【doc】弱电系统雷电及过电压防护探讨

1、弱电系统雷电及过电压防护探讨2005年第3期总第109期冶金动力metai.i,urgicalpower19弱电系统雷电及过电压防护探讨陈卫(温州市电业局,浙江温州325000)【摘要】通过对防雷对象,雷击环境与雷击隐患的分析,提出了弱电防雷系统不仅需要外部的防雷设施,更需要雷电的过电压防护的观点,并以温州电业局大楼和变电所为例,进行了过电压防护措施的探讨.【关键字】雷电;过电压;探讨【中图分类号】tm86【文献标识码】b【文章编号】1006-6764(2005)03-0019-05discussiononlightningprotectionovervoltageprotectionofli

2、ghtcurrentsystem.chenwei(wenzhoupoweradministrationbuolt,wenzhou,zhejia325000,china)【abstract】basedonanalysisoflightningprotectiveobjectslightningenvironmentandlightninghiddentroubles,itthoughtthatthelightningprotectionsystemofthelightcurrentsystemneedednotonlyouterlightningfacilitiesbutalsoneededov

3、ervoltageprotectionoflightning.takingforexamplethewenzhoupoweradministrationbureauandsubstation,theprecautionarymeasuresofovervoltagewerediscussed.【keywords】lightning;overvoltage;discussion1概述温州属于多雷地区.雷电事故经常发生.如2004年7月温州泰顺县有两人在山腰凉亭遭雷击死亡.温州空管站的二次雷达天线和温州机场的一个变压器曾遭雷击毁坏.瑞安杨家桥看守所监控系统遭雷击造成瘫痪等.温州电业局大楼共有22层

4、,位于锦绣路城南立交桥的东南角.北临汇昌河.是区域范围内的最高建筑,是集电力通信调度系统,楼字自动化控制系统,办公自动化系统和计算机网络通信系统于一身的智能化大厦.局系统所属110kv等级以上的近70座变电所大多位于宽阔的田野或山脚下.是温州电力系统现代化管理和运行安全性的重要环节,因此,温州电业局大楼及各变电所的弱电系统的防雷工作至关重要.现代的电子设备与计算机系统,属于耐压等级低,防干扰要求高的弱电设备,极易被雷电过电压损坏.建筑物受到雷击时普通防雷保护的避雷装置引入了强大的雷电流通过引下线入地,在附近空间产生了强大的电磁场变化,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,这时

5、普通建筑物防雷系统不但不能保护这些电子设备与计算机系统,反而可能会引入雷击电磁脉冲.当雷电等引起的过电压和伴随的电磁场强度达到某一阀值时,轻则引起系统失灵(误动,信息丢失,特性变坏,运行不稳定等).重则导致整个电子系统或其元器件永久性损坏.尽管雷电直接击中大楼信息系统设备的可能性不大.但是雷击建筑物,附近大地,交流供电线路或空中雷云放电时直接形成的.或者由于静电感应,电磁感应形成的冲击过电压过电流.都有可能通过与之相连的电源皿,信号传输线或接地系统.通过各种接口,以传导,耦合,辐射等形式,侵入电子系统(设备)酿成严重事故.在雷击中心1.5km一2km范围内都可能产生危险过电压.损害线路上的设备

6、.产生浪涌过电压的另一原因是工业过电压或操作过电压(如开关中央电源,操作保险丝和断路器等).实际调查统计表明:雷电其中又以感应雷击为信息系统事故的主要原因.雷电及过电压已经成为电子化时代的一大公害.因此,大楼信息系统仅有外部防雷系统(避雷冶金动力merai.i.urgicalp(旺ir2005年第3期总第lo9期针,引下线和接地系统)是不够的,还必须实行雷电过电压防护.且成为一个越来越重要的课题摆在我们面前.现根据有关规范标准和要求.结合对现场的勘测.运用现代防雷技术对温州电业局大楼及变电所进行雷电过电压防护方案的设计.2防雷对象,雷击环境与雷击隐患2.1防雷对象温州电业局大楼中心机房弱电系统

