菲尼克斯方案.doc

中化太仓兴国有限公司防雷设计方案 - 20 -中化国际太仓PTMEG雷电防护解决方案北京伯讯时代科技有限公司2004年6月目 录第一章 前言 菲尼克斯公司简介第二章 防雷原理一、雷击的分类二、雷电防护区的划分三、雷电对电子设备损害途径四、针对此三种途径所进行的防护第三章 设计依据第四章 总体设计方案一、方案设计原则二、基本防雷保护措施三、常见雷击原因分析四、中化国际太仓兴国实业有限公司雷击情况分析五、中化国际太仓兴国实业有限公司现有防雷设施六、具体解决方案第五章 工程报价第一章 前言一、菲尼克斯公司简介德国PHOENIX CONTACT集团公司创建于1923年，现有职员近一万三千名，在全球81国家和地区设有分公司和办事处，年销售超过50亿德国马克。菲尼克斯的产品遍及所有的工业领域，取得了世界市场的领先地位。建立于ISO 9001和ISO 14001标准基础上的过程控制管理系统确保了产品的高质量。菲尼克斯是最早从事雷电电磁脉冲引起的瞬态浪涌吸收技术的企业之一。在总部Blomberg菲尼克斯全资拥有德国国家级EMC（电磁兼容）实验室，并且是欧洲联合试验室的核心成员，该实验室拥有的10/350S模拟雷电波测试能力，是世界范围内仅有不到10家同类试验室之一。该试验室拥有CE（欧盟安全认证） 和VDE(德国国家安全认证)双重认证资格。菲尼克斯公司是IEC TC-81(国际电工委员会-雷电防护专业委员会)的K成员（核心成员），并且多位专家成为TC81的执行委员，其中我公司的Dr.H.Altmaier多次担任TC-81的首席执委，先后有5个TC-81的WG（工作组）的组长为我公司的专家担任。菲尼克斯防雷产品主要的客户遍及通信领域，尤其是移动通信产品的供应商：如NOKIA、ERICSSON、ALCATEL、SIEMENS等。在世界范围内众多的GSM服务提供商，几乎全部采用了菲尼克斯的雷电防护产品。如：德国的D1、D2、E-PLUS和法国的SFR等等。1993年12月菲尼克斯在中国的子公司-原南京中德凤凰电气有限公司的成立，把享有世界级声誉的电连接技术连同世界级的服务体系一起带到了处于飞速发展中的中国。南京菲尼克斯电气有限公司先后被评为国家重点外商投资企业，江苏省重点外商投资企业，江苏省AAA级资信企业，南京市外商投资先进企业，南京市高新技术企业，南京市做出特殊贡献企业。现在南京菲尼克斯电气有限公司是德国菲尼克斯在海外的最大子公司。2001年中国公司总裁李慕松教授作为中德合作最成功的两家公司领导之一受到朱镕基总理和德国施罗德总理的会见，并出席参加2001年中德高科技论坛。2001年公司被定为国家级重点投资项目，德方增资1.5亿多元构建PHOENIX工业园，全面参与中国的现代化建设。中国国家建筑防雷标准起草人林维勇教授、以及信息产业部邮电设计院刘吉克先生等防雷界著名人士多次到公司访问和交流，并对公司的产品技术品质和服务水平给予高度赞赏。公司先后在包括清华大学、同济大学、南京大学等在内的七所著名院校设立奖学金和扶贫助学金，并与南京气象学院联合设立国内首个本科防雷专业，协助中国培养防雷专业人才，与南京大学等数所著名高校联合培养管理和自动化硕士研究生。2001年12月4日公司总裁李慕松教授到南京气象学院给防雷专业的8名优秀学子颁发“菲尼克斯防雷减灾奖学金”，再次受到中央电视台、报纸、网络媒体的强烈关注和连续报导。在中国公司的总部南京，我们有强大的技术支持队伍，同时在全国范围内拥有12个独资办事处和众多代理机构，确保提供最畅通的沟通渠道、最快速的技术支持、最完善的产品服务、最安全的售后保险。第二章 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，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。据统计，雷电对电子设备的损坏占设备损坏因素的比例高达26%，防雷过电压已成为具有时代特点的一项迫切要求。一、雷击的分类 雷击一般分为直击雷击和感应雷击。 直击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，有可能使机房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。二、雷电防护区的划分 按照IEC1312-1及GB50057-94要求，应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。各区以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征。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。在两个防雷区的界面上应将所有通过界面的金属物做等电位连接，并宜采用屏蔽措施。三、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。