隔离式防雷技术研究与应用

在互联网、大数据时代，随着云计算、人工智能等电子技术的普及，大规模集成电路和精密电子器件得到了前所未有的广泛应用，同时也使得城市乡村中通信信息设施的抗电磁脉冲干扰能力更趋脆弱。通信信息设施作为现代化电子技术的基础，其安全性和稳定性面临新的挑战，尤其是以雷电为主的强电磁脉冲对电气和信息系统的损毁成为目前亟待解决的技术难题。传统的防雷措施虽然可以降低雷电对电气和信息系统的影响，但在实际工程中，由于雷电的不确定性和地质、场地、费用等客观条件限制，导致建筑物特别是通信信息设施存在设计、施工、现场测试困难等情况；一些建筑物接地网由于地质条件限制,往往达不到规范所规定的接地电阻值，或为了达到规范规定的接地电阻值而采取大量使用钢材和降阻剂等措施，造成施工、维护成本过高。针对上述工程实际存在的问题，本文探讨一种新的隔离式防雷技术，主要研究思路为通过阻断单元，增加雷电传播通道阻抗、降低被保护设备的残流，在不依赖接地网接地电阻值的条件下，有效减少雷电侵入被保护设备的雷电能量，从而实现对电气和信息系统的保护。笔者作为湖南省地方标准《建筑物及信息系统智慧隔离防雷技术规程》主编，结合标准编制情况，对该技术的研究作详细阐述。1传统防雷接地技术存在局限传统防雷接地技术主要采用以避雷针、避雷带、避雷网、避雷线和接地装置方式实现的直击雷防护技术，其工作原理是通过尖端放电，在雷云构成的大气电场环境下实现接闪将雷电能量导入大地，并将雷电能量以电压电流、电磁波方式引向自身，从而保护其周围的设备。图1为典型的信息机房感应雷电流传播模型。感应雷电流通过电源端口、信号(如金属电话线、网络线、天馈线)端口、接地线端口进入被保护设备，并通过这些端口形成雷电流的传播通道。而雷电流入地会导致接地网地电压抬升，雷电能量经接地线入侵至信息系统，形成地电位反击。图1典型信息机房感应雷电流传播模型图2为400V/230V交流电源供电端口的感应雷电流防护技术模型图。该技术模型是通过设置多级SPD实现泄流和级间退耦，最终将残压降低到被保护设备的耐受电压。该技术要求各级SPD级间保护不小于5m的退耦距离或增设退耦器件，同时要求SPD接入电源电路、接地线的总长度不超过2m，这在实际工程中很难实现。图2泄流式感应雷电流防护模型如图3所示，符合IEC标准的接地模型中，来自接闪器的雷电能量中50%的能量通过接地装置入地，50%的能量通过接地线进入电源线路、信息金属管线系统。将接地电阻做小是改变雷电流分配比例的主要措施，但在实际工程中，许多机房、通信基站受地质条件限制，小接地电阻难以实现。图3IEC标准接地模型2隔离式防雷技术的研究思路阻断雷电能量传播是隔离式防雷技术研究的主要思路，即将单一的钳压方法，提高到“钳压+分流”混合方式；也就是说将过去单一的强调电压幅度(残压)指标提高到强调能量指标，即电压幅度(残压)指标+电流(残流)指标。通过建立新的雷电防护和模型解决了传统防雷方式需要在现场实现小接地电阻的工程难题。提高“分组隔离接地装置”的性能指标可以相应降低对接地网接地电阻值的要求，从而将现场制造“小电阻的接地网”转变成为工厂制造“分组隔离接地装置”的电子产品，使得雷电防护设备实现产品化、移动化和智慧化。图4为典型的隔离式雷电防护模型，与图1典型的信息机房感应雷电流传播模型相比较，主要是在电源、信号、接地等端口增加了隔离单元。图4典型隔离式雷电防护模型隔离式防雷技术提出残流概念，为减少雷电通过电源端口、信号端口侵入，该技术模型通过阻断单元增加雷电传播通道的阻抗，从而大幅度降低进入被保护装置的残流；同时，在多级雷电防护演变成为电子产品的条件下，将退耦距离从大于15m减少成为电子设备宽度,也大幅降低了残压水平。这是一种不依赖接地装置小接地电阻值的方法，在接地端口通过增加隔离单元放宽了对接地电阻的要求。传统防雷技术采用联合接地方式，其接地电阻要求小于1Ω；而采用隔离式防雷系统，其接地电阻可达到100Ω，这对地质条件差的环境，如建在岩石山区的电信基站防雷接地系统工程提供了一种有效的解决方法。此外，接地端口增加接地隔离单元，有效解决了雷电入地导致接地网地电压抬升的问题，消除了地电位反击现象。

