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弱电设备的雷电危害分析及保护

发布时间:2008-07-29

1.概述     
随着科技的不断发展,人类已步入信息社会,计算机网络技术的普及越来越多的办公大楼、写字楼、医院、银行、宾馆等建筑离不开综合布线系统。配置综合布线系统,犹如为建筑物建立了一个高速,大容量的信息传送平台,为建筑智能化提供了快速的信息通道。计算机、程控交换机、CATV等微电子设备日益增多,而微电子器件承受雷电电磁脉冲能力较差,因此,雷害事故不断发生。我国每年因雷击破坏建筑物内计算机网络系统的事件时有发生,所造成的损失是非常巨大的。因此综合布线系统的防雷设计就显得尤其重要。 
  我们知道雷电入侵电器设备的形式有两种:直击雷和感应雷。雷电直接击中线路并经过电器设备入地的雷击过电流称为直击雷;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,过电流形成的雷击称为感应雷。 
  目前,在建筑物防雷系统设计上,是执行的国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-  94,设计由避雷网(带),避雷针或混合组成的接闪器,立柱基础的钢筋网与钢屋架,屋面板钢筋等构成一个整体,避雷网通过全部立柱基础的钢筋作为接地体,将强大的雷电流入大地。计算机系统安置在建筑物内,受建筑物防雷系统保护,直击雷击中计算机网络系统的可能性非常小,计算机设备抗直击雷能力很低,防护设备非常昂贵,通常不必安装防护直击雷的设备,而计算机网络必须防感应雷和雷电浪涌电压。 
2.干扰途径与耦合机制   
产生干扰必须具备三个条件:干扰源、干扰通道、易受干扰设备。   
  干扰源分为内部和外部。内部主要是装置原理和产品质量等。外部主要由使用条件和环境因素决定,如工作电源直流回路受开关操作和天气影响等而引起的浪涌电压,强电场或强磁场以及电磁波辐射等。   
  干扰通道有传导耦合、公共阻抗耦合和电磁耦合三种。外部主要通过分布电容的电磁耦合传到内部;内部则三种均有。   
  由于设备采用的敏感元件的选用和结构布局等不尽合理,造成本身抗干扰能力差,  对干扰加以抑制,降低其幅度,减少其影响力,这是从外部环境上加以改善。  

 
  2.1干扰途径  

 
  感应雷可由静电感应产生,也可由电磁感应产生,形成感应雷电压的机率很高,对建筑物内的弱电设备威胁巨大,计算机网络系统及电话程控交换机的防雷工作重点是防止感应雷入侵。入侵计算机网络系统的雷电过电压过电流主要有以下三个途径: 
  2.1.1由交流电220V电源供电线路入侵;计算机系统的电源由电力线路输入室内,电力线路可能遭受直击雷和感应雷。直击雷击中高压电力线路,经过变压器耦合到220伏低压,入侵计算机供电设备;另外低压线路也可能被直击雷击中或感应雷过电压。在220伏电源线上出现的雷电过电压平均可达10000伏,对计算机网络系统可造成毁灭性打击。电源干扰复杂性中众多原因之一就是包含着众多的可变因素,电源干扰可以以"共模"或"差模"方式存在。"共模"干扰是指电源线与大地,或中性线与大地之间的电位差。"差模"干扰存在于电源相线与中性线之间。对三相电源来讲,还存在于相线与相线之间。电源干扰复杂性中的第二个原因是干扰情况可以从持续周期很短暂的尖峰干扰到全失电之间的变化。 
  电源干扰的类型见表一:  表一  序号  干扰的类型  典型的起因  1  跌落  雷击,重载接通,电网电压低下  2  失电  恶劣的气候,变压器故障,其他原因的缘故  3  频率偏移  发电机不稳定,区域性电网故障  4  电气燥声  雷达,无线电信号。电力公司和工业设备的飞狐,转换器和逆变器  5  浪涌  忽然减轻负载,变压器的抽头不恰当  6  谐波失真  整流,开关负载。开关型电源,调速驱动  7  瞬变  雷击,电源线负载设备的切换,功率因数补偿电容的切换,空载电动机的断开 
  电源干扰进入设备的途径;一是电磁耦合;二是电容耦合;三是直接进入三种。 
  2.1.2由计算机通信线路入侵;可分为三种情况:   
  (1)  当地面突出物遭直击雷打击时,强雷电压将邻近土壤击穿,雷电流直接入侵到电缆外皮,进而击穿外皮,使高压入侵线路。   
  (2)  雷云对地面放电时,在线路上感应出上千伏的过电压,击坏与线路相连的电器设备,通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播,涉及面广,危害范围大。   
  (3)若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时,当某一导线被雷电击中时,会在相邻的导线感应出过电压,击坏低压电子设备。 
  2.1.3地电位反击电压通过接地体入侵;雷击时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地,在接地体附近放射型的电位分布,若有连接电子设备的其他接地体靠近时,即产生高压地电位反击,入侵电压可高达数万伏。建筑物防直击雷的避雷引入了强大的雷电流通过引下线入地,在附近空间产生强大的电磁场变化,会在相邻的导线(包括电源线和信号线)上感应出雷电过电压,因此建筑物避雷系统不但不能保护计算机,反而可能引入了雷电。计算机网络系统等设备的集成电线芯片耐压能力很弱,通常在  100伏以下,因此必须建立多层次的计算机防雷系统,层层防护,确保计算机特别是计算机网络系统的安全。   
  2.2耦合机制   
  雷电冲击影响微电子设备构成系统的耦合机制有下面几种。     
  2.2.1电阻耦合;雷电放电将使受影响的物体相对于远端地的电位上升高达几百千伏,地电位升高形成的电流将分布到设备的金属部分。如连接到系统参考点数据线和电源电线。电缆屏蔽层的电流在屏蔽层与芯线之间引起过电压,其数值与传输阻抗成正比例。   
  2.2.2磁耦合;在导体上流通的或处在雷电通道的雷电流会产生磁场,在几百米范围内,可以认为磁场的时间变化率与雷电电流时间变化率相同。然而,磁场经常被建筑材料和周围的物体所衰减和改变。磁场的变化会在室内外电缆设备上产生感应电流和电压。   
  2.2.3电耦合;雷电通道下端的电荷会在附近产生一个很强的电场,它对鞭状天线设备有影响,而对于建筑物内部电场干扰一般可以忽略。     
  2.2.4电磁耦合;远距离雷电放电产生的电磁场会在大范围的数据传输网上感应出过电压,这种干扰会传导到接口上,但这种情况下,直接辐射的电磁场很难对建筑物或机柜内的微电子设备造成破坏。   

