点不接地系统中,如果电器设备没有保护地,当该设备某处绝缘损坏时,外壳将带电,同时由于线路与大地间存在电容,人体触及此绝缘损坏的电器设备外壳,则电流流入人体形成通路,人将遭受触电的危险。设有接地装置后,接地电流将同时沿着接地体和人体两条通路流过,接地体电阻愈小,流过人体的电流也愈小,接地电阻极微小时,流经人体的电流可不至于造成危害,人体避免触电的危险,接地电阻不大于4欧姆。
直流工作地:
计算机以及一切微电子设备,大部分采用中、大规模集成电路,工作于较低的直流电压下,为使同一系统的电脑(计算机)、微电子设备的工作电路具有同一“电位”参考点,将所有设备的“零”电位点接于一接地装置,它可以稳定电路的电位,防止外来干扰,这称为直流工作接地。
同一系统的设备接于同一接地装置后,无论是模拟量或数字量,在进行通信或交换时,才有统一的“电位”参考点,从而给接于同一接地装置的计算机或微电子设备,提供稳定的工作电位,有效地衰减以至消除各种电磁干扰,保证数据处理或信号传递准确无误,接地电阻应按计算机系统具体要求确定。
防雷接地:
为使雷电浪涌电流泄入大地,使被保护物免遭直击雷或感应雷等浪涌过电压、过电流的危害,所有建筑物、电气设备、线路、网络等不带电金属部分,金属护套,避雷器,以及一切水、气管道等均应与防雷接地装置作金属性连接。防雷接地装置包括避雷针、带、线、网接地引下线、接地引入线、接地汇集线、接地体等。接地应接现行国标GB50057-94《建筑物防雷设计规范》执行[4]。
交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地宜共用一组接地装置,其接地电阻按其中最小值确定;若防雷接地单独设置接地装置时,其余三种接地宜共用一组接地装置,其接地电阻不大于其中最小值。可结合现场情况采用联合接地法,即计量站内所有的电源地、保护地、建筑物地、防雷地联合在一起,达不到接地要求的电阻值时采用辅助地网法降低接地电阻。
5 结束语
雷电防护措施是一项综合性工程,既要有良好的产品又要有先进的设计方案支持,配以规范的施工工艺才能使重要设备达到99%以上的安全运行时间。它是保护设备及人身安全的重要手段,是确保通信线路、设备运行不可缺少的技术环节是企业电子化建设及运行管理工作的重要组成部分。
从实际效果看,在雷电防护工程实施前,水库的流量计频繁遭受雷击,流量计转换器一个月左右烧坏了三四次,损失惨重。实施防雷保护措施后,转换器再也没有被烧坏过。
参考文献:
[1] IEC61312-1:1995《雷电电磁脉冲的防护通则》[S].
[2] GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[S].
[3] 行业标准·JB/T 9248-1999 《电磁流量计》[S].
[4] GB50057-94《建筑物防雷设计规范》[S].
作者简介:胡艳兵（1969－）,男,硕士研究生,从事水务行业自动化方向。