电源监控系统防雷措施
武汉洲际通信电源集团公司（武汉市古田二路39号，430035）范敦浩
摘要：根据雷击基本原理，分析电源监控系统在雷击中的损坏现象，提出电源监控系统的防雷措施，即在工程设计中引入防雷区的概念，在防雷区的交界处配置防雷器。简单介绍电源防雷器和信号防雷器的性能和安装，介绍接地线阻抗的简单计算和正确选用以有效防雷。
关键词：防雷  监控系统  信号防雷器  接地
1. 监控系统必须防雷
通信电源监控系统在各电信局已安装和运行多年了，在运行中系统受雷击损坏的事故时常发生，不仅监控设备受损，有时被控设备的通信口也损坏，造成很大的经济损失。
监控系统在设计中，一般也考虑了系统防雷问题，但往往忽略了个别电信局的特殊情况，而雷击损坏就恰恰在这个局发生。
本文对系统运行中发生的雷击损坏现象进行初步分析，提出方案设计和工程设计中应采取的措施，以尽可能防止雷击损坏。
2. 雷电简述

2.1. 大楼受雷击的途径
⑴由附近的对地雷击引起的地电位反击
二座邻近的楼当附近有对地雷击时，其地电位变化是不同的，因此存在地电位差，其大小决定于雷电大小、接地电阻和楼间距离。如楼间有信号线，则将承受高压冲击，据资料介绍，电缆或建筑物附近100米以内的雷击，能感应5KV和1.25KA的浪涌。
⑵对建筑物的直接雷
直接雷的雷电流可通过建筑物的避雷导线系统流入大地，除了使地电位升高外，当电流快速流过长导体时，因导体的自感而在导体的二端产生电势，一根30米的避雷导线可产生1.5MV电势，使附近的无金属保护的靠墙电缆会出现‘闪络’，避雷导线和附近的电缆间还可由电容或电感耦合产生电压，一个距避雷导线1米的10米×10米的回路，当避雷导线的电流为2kA/μs时，峰值电压可达9.5kV。  
⑶由电力线被直接雷击或感应雷击
直接雷打在高压线上，通过变压器的电容耦合产生浪涌电压（在高压线上200kA的雷击，可在低压屏产生6kV的浪涌电压）, 足以引起设备损坏。
直接打在高压线上的雷击概率较小，90%的雷电放电发生在云与云之间，电力线会因电磁感应或静电感应产生二次雷击。
雷雨云之间的放电，因电磁辐射而在电力线上感应出脉冲，称电磁感应雷；雷雨云的静电荷电场，会在电力线表面感应出电荷，当该雷雨云的电荷与其它雷雨云接闪后，电力线表面的电荷被释放，向二边放电，称静电感应雷。上述两种感应雷，在架空或埋地的导线上产生电流或电压冲击波，沿导线经接口进入设备，即所谓雷电波窜入，对监控系统危害极大。
⑷雷电电磁脉冲波（LEMP）
雷电放电的dv/dt及di/dt均很高，其电磁辐射很大。雷电波的主频为1k~10kHz，高频为5MHz~10MHz。电磁波可通过建筑物的门、窗和电子设备机箱上的空洞、缝隙，直接作用于设备的元、器件，引起故障。雷电波的主频不高，对大地而言，其穿透深度可达15~50m，埋在地下的通信和电力电缆将受到影响。

2.2. 防雷区（LPZ）
在建筑物内可将需要保护的空间划分为多个防雷区，以规定各区的雷电电磁脉冲（LEMP）的严重程度。图2为IEC 1312-3《雷电电磁脉冲的防护第三部分：电涌保护器的要求》中描述的一个非屏蔽材料建成的建筑物。
避雷针保护范围以外的为LPZ0A区，避雷针保护范围以内的为LPZ0B区，电力线经SPDI（浪涌保护器件I）进入的区域为LPZ1，经SPDII进入的区域为LPZ2，再经SPDIII进入的区域为LPZ3。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图2 无屏蔽建筑物的雷击保护区