3.弱电设备防雷措施   

按照防护范围可将弱电设备的防雷措施分为两类,外部防护和内部防护。外部防护是指对安装弱电设备的建筑物本体的安全防护,可采用避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等措施,这种防护措施人们比较重视、比较常见,相对来说比较完善。内部防护是指在建筑物内部弱电设备对过电压(雷电或电源系统内部过电压)的防护,其措施有:等电位联结、屏蔽、保护隔离、合理布线和设置过电压保护器等措施,这种措施相对来说是比较新的办法,也不够完善,针对弱电设备防雷的特性机理,对雷电浪涌及地电位差的防护进行探讨。 
  3.1弱电设备的外部防护     
  弱电设备的外部防护首先是使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引入大地;其次是在将雷电流引入大地的时候尽量将雷电流分流,避免造成过电压危害设备;第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉第笼,起到一定的屏蔽作用,如果建筑物中的设备是低压电子逻辑系统、遥控、小功率信号电路的电器,则需要加装专门的屏蔽网,在整个屋面组成不大于5m-5m,6m-4m的网格,所有均压环采用避雷带等电位连接;第四是建筑物各点的电位均衡,避免由于电位差危害设备;第五是保障建筑物有良好的接地,降低雷击建筑物时接点电位损坏设备。 
  3.2弱电设备的内部保护     
  从EMC(电磁兼容)的观点来看,防雷保护由外到内应划分为多级保护区。最外层为0级,是直接雷击区域,危险性最高,主要是由外部(建筑)防雷系统保护,越往里则危险程度越低。保护区的界面划分主要通过防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成,从0级保护区到最内层保护区,必须实行分层多级保护,从而将过电压降到设备能承受的水平。一般而言,雷电流经传统避雷装置后约有50%是直接泄入大地,还有50%将平均流入各电气通道(如电源线,信号线和金属管道等)。   
  随着微电子设备的大规模使用,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微电子设备构成的网络系统对安全提出的要求。应从单纯一维防护转为三维防护,包括:防直击雷,防感应雷电波侵入,防雷电电磁感应,防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑。   
  多级分级(类)保护原则:即根据电气、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保护要点作分类保护;根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。 
3.3电源部分防护     
  弱电设备的电源雷电侵害主要是通过线路侵入。高压部分有专用高压避雷装置,电力传输线把对地的电压限制到小于6000V(IEEEEC62.41),而线对线则无法控制。所以,对380V低压线路应进行过电压保护,按国家规范应有三部分:建议在高压变压器后端到二次低压设备的总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器或保护器,作一级保护;在二次低压设备的总配电盘至二次低压设备的配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器保护器,作二级保护;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或保护器,作为三级保护。目的是用分流(限幅)技术即采用高吸收能量的分流设备(避雷器)将雷电过电压(脉冲)能量分流泄入大地,达到保护目的,所以,分流(限幅)技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系网络保护的关键,因此,选择合格优良的避雷器或保护器至关重要。 
  3.4信号部分保护     
  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。   