四、针对此三种途径所进行的防护1、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。2、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。3、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IEC1312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。第三章 设计依据依据国际电工委员会IEC标准、法国NFC标准、德国VDE标准和中国GB标准与部委颁发的设计规范的要求，大楼和大楼内之计算机房、程控机机房等设备都必须有完整完善之防浪涌保护措施，保证该系统能正常运作。这包括电源供电系统、不间断供电系统，电脑网络、卫星通信设备等装置，均应有SPD防护装置保护。设计依据包括有：1) GB50057-94（2000） 建筑物防雷设计规范2) GB50174-93 计算机机房防雷设计规范3) GB50058-1992 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范4) GB936188计算站场地安全要求5) GB18802.12002低压配电系统防雷 6) GB15599-1993 石油与石油设施雷电安全规范7) GB50074-2002 石油库设计规范8) IEC1312 雷电电磁脉冲的防护9) IEC 61643 SPD电源防雷器10) IEC61024建筑物防雷11) IEC610241建筑物防雷通则12) IEC61643接至低压配电系统的浪涌保护器第四章 总体设计方案一、方案设计原则严格按照国标、部颁标准以及相关的国际标准实施防雷工程。根据电子及电气设备的不同功能及保护程度确定防护要点，作分类保护。在做好系统防雷的基础上，达到最大节约资金的目的。二、基本防雷保护措施基本防雷保护措施主要是防止直击雷直接击在建筑物、构筑物上，造成损坏。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。三、常见雷击原因分析一般情况下，某种设备与外界的联系可分为三种（如下图），电源线、信号线及设备地线，因而，无论浪涌过电压产生的形式如何，其最终会通过这三个途径中一种或几种对设备放电，造成设备损坏。因此对于任何一个需要保护的空间内的设备，只要截断该需要保护的空间与外界浪涌过电压的途径，即可达到防护的要求。因此，设备因雷击损坏，其损坏的原因可归纳为两点：线路传导过电压及地电位反击。1）沿线路传导的过电压的防护A、线路传导过电压的形成线路传导过电压的形成可分为三种：a. 远点雷电的侵入b. 近点雷电磁场感应c. 电感、电容性负载的起动远点雷电的侵入对于存在架空线路的通信系统危害最为严重。处于建筑物内部的通信系统由于建筑物的保护，室内和建筑物近旁不可能遭受直接雷击，但若通信系统内的电力线、信号线为架空引入，则在建筑物远处可能遭受直接雷击，沿线路传导的雷电过电压就会侵入设备内部，造成设备损坏。其形成示意图如下。近点雷电磁场感应是近年通信系统设备损坏的主要途径。当建筑物遭受雷击或在建筑物近旁发生雷击时，强大的脉冲电流会在周围空间产生交变磁场(以雷电中心1.5km-2km的范围内都可产生危险的过电压)，处于磁场中的导体因此而感应出高电压，沿线路产生的过电压窜入设备，造成设备损坏。其形成过程如下。电感或电容性负载起动，即通常所说的开关操作过电压。电压在极短的时间内发生瞬变，电压时间特性曲线的陡度(du/dt)较高，形成幅值较高的脉冲电压加载在供电线路上，沿线路窜入设备，造成设备损坏。其形成原理如下图。当U0取值为24V时，适当的L与CS，加载在设备上端的脉冲电压幅值即可达4000V，这远远超过了脆弱电子设备的耐受能力。B、线路传导过电压的防护根据传导过电压形成的三种方式及其传播途径，对于通信设备其防雷保护可从两个方面进行考虑：1、 电源线路过电压防护。根据IEC防雷分区原理及电信机房的特殊性，其供电线路过电压的防护可采用三级防雷保护来实现。第一级电源防雷器一般采用通过级分类测试实验的SPD，第二级可采用限压型SPD，限压型防雷器其核心原器件为压敏电阻，压敏电阻具有通流量较大（国内外压敏电阻一般情况下其最大通流量为40KA），低残压的特点。但需要指出的，有一些代理商主张将市面上最大通流量为40KA的模块型SPD进行并连，组合成为宣称为80KA或120KA的SPD，这种作法是错误的，其实原理很简单，两片压敏电阻无论制作工艺如何，在雷电流响应时间的数量级内其响应时间是不可能相同的，其导通时只可能是一前一后，当大的雷电流到来时，先导通的模块就可能会因雷击而损坏。因此简单的把两块模块并联，取两块压敏电阻的通流量之和作为并联后的压敏电阻的通流量是不科学没有根据的。2、 通信线路过电压防护为达到对设备的有效保护，依据IEC防雷分区原理信号部分也可采用多级保护方式将雷电流幅值降到设备耐受能力范围内。