浅谈信息网络系统的防雷措施

弱电转贴员

浅谈信息网络系统的防雷措施

随着信息网络的飞速发展和普及使用，信息网络已和人们的生活息息相关，对信息网络的依赖程度已处于十分重要的地步，但是近年来大自然雷电对信息网络系统的危害也显得越来越严重。本文根据作者多
年从事弱电设备防雷工作的体会，提出几点防雷措施的见解，供探讨。

   1 雷电及雷击
通常雷击对弱电系统的破坏能量，多数是从供电线路感应涌入的，它比较有规律性，一般是容易防范的。但怎样去寻找雷电的进入渠道呢？根据多年的实践经验，当检查被雷击损坏的电子线路板时，如果发现接口和IC芯片有烧焦发黑的现像，则可以肯定是遭受到感应雷电流、电压浪涌冲击，如无过流、过压的影响，不可能烧焦、烧毁接口和IC芯片；如果发现线路板外表毫无损伤，但其功能已完全丧失，不管如何复位操作都不能恢复正常时，那么则可以肯定是遭受到直击雷产生的高频电磁波的磁场干扰而损坏，而不是过流过压而损坏。
据有关资料介绍，强度很大的电流波（波前dI/dT>2×1010A/S，电流峰值可达300kA以上），一次放电过程为40~100μs。如此强大的一个强电流波能在2km的范围内产生大于0.6G的电磁场。对计算机信息等弱电设备，电磁场强度干扰大于0.03G就会发生数据混乱和丢失，就是通常发生的软故障损坏，此时只要停电一次，就能够复位恢复正常；但当磁场强度大于0.6G时，计算机等弱电设备则会永久损坏。
雷击产生的能量感应可以通过有关公式来进行计算：设雷击发生在高压线附近L=400m距离的某点物体，雷电流I=120kA，高压线距离地面高度H=12m，则在高压线上产生的感应电压可以通过公式进行计算：U=25×（I×H）/L，即U=25×（120×12）/400=900kV。如果供电线路是22kV，此时高压供电的避雷器会立即跳闸保护，但瞬间产生的感应雷击浪涌电压、电流影响，已闯入低压供电线路，并带来了严重破坏能量。
当雷电如击中建筑物的避雷针、均压环、避雷针带网时，通过建筑物的基础钢筋结构或防雷引下线在泄流时，会产生一个反击过电压，它也会对计算机弱电设备带来危害。2003年10月在汕尾某戒毒所，在雷电袭击时机房所有弱电设备已停机运行，但在雷击之后，设备照样发生严重损坏。反击过电压也可以进行估算，设雷电变化量ΔI=80kA，机房接地电阻R=6.2Ω，通过计算式U=ΔI×R，即U=80kA×6.2=496kV。接地点的电压抬升如达到400kV以上，雷电的过电压可以击穿1m范围的空间，足以将附近的低压弱电设备损坏。这就是国产GB50057-94标准规范提到的，计算机机房不应设置在大楼顶层，应在顶层以下四层，也不能设在楼层外墙边沿，应在中间位置才合适。对于重要的机房则要采取四面八方金属网格屏蔽保护措施，这样效果会更好。
至于高压供电线路惹雷，可以从2002年1月16日广州市羊城晚报上刊登的"雷公为何总是光顾我们村"的报导来证实。另外，广东省高明市岑水村当供电站220kV的高压线围绕该村外附近形成一个U字架设之后，该村低压供电线路频频遭受感应雷击，村民家家户户的电视机等家电多次被烧毁，财产损失严重。