 

 

 

 


图3 电涌保护器

所谓SPD（Surge protection device）就是一个连接在线路和设备之间，能安全地将线路上的浪涌电流通过接地系统引入大地，并限制瞬变电压到一个设备允许的电平的器件。如图3所示。
由于SPD的分流和距离效果，各防雷区的电磁场是逐渐减弱的。各SPD是顺序安装的，安装位置根据线路穿入点的要求选择。为减小回路面积，建议将辅助电源线和信息线相互靠近进入需要保护的空间，并通过SPD连到共用的等电位连接带上。
所选用的各SPD应确保雷电流的大部分从LPZ0A/LPZ1交界处的接地装置流走。随后的SPD则需应付LPZ0 A/LPZ1交界处的剩余威胁值和LPZ1区内电磁场产生的感应值。为了实现保护，SPD的等电位连接导体的阻抗应很低。

2.3. 感应雷浪涌特征：
电信机楼都装有避雷针，电源监控系统一般均处于避雷针保护范围以内的LPZ0B防雷区，在该区中由雷电引起的电磁场起支配作用，可不考虑直接雷击。在此情况下，这种感应效应可籍一个波形为8/20μs的浪涌电流来模拟。图4 为某防雷器制造公司根据ANSI C62.41制订的测试波形图，其中：
⑴开路电压：在电缆上测量的峰值电压，假设因绝缘而未发生击穿。
⑵短路电流：当击穿发生时的峰值电流。
⑶时间：电压或电流脉冲上升到峰值然后衰减的时间。

 

3.  电源监控系统雷击故障分析及防雷措施
3.1. 雷击故障之一
98年某局电源监控系统中，凡与智能油机控制屏连接的通信口，易受雷击损坏，并损坏多串口卡的其它串口。
其原因是油机房不在通信机楼内，信号线通过地沟，感应雷击造成串口损坏。
措施：加防雷器件SPD是防雷的主要措施，在信号线的进建筑物口，加信号防雷器，并可靠接地，在多串口卡的每一串口加RS-232信号防雷器。

3.2. 雷击故障之二
99年某局RS-485信号线受雷击，在RS-485上的采集模块、海洛斯空调的智能口均损坏。
一般RS-485信号线均在楼内，不易受雷击。但该局有新、老机楼和低压配电室组成，RS-485信号线通过二个地沟。以防雷区的概念来看，信号线从老楼的LPZ1区，经过LPZ0区，到新楼的LPZ1区，在跨区时应在防雷区的交界处配置SPD，原方案设计时忽略了这个局的特殊情况，造成很大损失。
措施：在新楼、老楼和低压配电室的信号线入口处各加一个SPD，并可靠接地。

3.3. 电源监控系统防雷措施
在工程设计中引入防雷区的概念，进行防雷区划分，在防雷区的交界处配置SPD。
⑴两座建筑物之间的信号线、辅助电源线均应在入口处配置相应的SPD。
⑵监控系统需采集低压配电盘的交流市电的电量，低压配电盘上虽然有避雷器，但均属初级保护，交流供电线路除了容易受感应雷击外，还易产生操作过电压，因此，须在交流变送器前加一个SPD。低压室的信号线在进入监控主机所在机房时，也应设置SPD。

⑶分布式监控系统由信号线将各监控模块连接在一起，常用信号线有RS-232、RS-485、RS-422、以太网线等。当信号总线长度超过20米时应加防雷器，以防止感应过电压。如图5
⑷为保证监控主机的可靠运行，在信号线进入主机处（如多串口卡、HUB等），应配置相应SPD。
⑸监控设备和器件的安装应避免靠近外墙避雷线。
⑹数据线和辅助电源线应敷设在毗连的管道以使环路区域最小。