在LPZ0与LPZ1的交界处进行粗级防雷保护；在LPZ1与LPZ2的交界处，采用精细保护防雷器。一般情况下，许多通信机房内设备布线都紧靠着建筑物立柱或机架布放，由电磁感应在通信导线上所产生雷电过电压，远远超过了通信设备的耐压能力。根据IEEE STD1100-1992标准说明，一根25mm2铜导线在磁场中的电阻及电抗如下：长度(m)L（H）(1MHZ)1MHZ10MHZ100MHZRXLRXLRXL340.05250.152500.52.56100.1570.35701.012.612200.21260.61.262.019.518310.31950.91.953.019.530550.53461.51.465.03.45从雷电流波形可知雷电流的峰值大多位于10MHZ以下，则从上表可知当导线长约3米时，25mm2导线的电抗约为250欧姆，另外导线线径越小其电阻越大，因此当一长度较长的铜导线位于磁场中时，前级防雷保护器泄流后的残压和线阻抗所产生的压降足以对后级设备造成损坏，因此对于那些耐脉冲能力较差的重要设备，导线长度超过3米时，需考虑再加装一级防雷器。2）地电位反击根据GB50057-94（2000版）第6.3.4条“全部的雷电流的50%流入建筑物防雷装置的接地装置，其另50%分配于引入建筑物的各种外来导电物、电力线、通信线等设备”。电流分配图如下：从图中可以看出当建物遭受雷击时，约有50%的雷电流通过建筑物的地网泄入大地，另外约有50%的雷电流通过与等电位连接带相连的接地导线进入设备，因此当雷击发生时，地网电位被抬升，与汇流排相连的设备外壳的地电位也随之升高，进入设备通信线的低电位与机架或地线之间的高电位存在高电位差而发生反击放电，从而使电子设备损坏（地电位反击过程见下图）。四、中化国际太仓兴国实业有限公司雷击情况分析中化国际太仓兴国实业有限公司地处江苏太仓市港口，位于长江之滨，属土壤电阻率突变地段。根据雷电形成过程可知，其闪击存在很强的随机性，这种随机是指雷云在形成的过程中，没有固定的目标，受气候影响很大，在云层漂浮不定，因而在其积聚电荷形成闪击的过程中具有很大的随机性。但当雷电先导下行放电的瞬间，是具有选择性的。高楼、旷野处相对孤立的建筑物、河床、湖泊、沼泽地、山地与平原交界处、高压架空线地区、金属结构集中区、有金属矿藏的山地等土壤电阻率较小或土壤电阻率突变地段由于易于积聚电荷，与雷云形成较强电场，改变了雷电先导的发展方向，因而成为雷电经常袭击的目标。由于中化国际太仓兴国实业有限公司属新建企业， 现场几乎没有任何防雷设备，加上其客观的地理环境（参考上海市气象局的统计资料，其年平均雷爆日数约为32.2天左右，属中雷区，每年每平方公里雷击次数Ng=0.024Td约为2次），因此有必要进行全面的防雷击保护。五、中化国际太仓兴国实业有限公司现有防雷设施从现场勘察的结果来看，该公司正在进行处于现场安装建设阶段， 现阶段几乎没采取任何防雷措施， 但根据相关标准及现场情况， 防雷措施可分为下面几个部分：1外部防雷措施2接地等电位措施3内部防雷电感应措施下面的解决方案主要是从这三方面入手。六、具体解决方案1外部防直击雷和外部等电位连接该工程由设计院设计， 据设计院介绍， 外部防雷已相关标准， 设计得相当完善， 这里就不予考虑， 因此其防雷措施重点就是内部防雷电感应措施。2、内部防雷控制室内的核心设备是DCS, 因此防雷保护可围绕DCS进行， 同时根据现场情况，可将防雷保护分为三个部分， 据此可作出控制室防雷保护方案如下图：a、 在控制室UPS前安装德国FLT 100/3-400/FM主动能量控制防雷器，即可一、二级防雷保护的要求，该类型防雷产品具有如下优势。（产品外形及技术参数见表1）一、 响应速度快，系统响应速度为25纳秒以下。二、 残压低，相对零，零对地分别降到900V和1500V以下。三、 具有热容和过流保护功能，通过远程报警接口可提供远程监控。四、 具有老化损坏告警功能，通过远程报警接口可提供远程监控。五、 紧凑设计，节省安装空间。六、 不受导线解耦距离限制。七、 不受工作电流限制。八、 节省能源，无须使用解耦器，不在产生因电感线圈带来的热耗散。项目型号技术参数FLT 100/3-400/FM标称电压UN230V/400V最大持续工作电压UC260V/440V通流量 Iimp155KA响应时间 ta25ns保护水平(8/20)0.9KVIP等级IP20阻燃等级V0表1b、 对于DCS控制柜及计算机电源采用德国PHOENIX防雷器PT2-PE/S-230AC对其电源进行保护，以防止沿线路传导的感应浪涌过电压毁坏设备。产品外形及技术参数见表3：项目型号技术参数PT2-PE/S-230AC标称电压UN230V最大持续工作电压UC253V标称通流量 In3KA最大涌流量Imax10KA响应时间 ta25ns保护水平(8/20)1.1KVIP等级IP20阻燃等级V0表2c、 DCS的I/O模块信号线的防雷保护采用德国PHON