7、,计算机网络系统.各变电所远动信号系统.2.2雷击环境根据当地历年气象资料的统计.温州地区的年平均雷暴日为50天左右.最多的年份为85天.最少的年份为32天;其中文成年平均雷暴日为57.9天.泰顺年平均雷暴日为64.9天.是温州地区雷暴日最多的县.30年平均初雷日为2月17日.终雷日为10月11日.初雷日最早为1月13日.最迟是4月18日.终雷日最早为9月9日.最迟为12月25日.也就是说.温州的一年四季均有可能出现雷暴天气,最集中为39月.温州电业局大楼为温州市高层建筑之一.大楼按第2类防雷建筑物智能化建筑设计,建造,其雷击概率远大于市区的普通建筑物.2.3雷击隐患由于温州地区的年平均雷暴日

8、为50天左右.属雷电高发自然环境区域.根据对现场勘察来看,温州电业局大楼内弱电设备的供电线路,电气,电子设备尚无安装防雷装置.局大楼中心机房未敷设等电位连接体.存在不安全因素.3弱电系统过电压防护的设计3.1现代防雷技术要点现代防雷技术强调全方位防护,综合治理,层层设防.信息系统(国际电工委员会标准将各种类型的电子系统.如计算机,大楼设备,工业和商业自动化控制系统等归纳为信息系统)的防雷及过电压保护是一种系统工程.必须贯彻整体防护思想.综合运用分流(泄流),均压(等电位),屏蔽,接地和保护(箝位)等各项技术,构成一个完整的防护体系.才能取得明显的效果.分流(泄流):是对于可能出现的直击雷.要做

9、好建筑防雷.靠接闪器经引下线和接地装置.或通过电连接和接地良好的金属构架.将雷电流分流流散入地.而不流过被保护设备和部件;雷电流通过的部分阻抗要低,流散要好.以降低电位,避免引起对系统设备的反击.均压(等电位):是指对于同一楼层同一部位的不同的电缆外皮,设备外壳,金属构架(构件),管道做好电气搭接.以均衡电位.屏蔽:是采用屏蔽电缆.利用各种人工的屏蔽箱盒,法拉第屏蔽笼等和各种可以利用的自然屏蔽体来阻挡,衰减施加在系统设备上的过电压能量.接地:是指将所有金属构架(构件),管道,电缆金属屏蔽层,穿线铁管连在一起.与屏蔽笼及总接地网就近连接;计算机网络系统设备的防雷接地,工作接地,保护接地宜采用共地

10、方式;或者计算机的逻辑接地采用引外接地.为防反击再将其与主接地网暂态共地.(箝位)保护:是在电源线,信号线,接地线等过电压可能侵入的所有端口.装设必要的浪涌过电压保护装置:在网络系统引出的信号线,电源线上装设多级保护.包括粗保护和细保护,将侵入网络系统的冲击过电压箝制到设备耐压允许的水平.雷电过电压保护的基本原理是在瞬态过电压的极短时间内.在被保护区域内的所有导电部件之间建立一个等电位.这种导电部件包括了供电系统的有源线路和信号传输线.也就是说为了保证信息系统免遭雷击.要在极短的时间内.将高达数倍于10ka的雷电流从电源传输线和信号传输线分流或传导入地.组成雷电防护的外部防雷,内部防雷和过电压

11、保护三大部分是相互配合,各行其责,缺一不可的.如图1接闪器雷电及过电压防护外部防雷ii内部防雷il誓ii蓥ll蓁iliec61024系列gb5oo7-94过电压保护(信息系统及电子设备,电气设备)疆护gb50057-94iec61312系列iec60364一(4.5)系列图1雷电防护系统图3.2防雷区llpz)的划分20o5年第3期总第109期冶金动力mfrai.lurgicalpiver213.2.1划分原则为了更好地运用各种防雷措施(器件),合理地分配各自承担的雷电能量,iec(国际电工委员会)标准将需要保护的空间按雷电电磁脉冲严酷程度分为不同层次的防雷区.进而对于在各防雷区的入口处进行等