4. 防雷器件选用及安装
4.1. 防雷元、器件
理想防雷器件原理如图6 。无雷击正常时，接地端断开；雷击浪涌时，接地端接通，浪涌电流流入大地。

 

以下是常用的防雷器件。
⑴气体放电管（GDT）:
气体放电管将放电间隙密封在充气管内，放电管的击穿电压与气体压力、电极距离和材料组合有关。GDT的电压特性如图7，放电管开始在辉光放电区为1A/75~150V，进入弧光放电区时为1~10KA/10~30V（如浪涌源能提供此电流）。当浪涌消失后，电流下降，回到非导通状态。
对快速脉冲，GDT的击穿电压高于直流下的击穿电压，因为电极间电离需要时间，如一个在直流下击穿电压为200V的气体放电管，在1kV/μs上升脉冲下，可冲击到900V，放电管的冲击一般在0.5μs以内。


⑵齐纳二极管（Zener diode）:
齐纳二极管的伏安特性如图8，具有硬箝位特性，响应快速(pS)，箝位电压精确且范围广。标准齐纳二极管容量较小，采用增加结面积可使功率容量达几KW/1ms，称为浪涌抑制二极管（Surge suppression diode）。

⑶金属氧化物变阻二极管（MOV）：

 

 


MOV又称金属氧化物压敏电阻，电阻随电压增加而减小，其伏安特性如图9，具有软箝位特性。 MOV的响应速度与齐纳二极管一样快，其单位体积功率容量大于浪涌抑制二极管，广泛用于交流电源的保护。MOV在正常电压下的漏电流较大，其特性会随温度、使用时间和承受雷击的次数而恶化。
当MOV的性能缓慢恶化，其额定工作电压降到外加电源电压的峰值以下时，MOV会因热击穿而损坏。因此，使用MOV时，应注意使用电压不要超过MOV的额定电压，最好有一定余量。 

4.2. 电源SPD
电源监控系统的交流电压采样部分直接与低压配电室的配电屏连接，易受雷击损坏，应在交流电压变送器前加一个防雷器。
电源防雷器采用MOV为主要防雷器件，图10为一种电源SPD的原理图，其中，
V ：压敏电阻，其保护电平应低于受保护设备的电压；
Ft ：热/冲击保险，能在压敏电阻过热时（如外加电压超过MOV工作电压时）切断与线路的连接，或当冲击电流超过最大放电电流时，自动断开并给出指示。
C ：遥信开关，当Ft动作时，输出遥信接点。
电源防雷器有各种电流等级，在电源监控系统中，可选用5~10KA级的电源防雷器并在电源线上，然后再接到交流电压变送器。
                     
4.3. 信号SPD
在电源监控系统中，采用信号防雷器是防雷的主要手段。
信号防雷器一般采用气体放电管和浪涌抑制二极管，组成混合浪涌保护电路。如图11 ，电路中有一个气体放电管用于对付雷击能量（容通量大于5kA），一个低压浪涌抑制二极管，用于快速响应和精确的电压箝位。二种元件用串联电感隔离，电感值按信号SPD运行条件和各信号线的设计需要确定。当浪涌电压小于气体放电管的击穿电压时，由二极管对电压箝位，电感限制电流峰值。

防雷器制造厂在设计信号防雷器时已考虑了各种信号线的特性和防雷要求，如电缆和连接器型号；信号电平；系统阻抗；允许的衰减；基于信号速率需要的带宽；需对付的浪涌电流；系统接地安排；物理尺寸限定；安装方法等。因此，一般可根据信号线的类型、数量和安装情况从产品目录中来选用相应特性和结构的信号防雷器。