4.综合浪涌保护系统组合   

4.1.三级保护   
  对于自动化控制系统的所需的浪涌保护应在系统设计中进行综合考虑,针对自动化控制装置的特性,应用于该系统的浪涌保护器基本上可以分为三级,对于自动化控制系统的供电设备来说,需要雷击电流放电器、过压放电器以及终端设备保护器。数据通信和测控技术的接口电路,比各终端的供电系统电路显然要灵敏得多,所以必须对数据接口电路进行细保护。   
  自动化装置的供电设备的第一级保护采用的是雷击电流放电器,它们不是安装在建筑物的进口处,就是在总配电箱里。为保证后续设备不承受的剩余残压太高,所以必须根据对保护范围的性质,安装第二级保护。在下级配电设施中安装过电压放电器,作为二级保护措施,作为第三级保护是为了保护仪器设备,采取的方法是,把过电压放电器直接安装在仪器的前端。自动化控制系统三级保护布置如图1所示;在不同等级的放电器之间,必须遵守导线的最小长度规定。供电系统中雷击电流放电器与过压放电器之间的距离不得小于10米,过压放电器同仪器设备保护装置之间的导线距离则不应低于5米。    
   4.2.三级保护器件 
  4.2.1.充有惰性气体的过电压放电器,是自动化控制系统中应用较广泛的一级浪涌保护器件。充有惰性气体过电压放电器,一般构造的这类放电器可以排放20千安(8/20)微秒或者2.5千安(10/350)微秒以内的瞬变电流。气体放电器的响应时间处于毫微秒范围,其被广泛的应用于远程通信范畴。该器件的一个缺点是它的触发特性与时间相关,其上升时间的瞬变量同触发特性曲线在几乎与时间轴平行的范围里相交。因此保护电平将同气体放电器额定电压相近。而特别快的瞬变量将同触发曲线在十倍于气体放电器额定电压的工作点相交,也就是说,如果某个气体放电器的最小额定电压90伏,那么线路中剩余的残压可高达900伏。它的另一个缺点是可能会产生后续电流。在气体放电器被触发的情况下,尤其是在阻抗低、电压超过24伏的电路中会出现下列情况:即原来希望维持几个毫秒的短路状态,会因为该气体放电器继续保持下去,由此引起的后果可能是该放电器在几分之一秒的时间内爆碎。所以在应用气体放电器的过电压保护电路中应该串联一个熔断器,使得这种电路中的电流很快地被中断。 
  4.2.2.压敏电阻,压敏电阻被广泛作为系统中的二级保护器件,因压敏电阻在毫微秒时间范围内具有更快的响应时间,不会产生后续电流的问题。在测控设备的保护电路中,压敏电阻可以用于放电电流为2.5KA—5KA(8/20)微秒的中级保护装置。压敏电阻的缺点是老化和较高的电容问题,老化是指压敏电阻中二极管的P-N部分,在通常过载情况下,P-N结会造成短路,其漏电流将因此而增大,其值的大小取决于承载的频繁程度。其应用于灵敏的测量电路中将造成测量失真,并且器件易发热。压敏电阻大电容问题使它在许多场合不能应用于高频信息传输线路,这些电容将同导线的电感一起形成低通环节,从而对信号产生严重的阻尼作用。不过,在30千赫兹以下的频率范围内,这一阻尼作用是可以忽略。 
4.2.3.抑制二极管,抑制二极管一般用于高灵敏的电子回路,其响应时间可达微微秒级,而器件的限压值可达额定电压的1.8倍。其主要缺点是电流负荷能力很弱、电容相对较高,器件自身的电容随着器件额定电压变化,即器件额定电压越低,电容则越大,这个电容也会同相连的导线中的电感构成低通环节,而对数据传输产生阻尼作用,阻尼程度与电路中的信号频率相关。 