12、电位连接和电涌保护器配置提出要求.划分防雷区的概念是弱电系统防雷重要概念.防雷区划分方法如下:lpzo区:本区内的各物体都可能遭到雷击和导走全部雷电流;本区内的电磁场强度没有衰减.lpzo区:本区内的各物体不可能遭到大于所选球珠半径对应的雷电流直接雷击.但本区内的电磁场强度没有衰减.lpz1区:本区内的各物体不可能遭到雷击.流经各导体的电流比lpzo区更小;本区内的电磁场强度可能衰减.这取决于屏蔽措施.lpz后续防雷区:当需要进一步减小流入的电流和电磁场强度时.应增设后续防雷区.并按照需要保护的对象所要求的环境区选择后续防雷区的要求条件f注:n=l,21.保护措施的制定首先要查明所有需要保护的

13、电子设备和保护区,以及对设备所需保护的等级水平进行评估,然后选择合适的保护装置,建立一个电位补偿系统并确定正确的安装布线地点.3.2.2弱电系统防雷区(lrz)的划分根据gb5005794(建筑物防雷设计规范,温州电业局大楼按一般原则确定具体防雷区,(1)引入大楼l9层,变电所总配电间的供电线路处于lpzo和lpz1区交界处;(2)引入各楼层配电箱,机房及变电所远动设备用电的电源柜处于u)z1和lpz2区交界处3.3弱电系统设备的分类参考中华人民共和国通信行业标准yd507898的规定根据设备安装地点条件和额定工作电压的不同,通信工程电源系统设备按耐雷电冲击指标可分为5类,具体如图2.3.4系

14、统(设备)耐雷电冲击值见表l.3.5弱电系统过电压防护措施弱电系统对雷电的敏感性和雷害途径的多样性决定弱电系统的防雷措施必须是综合性的.不同防雷措施所对应的雷害途径如下:(1)接闪器(避雷针,网,带):防直击雷;(2)引下线和接地装置:引下雷电流,防止反击;蓁蓁备用发电机_市电油机转换屏-_一低压配电屏机架电源通信设备机架l电源il类通信l设备i图2通信电源系统设备分类表1系统(设备)耐霄电冲击值混合雷电冲击波类额定电压模拟雷电压模拟雷电压别设备名称冲击波电压冲击波电流峰值,kv峰值/ka(1i2150)(8,2o)电力变压器l0ooo75205交流稳压器66006020市电油机转换屏220,

15、38o63交流配电屏4低压配电屏220,38o42备用发电机整流器3交流不问断电i(ups)220,38o2.51.252直流配电屏直流一24v.-48v或一60v1.5o.75通信设备机架电源交220,38o流人口(由ups供电)dc/ac逆变器ldc,ac变换器直流一24v.通信设备机架直流电_48v或_6ovo.5o.25源人口(3)等电位连接:防止反击;(4)屏蔽:削弱感应;(5)电涌保护器:也是一种等电位连接,降低反击的危害,限制侵入波,在端口上限制感应电压的侵入.这些组成了弱电系统防雷全方位,多层次的防雷措施,各种措施是紧密配合,不可分割的.雷电波入侵建筑物的形式有两种.一种是直击

16、雷,另一种是感应雷.一般来说,直击雷击中大楼内和变电所内的电子设备的可能性很小.感应雷入侵电子设备及计算机系统主要有以下3条途径:a.雷电的地电位反击电压通过接地体入侵:b.由供电电源线路入侵:c.由信号线路入侵.l1直流配电屏一i=:.整流器一ti_.1啪.=un一交流配电屏.t-冶金动力mfrai.lurg1calp(旺ir200s年第3期总第109期不管通过哪种形式,哪种途径入侵,都会使电子设备及计算机系统受到不同程度的损坏或严重干扰.(1)供电线路过电压防护措施根据gb50057-94建筑物防雷设计规范第6.4.4条规定:电涌保护器必须能承受预期通过它们的雷电流.并应符合以下两个附加要

17、求:通过电涌时的最大箝压.有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流.在建筑物进线处和其他防雷区界面处的最大电涌电压.即电涌保护器的最大箝压加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致.为使最大电涌电压足够低,其两端的引线应做到最短.同时电源第1级电涌保护器应符合规范第6.4.7条所要求的在lpzo或lpzob区与lpz1区交界处,在从室外引来的线路上安装的spd.应选用符合i级分类试验的产品.10/350s雷电流幅值,其标称放电电流不宜小于15ka的规定.规范第6.4.9条中还要求:若第一级spd的电压保护水平加上其两端引线的感应电压保护不了该配电盘内的设备

