Admin一、引言
电源防雷是防止雷电和其他内部过电压侵入设备造成损坏,从室外防雷与线路防雷相结合的综合防雷方案,介绍了外部避雷和内部避雷、保护区、防雷等电位连接等概念。分析了电源防雷工作原理。采用电源防雷能在最短时间内释放电路上因雷击感应而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地,降低设备各接口间的电位差,从而保护电路上的设备。
二、综合防雷
考虑室外防雷与线路防雷相结合的综合防雷方案。
1.外部避雷和内部避雷
避雷针(或避雷带、避雷网)、引下线和接地系统构成外部防雷系统(图1),主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故。雷电的破坏力极大,防雷仅有外部防雷是不够的,雷电波会侵入各电气通道(如电源线、信号线和金属管道等)。由其产生的高电压和浪涌电压对电讯设备、网络、信息、系统有极大的危害,轻则毁坏线路,重则损坏设备,系统瘫痪,造成难以估算的损失,所以必须有内部防雷。
外部防雷系统
从0级保护区到最内层保护区,必须实行分级保护,对于电源系统,分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ级(图3),从而将过电压降到设备能承受的水平。对于信号系统,则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,而精细保护则要根据电子设备的敏感度来进行选择。从理论上讲,雷电流约有50%是直接流入大地,还有50%将平均流入电气通道(如电源线、信号线和金属管道等)。
防雷保护区
内部防雷系统则是防止雷电和其他内部过电压侵入设备造成毁坏,这是外部防雷系统无法保证的。为了实现内部避雷,需要在进出建筑物的保护区的电缆、金属管道等都要安装避雷器及过压保护器,并实行等电位连接。
2.保护区
一个欲保护的区域,从电磁兼容的观点考虑,由外到内可分为几级保护区(图2),最外层是0级,是直接雷击区域,危险性最高,越往里,则危险程度越低,过压主要是沿线窜入的,保护区的界面通过外部防雷系统,钢筋混凝土及金属罩等构成的屏蔽层而形成,电气通道以及金属管道等则经过这些界面。
防雷分级保护
防雷等电位连接
3.防雷等电位连接
为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,特别需要实行等电位连接,电源线、信号线、金属管道等都要通过过压保护器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处,同样要依次进行局部等电位连接,各个局部等电位连接棒互相连接,并最后与主等电位连接棒相连(图4)。
三、防雷保护器
防雷器的作用,就是在最短时间(纳秒级)释放电路上因雷击感应而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地,降低设备各接口间的电位差,从而保护电路上的设备。
根据强度的不同,又可分为避雷器和过压保护器。
避雷器的测试电流是:10～350μs的波形,50As,100kA,2.5MJ/Ω。
过压保护器的测试电流是:8～200μs的波形,0.14As,5kA,0.36MJ/Ω。(见图5)
电源系统保护器,根据应用场合分为:
(1)避雷器。
(2)固定地方安装的过压保护器。
(3)插座型保护器。
(4)信息系统保护器,主要是过压限制器。
1.电源防雷及过压保护器
(1)高能避雷器用在雷击区域的LPZ0与LPZ1]
图5防雷保护器测试波形
图6电源一级防雷保护
图7电源二级防雷保护
区之间,作为电源系统第一级保护,安装在总电源进线的配电箱前。最大放电电流100kA(10～350μs),动作时间小于100ns。
(2)过压保护器用在雷击区域的0区与1区之间,作为电源系统第二极保护,安装在UPS或分配电箱前。最大充电电流40kA(8～20μs),动作时间小于25ns。
(3)浪涌吸收保护器电源第三级保护,主要用于保护重要设备的电源系统,安装在重要设备的电源插座上。最大放电电流5kA,(8～20μs),动作时间小于25ns。
2.信号防雷及过压保护器
主要是过压限制器。
(1)双绞线保护器,用于保护器使用双绞线传输的信号系统,安装于电子信号系统引入线路前端。最大容通电流10kA(8～20μs),动作时间小于10ns。
(2)接口保护器用于通讯信号线、网络保护和串口保护。最大容通电流750A,动作时间小于10ns。
(3)卫星接收器保护器用于保护卫星接收系统,装在接收天线和接收机和信号电缆接头上。最大容通电流5kA,传输功率400W,传输频率2.5GHz。