2 感应雷的防范措施
感应雷造成的破坏主要是从供电线路感应涌入的，其破坏力能量却不能忽视。感应雷的涌入也是较有规律性的，如能够从工作电源上抵挡住感应雷的涌入，防雷的难题等于解决了一大半。
要抵挡住感应雷的涌入，通常的预防措施是在设备的供电入口安装防雷器，但要按强电和弱电不同的系统来区分进行选择，才会行之有效，不要单纯地认为防雷器的选用，一定就是进口的、价格昂贵的产品，防雷的作用就一定会好。
（1）强电设备的防雷
一般强电设备可承受高频脉冲的干扰，不会因为过流而烧毁，但经常会发生过压损坏。这样要选择并接的防雷器才适用。一般防雷器的最大泄漏电流要比设备最大工作电流>20倍以上，安全系数才会有保证。例如：某一供电系统，其三相空气开关的负荷容量为1500A，那么应选择40kA泄漏容量的进口产品就可满足正常使用要求，但选用国产的防雷器则需要用100kA泄漏容量才能满足使用要求。请注意！进口防雷器的泄漏电流容量是按每相计算的，而国产的品牌是按三相四线总泄漏容量之和计算的。可见，同是40kA的防雷器，进口产品与国产品牌之间的差别还是很大的。
在多雷区的单相和三相低压用电设备，如安装了并接的电源防雷器，仍然遭受到雷击的危害，这种情况也是经常能见到的。例如：广州市白云山颐和山庄颐天阁是建在一个小山岗顶的景点，它的供水、供电系统设备在安装了2台100kA的多功能防雷器和1台二级信号防雷器之后，在二级泵房的变频调速器仍被雷击损坏。据分析：一般成套安装的防雷器机箱内按规定是要配备一个三相漏电空气开关的，容量通常为25～32A，其目的是为了保证万一防雷器被击穿，不至于因短路造成系统供电跳闸，只会切断防雷器的三相四线接口。当发生第一个雷击之后，造成防雷器被断开，空气开关不能及时复位，当第二个雷击来临时，就会将变频调速器打坏。
针对上述特殊情况，参照国家《防雷技术标准规范汇编》1999年版本介绍的做法，将山岗二级泵房的50mm2三相四线供电线路，从水泥杆上引到地下埋地穿管敷设30m，并对埋地管壁头、尾、中间分别打桩、接地，对沿着山坡架设的2支水泥杆顶部，在1.2m高处架设了一条Φ6钢缆绳，作为接雷器之后，颐和山庄颐天阁景点再没有遭到过感应雷击的危害。
（2）弱电设备的防雷
弱电设备的防雷既要防止过流、过压，还要防止高频脉冲的干扰，一般可选择串接的抗干扰防雷器。根据工作中的体会，要做好如下三项措施才能行之有效。
①对工作电源采用三级净化处理
②机房或被保护物体的接地一定要良好，电阻必须<4Ω。
③在有条利的情况下，对机房内墙的四面八方实行屏蔽措施。
现重点介绍电源三级净化处理的作用。
首级保护选用计算机串接抗干扰防雷器：
如选用一般的并接电源防雷器，对计算机弱电设备的保护是不够完善的，要选择串接的计算机抗干扰防雷器，效果才会显著。串接的计算机抗干扰防雷器，一般都有三级以上的LC电路，来阻挡（吸收30MHz的高频雷电浪涌脉冲）。由于频率f=1/c，一般串接的电容量C都大于1μF以上，高频干扰难以通过三级的LC串接电路。另外，电容电流可突变，但电压却不能突变，利用电容的充电过程时间LC线路可以增强防雷器的压敏导通时间，使对地泄流作用更加充分，并能将反击电压降在几级LC电感电容两端，从而削弱对后级的浪涌冲影响。从理论上分析，首级可阻断雷电产生的电流、电压浪涌冲击能量的85%以上。
第二级保护选择优质参数稳压电源。由于参数稳压电源有过电压快速切断的保护功能，它能稳定、净化工作电源，可以切断越过首级防护大堤进入到次级反击电压能量的15%以上。
第三级保护选择双逆变在线式的UPS应急电源。它通过调解，解调二次工作过程中可以基本杜绝高频浪涌冲击，保证设备电源是维持在50Hz、220V的正弦波安全状态下工作。
三级电源防护可以将雷击浪涌进入的分量全部消除掉。