18、,应在该盘内安装第二级spd(8,2os测试波).另外.雷电流主要是由首次雷击电流和后续雷击电流所组成.因此,雷电过电压的保护必须考虑到如何抑制(或分流)首次雷击电流和后续雷击电流.在设计供电线路雷电过电压保护方案采取多级保护措施的同时,还必须考虑各级之间的能量配合和解耦措施.spd的保护效果评估根据gb5005794建筑物防雷设计规范第6.4.8条规定:当被保护设备沿线路距浪涌保护器(spd)不大于10m时,若该spd的电压保护水平加上其两端引线的感应电压小于被保护设备耐压水平的80%(当无法获得设备的耐冲击电压时,按表1考虑),一般情况在被保护设备处可不装spd.gb5005794建筑物防

19、雷设计规范)(2000修订版)第6.4.11条的规定电压开关型spd与限压型spd之间的线路长度不宜小于10m.限压型spd之间的线路长度不宜小于5m.若电源第一级电涌保护器和电源第二级电涌保护器级间的安装距离不足15m.一般的解决方案是在两级之间串联退耦器来感应补充导体的长度,以组成有效配合.达到理想效果.但当串联的退耦器不能满足供电线路的额定电流时,则需考虑使用能单独地解决电源防雷b,c级,又能满足技术指标达到保护效果的复合式电涌保护器.(2)信号线路过电压防护措施参考qx4-2000气象台(站)防雷技术规范9.3.1条的规定信号线指电话线,x.25,ddn,专线等与外界通信的物理链路和计

20、算机经常使用的网线,使用双绞线(屏蔽与非屏蔽),粗缆和含金属部件的光缆时.均宜选用spd进行电涌保护.9.4.1条规定电台和各类收,发信号天馈线路上宜选用spd进行保护.信息系统物理信息端口电涌保护器的设计选型按信号的频率,电压,工作电流,插人损耗和接口型号进行选择.参考yd/t50982001通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范3-3.4的规定,内部计算机,控制终端及种类网络的非屏蔽数据线.若长度大于30m且小于50m,须在设备的一端采用数据线spd保护,若长度大于50m,则须在两端采用数据线spd保护.弱电系统物理信息端口电涌保护器配置原则:通信端口线路上可能感应的浪涌电压形式.保护装置

21、的耐冲击能力.通信端口防护装置不应对信息系统的正常运行指标(如传输速率,工作电平,插入损耗,端口的匹配等)造成不利的影响.保护装置的冲击残压应小于被保护的通信端口的击穿电压.保护装置的额定工作电压应适当高于被保护通信端口的正常工作数据信号电平.对于昂贵或重要的通信端口宜采用粗保护和精细保护两级保护.根据上述原则和国标gb3482348883.iec100045标准中所给出的在不同线路情况下可能感应的雷电浪涌的严酷程度及模拟波形的定义,根据产品性能价格比.选用种类齐全的适应模拟窄带和宽带,数据低速和高速的产品.4实施方案4.1大楼过电压防护设计示意图安装示意图见图3.4.2变电所过电压防护设计示

22、意图4.2.1220kv变电所远动系统防过电压安装示意图(蒲州变,城西变等共l1座)见图4.4.2.2500kv,110kv变电所远动系统防过电压设计示意图见图5(其中:500kvl座,110kv53座).20o5年第3期总第lo9期冶金动力metallurgicalp1)w.er圈3温州电力局大楼弱电系统spd安装圈圈4990kv变电所远动系统防过电压安装示意圈4.3大楼中心机房环行接地等电位机房中有信息系统,还有交流和直流电源系统,(上接第18页16结语电缆火灾属于人为灾害的一种,不能等同于天灾,从理论的角度上讲,人为灾害都是可以预防的.安全工程学把事故前预防作为重点.正是基于人为灾害是可以预防这一基本点上的.尽管实际上要预防全部人为灾害是困难的.但是完全可以通过有效各个系统都有独自的接地要求.按功能分有防雷地,工作交流地(