4.4. SPD安装和接地线
SPD的准确安装对防雷效果起重要的作用，原则上防雷器应靠近机房的联合接地端和靠近被保护设备安装。首先应确定离被保护设备距离最近的接地端子，然后确定SPD安装位置和安装方法，使SPD的接地线尽量短(小于1米) 。
雷击电流引入大地的好坏取决于接地线的阻抗，阻抗与接地线的截面和长度有关。
接地线的电阻R=0.0175lw/A，（Ω）
其中lw为导线长度（m）、A为导线截面（mm2）;
接地线的电感（假设为长直导线）可按以下公式计算，
    L=0.2lw{loge(2lw/r)-1}  （μH），
其中，lw为导线长度（m）、r为导线半径（m2）。
表1列出了不同截面和长度的接地线的电阻和电感值，以及在浪涌电流为1kA、di/dt=100A/μs时，在接地线路上的电压峰值。
表1
线长（m） 截面（mm2） 电阻（Ω） 电感（μH） 电阻部分压降（V） 电感部分压降（V）
1 1 0.0175 1.43 17.5 143
1 2.5 0.007 1.34 7.0 134
1 10 0.0017 1.20 1.7 120
10 1 0.175 18.95 175 1895
10 2.5 0.07 18.03 70 1803
10 10 0.017 16.64 17 1664
由上表可看出：
⑴在di/dt=100A/μs时，接地线的电感部分压降是主要的；
⑵接地线的电感随长度的增长而快速增长（大于线性）；
⑶接地线的电感与截面关系不大。当导线截面由2.5mm2增加到10mm2时，电感降低16%（143到120）。
由上可知，在雷击情况下，接地线的阻抗主要决定于接地线的电感，而电感主要决定于接地线的长度，因此接地线应尽量短，企图用增加截面积来延长接地线长度是无用的，正确的办法应是先确定防雷器的安装位置，再确定信号线的路径。
接地线的截面可选2.5mm2 , 便于工程施工。
考虑到导线在高频情况下的集肤效应和邻近效应，采用多根间隔几厘米的细导线来代替一根粗导线，能降低导线的阻抗，改善接地效果。
表2列出环接在浪涌发生器端子上的一根和多根导线（1m、2.5mm2），在1 kA、8/20μs浪涌电流下，导线上的浪涌峰值电压。
由表可见，当接地线由一根增加到四根时（总截面10mm2），峰值电压降低48%，效果比用一根10 mm2 的导线好得多。（见表1，只降低16%）
表2
导线、根数 浪涌峰值电压（V）
单根 250
2根、相似的布线路径 170
4根、相似的布线路径 130
4根、不同的布线路径 80
若四根导线采用不同的布线路径，使间距更大，则可降低68%。因此当接地线较长时，应采用多根间隔导线接地。
4.5. SPD接地 
一般通信局（站）各类通信设备的工作接地、保护接地以及建筑防雷接地共同合用一组接地体，即采用联合接地方式。
监控系统的防雷器应就近从水平接地分汇集线上接入。接地时应注意单点接地形成等电位连接，防止多点接地，形成回路，引起干扰。
在监控系统中，监控设备如机柜、机箱、辅助电源、计算机等人体易接触的设备外壳，均需安全接地，但系统的信号线往往是浮地的。图12是RS-485信号线在系统中的接线图，由于采集模块是电源、输入和输出三隔离，因此其输出RS-485是浮地的。当雷击时，通过信号防雷器使RS-485暂态接地，既可抑制RS-485长线上产生的感应电压，也可抵御地电位反击。


5. 结束语
电源监控系统是在原有设备上加采样器件组成的系统，各种被监控设备处于不同的防雷区，因此，需以防雷区的概念来做监控系统的防雷设计。
系统防雷设计不同其他产品设计，很难在实验室重复进行，因此，只能根据设计规范、防雷器产品样本和受雷击的经验来不断改进工程设计，本文内容来自上述三个方面，错误之处，敬请批评指正。
参考文献：
1．Telematic Limited   Application Note  1997
2.  IEC 1312-3  雷电电磁脉冲的防护第三部分：电涌保护器的要求，广东防雷中心、北京华云克雷公司编译，1997.8


[出处/作者]：范敦浩