3标准对隔离式防雷系统相关规定《建筑物及信息系统智慧隔离防雷技术规程》对于建筑物是否需设置隔离式防雷系统给出了相关规定，同时对该系统的组成及防雷装置的设计提出了明确要求。3.1雷电防护等级分级及防雷措施根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343要求，建筑物雷电防护等级应分为A、B、C、D级,具体见表1规定。根据表1规定，各类建筑物雷电防护措施需满足以下规定。（1）雷电防护等级为A、B、C级时，宜采用隔离式防雷系统保护。当接地网难以满足规定接地电阻值时，应采用隔离式防雷系统保护。（2）隔离式雷电保护装置的负荷能力应同被保护系统线路、配电设备的负荷能力一致,宜采用模块化组件结构。（3）隔离式雷电保护装置应具有运行数据采集、现场告警、通信传输功能,可实现远程访问和管理功能。3.2隔离式防雷系统组成及设计要求（1）隔离式防雷系统应由“雷电通道隔离系统”和“隔离分组接地系统”组成，如图5所示。图5隔离式防雷系统示意图注：1：被保护设备；2：保护接地线；3：工作接地线；4：隔离式分组接地装置；5：接地装置；6：防雷接地线；7：隔离式电源防雷装置(隔离式信号防雷装置)（2）电源(信号)引入线应分别串接隔离式电源防雷装置(隔离式信号防雷装置)，其泄放单元接入接地装置，如图6所示。图6隔离式电源(信号)防雷装置示意图注：1：被保护设备；2：保护接地线；3：工作接地线；4：接地装置；5：防雷接地线：6：隔离式电源防雷装置(隔离式信号防雷装置)（3）防雷接地线直接接入接地装置，工作接地线、保护接地线应分别串接隔离式分组接地装置再接入接地装置，如图7所示。图7隔离式分组接地装置示意图注：1：被保护设备；2：保护接地线；3：工作接地线；4：隔离式分组接地装置；5：接地装置；6：防雷接地线；7：泄放单元（4）变压器的高压侧和低压侧应分别采用一端口并联型泄放单元接入接地装置，变压器中性线应串接接地隔离抑制器接入接地装置。变压器隔离式防护装置如图8所示。图8变压器隔离式防护装置示意图注：1：变压器；2：变压器低压侧；3：泄放单元(低压端)；4：变压器接地装置；5：接地隔离抑制器(ISDE)；6：保护接地；7：泄放单元(高压端)；8：变压器高压侧（5）隔离式防雷保护装置的设计应满足以下规定。1）隔离式防雷保护装置的技术参数应有工作电压、通流容量、电压保护水平、雷电抑制比、反击分流比等，且应满足GB50057、GB50343、GB50689要求。2）隔离式防雷保护装置的额定负荷容量应满足被保护系统终期最大负荷容量。3）隔离式防雷保护装置嵌入安装在配电装置中时，其额定容量(额定电压、额定电流)、电压降、插入衰耗应同配电装置一致。选用的电源线应同配电装置的容量相一致。4）隔离式防雷保护装置应根据设备安装场景选择室外(室内)安装、嵌入(独立)安装、落地(壁挂)安装等形式。5）隔离式雷电保护装置应根据被保护设备的位置(LPZOA或LPZOB与LPZ1区交界处交界区)分别安装在变压器低压端、总配电室进线端、分配电室(箱柜)前端、独立用电设备电源输入端及信号线入室处(雷电防护区界面)。4结束语隔离式防雷接地技术作为一种新型防雷系统，其防护设备实现了产品化、小型化、移