(4)串口保护器用于保护主机及服务器,装于串口前,最大容通电流750A,动作时间小于10ns。
(5)同轴电缆保护器用于保护接在同轴电缆上的设备。装于电缆网卡前。最大容通电流20kA(8～20μs),数据传输率16Mbit/s。
3.等电位连接器
等电位连接器用于连接各个单独接地系统,以构成等电位体。即通讯接地、安全接地、直流接地、防雷接地通过火花间隙连结,在正常情况下各个接地相互独立,有雷击时火花间隙导通,将各个地接在一起,使各接地系统的电位同时抬高,形成等电体。最大放电电流100kA(8～20μs)。
四、电源防雷保护器的选用
1.电源第一级防雷
对于城市供电网三相四线制系统,如图6所示,第一级电源防雷四线采用高能避雷器4个,在三条火线上,一条零线上各并联一个高能避雷器与地连接。
当供电回路熔断器F1(或空气开关)额定电流大于250A时,需在高能避雷器并联支路上(火线)加装250A熔断器F2(或空气开关),反之则不需要。
2.电源第二级防雷
第二级电源防雷采用过压保护器4个,在三条火线、一条零线上各并一个过压保护器与地连接(图7)。
在正常情况下,保护器处于高阻状态,当电网由于雷击或开关操作出现瞬时脉冲电压时,过压保护器内藏模块里的氧化锌压敏电阻元件立即在纳秒时间内迅速导通,将该脉冲电压短路到大地泄放,从而保护所有设备,当该脉冲电压流过保护器后,保护器又变为高阻状态,从而不影响设备的供电。
当供电回路熔断器F1(或空气开关)额定电流大于125A时,需在过压保护器并联支路上(火线)加装125A熔断器F2(或空气开关),反之则不需要。
3.电源第三级防雷
第三级防雷保护,用于保护重要设备的电源系统、电子设备的精细过压保护。安装在重要设备的电源插座上(图8)。
4.数据信号防雷
数据信号防雷保护低电平数据信号部分,包括双绞线传输、通讯信号线、卫星接收器天线、主机及服务
图8电源三级防雷保护
图9典型的避雷器装置示意图
器、同轴电缆、串口等处安装信号防雷保护器。
(1)信号一级保护
双绞线信号保护(过压保护插头)保护信号系统和设备。额定电压100VAC/DC,每线最大放电电流Ismax为10kA(8～20μs),响应时间≤10ns。
对于电力线路、信号线路(模拟和数字),例如电话设备为110VAC/DC;控制和仪表线路、数据线路为12V直流/8V交流和24V直流/15V交流。
(2)信号二级保护
串口保护器带过保护电路的插入式选配器,用来保护信号系统和设备,都可用在高传输场合。例如保护端口的主机及服务器,装于串口前。额定电压8V、12V,最大放电电流Ismax为15kA,数据传输速率1Mbit/s。精细保护用额定电压12V直流,额定放电电流100A(8～20μs),数据传输速率为1Mbit/s。
同轴电缆信号保护器用于保护使用75Ω～93Ω接口的计算机系统,装于粗、细缆网卡前,最大放大电电流Ismax为20kA(8～20μs),数据传输速率为16Mbit/s。
5.广播卫星天线馈线(有线电视线路)过压保护器
用来保护75Ω系统的设备,如天线放大器,广播卫星接收系统等。最大放电电流Ismax为3.5kA(8～20μs),频率范围4～2050MHz。
6.天馈线保护器
用于50Ω、75Ω和93Ω的同轴天馈系统,如无线电系统。装在接收天线和接收机的信号电缆接头上。频率上限200MHz～1GHz,最大发射功率1.2kW。
图9示出避雷器装置示意图。
图10示出电源防雷及过压保护选型示意图。图中:
A1电源第一级保护高能避雷器
B1电源第二级保护过压保护器
电源第三级保护浪涌吸收保护器
A2信号第一级保护双绞线信号保护器
(网络第一级保护器同轴电缆信号保护器)
B2信号第二级保护串口保护器、同轴电缆
信号保护器
A3有线电视线路保护器
B3天馈线保护器五、结论
正确安装电源防雷器,设备因雷击导致电源损坏的机会,可以减少到接近零,即可免除更换设备之费用,保障系统不间断连续运行。并可减少建筑物因雷击所引起的电源火警机会,确保人身及其他财产的安全。
参考文献
[1]陈志清谢恒坤氧化锌压敏瓷及其在电力系统中的应用水利电力出版社,1992年4月
[2]蒋国雄邱毓昌避雷器及其高压试验西安交通大学出版,1989年5月
[3]中华人民共和国电子工业部标准MYL1型防雷用氧化锌压敏电阻器,SJ2307.1.-83
[4]中华人民共和国铁道行业标准铁路信号设备雷电防护用氧化锌压敏电阻器TB/T2312-92
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