（3）应该如何正确选用和安装防雷器？
为什么有很多用户安装了防雷器，设备仍然频频遭受雷击呢？
下面通过几个实例来进行探研。
实例一：广州市白云区颐和山庄小区CCTV监控中心。由某公司安装的3台数字硬盘录象机和几十台室内外摄象机的弱电系统工程，总共安装了几十台防雷器。经检查，几十个防雷器的泄漏接地点，只有个别>10Ω的标准，绝大多数的接地电阻<4Ω。是什么原因导致系统多次频频遭受雷击？连地下室停车场的摄象机也损坏了呢？原来第一、第二级电源防雷器都是选用德国进口的OBO40KA，并接防雷器。这对于弱电设备是起不到什么保护作用的，应改选串接的防雷器效果才会显著。属于选型不当。另外，在监控中心，只配备了1台6kVA的UPS在线式应急电源，没有配备具有过压快速切断的交流参数稳压电源，也是原因之一。
实例二：广州市白云山公园旅游设施的建筑物防雷工程。该公园安装了数十台全部是西德进口的昂贵高档产品，但用电设备仍频频遭受雷击而损坏。经广州防雷所检查，几十个接地点，接地电阻全部超标，一般都在40～200Ω以上。接地电阻偏高，造成泄漏过程中产生的反击电压大，反击电压持续时间也会较长。属接地装置处理不善。
实例三：广州番禺区某大型私营企业设计施工的弱电工程。在2003年连续二次被感应雷击，在第一次雷击后安装了法国索兰的并接防雷器，但仍不能阻挡雷电的危害，同时选用的两间厂，相同的防雷器产品，而使用效果却不同。第一家的5台485通信接口防雷器和1台三相并接20kA电源防雷器，雷电一闪立即全部损坏；而广东省顺德金盾的5台485通信接口防雷器和十几台并接、串接防雷器却无一台损坏。可见，在同类产品之中，是存在产品质量上的差距。实施了上述三级保护之后，当2004年3月24日夜间强烈春雷在顶头强光一闪，造成附近高压供电系统跳闸停电时，而弱电系统只有个别485通信适配器损坏，绝大部份得到了保护，避免了2003年"6.11"、和"8.14"严重损害的事故再现。
3 对直击雷采取什么防护措施效果才会最显著？
直击雷是指直接击中建筑物和地面物体造成破坏的雷电。直击雷的产生也较有规律性，也容易防范。一般离地面较高的建筑物和物体，最易遭受直击雷。另外，在野外山林地带，地质金属矿藏丰富的大山，也会频频遭受雷击。直击雷由于离我们工作、生活的空间距离太近，产生的能量太大，故其破坏力非常大。目前除依靠避雷针来抵挡之外，尚无更好的预防措施。避雷针和避雷网的高度设计，必须遵照GB50057-94国家标准，按照三类防雷建筑物的标准规定执行。下面列举一些事例，介绍直击雷的危害性。
例1广州市一家五星级宾馆的从化市培训部，室外的几套云台、球罩、摄像机，由于安装在高压线旁，虽然已安装了多级防雷器，有合格的接地点，但每次打雷摄像机都发生损坏现象，可见设备安装的位置选择很重要。所以，一般弱电设备不要安装高压线和供电的变压器附近。高压线和变压器容易引雷，当直击雷打在高压线和变压器附近时，会瞬间产生一个大电磁场，电磁场的感应会使摄像机瞬间全部损坏。
例2珠海市某小岛雷达站遭受到直击雷袭击，将花费5万元人民币安装的一套120kA电源防雷器瞬间全部损坏。海岛上太空旷，避雷针和接地点一定要特殊处理才能起作用。
例3广州市番禺区一个江边码头，一个直击雷瞬间将22万伏高压线路打断，将高压线旁一棵树身直径300mm的木棉树拦腰劈断，码头的大部份1151压力变送器、液位变送器、铂电阻温度计仪表、电子秤传感器压头等全部损坏。高压线路惹雷击，较难预防，但对工业仪表、仪器的防护可采取上述三级防护措施。
例4在海南岛五指山区，作者亲眼看到部队的一群黄牛在山上吃草，突然一个直击雷将五头牛打死，牛身体的肉全部烧成黑色。一名军医在茅草房中被打死，营部通讯班的战士全部被击伤。雷雨期间人员牲畜应尽量避免外出到高山，处于山区的营房要设置避雷设施，才能避免雷击。
作者认为：对付直击雷的防护，可按照滚球法的三级防雷措施计算设计出避雷针的安装有效保护高度，做好基础接地，效果会比安装高档次的防雷器好。对于能量巨大的直击雷，防雷器是难以抵挡的。

4 弱电机房的接地方式
机房的安全接地，是采用基础接地？还是采用独立打桩接地？在行业中一直在争议。但从最新的国家气象局防雷统计数据资料的结论：采用基础接地做法要比独立接地做法的雷击灾害少得多。采用基础接地，接地电阻小于1Ω是很容易达到的，建议大家采用基础接地。最近，又有人提出三点共地等电位的做法，三点共地是将电源变压器的中性点接地、设备的工作接地和防雷接地三地共为一体。作者认为：将防雷接地共接在一起会产生有害影响。汕尾戒毒所监控机房就是因为采用三位共地，结果造成室外的防雷接地把雷击产生的反击电压引进了机房，在机房设备已停电的情况下，仍然把大量设备击坏。
以上是多年来工作中的体会，与同行们进行研讨，以求得最佳的防雷保护措施。

 

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