5.过程通道抗干扰设计   

由自动化装置构成控制系统中必须妥善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。接口与过程通道是自动化装置和外部设备、被控对象进行信息交换的渠道,对于接口和过程通道侵入的干扰主要是因公共地线所引起,其次,在信号微弱和传输线路较长时还会受到静电和电磁波的干扰。目前在自动化控制系统中,对于数字输入信号,大部分都利用光电隔离器,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。对于模拟量输入信号,则许多场合下采用调制—解调式隔离放大器、运算放大器等,模拟量输出信号隔离则可采用直流电压隔离法及变换隔离法等。   
  5.1光电耦合技术   
  光电偶合器件是利用光传递信息的,它是由输入端的发光元件和输出端的受光元件组成,输入与输出在电气上是完全隔离的。其体积小、使用简便,可视现场干扰情况的不同,可以组成各种不同的线路对共模和长模干扰进行抑制。   
  5.1.1应用于输入输出的隔离。光电耦合器用在输入、输出间隔离情况下,线路是很简单的,由于避免形成地环路,而输入与输出的接地点也可以任意选择。这种隔离的作用不仅可以用在数字电路中,也可以用在线性(模拟)电路中。 
  5.1.2用于消除与抑制噪声  光电耦合器用于消除噪声是从两个方面体现的:一方面是使输入端的噪声不传递给输出端,只是把有用信号传送到输出端。另一方面,由于输入端到输出端的信号传递是利用光来实现的,极间电容很小,绝缘电阻很大,因而输出端的信号与噪声也不会反馈到输入端。使用光电耦合器时,应注意这种光电耦合器本身有10—30pF的分布电容,所以频率不能太高;另外在接点输入时,应注意加RC滤波环节,抑制接点的抖动。另外,用于低电压时,其传输距离以100米以内为限、传输速率在10Kbps以下为宜。 
  5.2脉冲变压器隔离   
  脉冲变压器原付边绕组匝数很少,分别绕制在铁氧体磁芯的两侧,分布电容仅几微微法,可作为脉冲信号的隔离器件。对于模拟量输入信号,由于每点的采样周期很短,实际上的采样波形也为一脉冲波形,也可实现隔离作用。这种脉冲变压器隔离方式,线路中也应加滤波环节抑制动态常模干扰和静态常模干扰,这种脉冲变压器隔离方式已被用于几兆赫的信号电路中。   
5.3模/数变换隔离   
  模/数变换隔离电路,在自动化控制系统中常在现场就地进行模/数转换,利用模/数转换器将易受干扰的模拟信号转换为数字信号进行传输,在接收端在采用光电隔离,以增强其在信号传输过程中的抗干扰能力。而模/数转换器的安装位置,怎样才能有效地抑制干扰,是实际应用中很具体的问题。对于在工业生产现场应用的环境中,一是可以考虑将模/数转换器远离生产现场,放置主控室,二是将模/数转换器放在生产现场,远离主控室,两者各有利弊。   
  将模/数转换器放置于主控室,便于把模/数转换器产生的数字信息传送到控制系统的处理器,而主机的控制信息传送给模/数转换器也很方便,因而利于转换器的管理。但由于模/数转换器远离生产现场,使得模拟量传输线路过长,分布参数以及干扰的影响增加,而且易引起模拟信号衰减,直接影响转换器的工作精度和速度。将转换器放置于生产现场,虽然可解决上述问题,但数字信息传输线路过长,也不便于转换器的管理。   
  这两种方案的主要问题还在于,在控制系统与控制对象之间存在公共地线,即使采用同轴电缆作为传输媒介,也会有产生现场的干扰进入计算机中,影响整个系统的可靠稳定工作。显然这两种方案都不适合于在现场环境工作。为了有效的解决工业生产环境下,采用光电隔离是比较行之有效的方案。为保证模/数转换器能可靠运行,并获得精确的测量结果,把模/数转换器放在靠近现场一侧。为了有效抑制干扰,采用双套光电偶合器,使得模/数转换器与主机之间的信息交换均经过两次电—光—电的转换。如图2所示;一套光电耦合器放在模/数转换器一侧,一套光电耦合器放在主机一侧。系统中有三个不同的地端,一是主机与I/O接口公用的“计算机地”,一个是传输长线使用的“浮空地”,另一个是模/数转换器和被控对象公用的“现场地”。采用这种两次光电隔离的办法,把传输长线隔浮在主机与被控对象之间,不仅有效地消除了公共地线,抑制了由其引进的干扰,而且也有利于解决长线驱动与阻抗匹配的问题这样就保证了整个控制系统的可靠运行。

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