电力系统中弱电设备的防雷分析及设计

摘 要：雷击严重威胁着电力系统中弱电设备的安全运行。介绍了雷电对电力系统弱电系统可能引起的危害，以及弱电系统的一些基本防雷设计。探讨了有效防止弱电设备雷电损害的具体措施。

关键词：电力系统；弱电设备；防雷保护

中图分类号： TU856文献标识码：A

引言

在电力系统中,对于强电设备的防雷措施比较完善,经验也比较丰富,但是对于弱电设备的防雷却显得很薄弱,每年各种弱电设备因雷击而遭受破坏的事例屡见不鲜。近年来,随着电力系统现代化、信息化进程的发展,自动控制系统在电力工业中的应用越来越广,弱电系统在整个电力系统中的地位越来越重要。实际中,在电力系统中增加自动控制系统的同时,往往对自动控制系统的防雷未加考虑或考虑不够,一旦有雷电波侵入,设备损坏是巨大的,有的甚至使整个系统瘫痪,造成无可挽回的损失。因此,有必要对电力系统中的自动测报系统、通信系统、计算机监控系统、工业电视图像系统、MIS系统、继电保护装置等弱电设备进行防雷及过电压保护技术改造,有效地降低雷害的损伤程度,保证电力系统安全稳定运行。

1 弱电系统遭受雷击损害的原因分析

接闪器能防止直接雷击，但不能阻止雷电感应过电压、操作过电压、零电位漂移过电压以及因过电压在泄放电流时在其周围所产生的很强的感应电压，而这些过电压却可以破坏大量电子设备。据研究表明，当磁场强度Bm≥0.07×10-4 T时，无屏蔽的计算机会出现误动作；当磁场强度Bm≥2.4×10-4 T时，计算机原件会发生永久损坏。因此，有效地防止雷电对弱电系统设备所产生的危害，是保证弱电系统设备安全、稳定的前提。

除直击雷外，雷电作为电磁干扰源，主要以雷电电磁脉冲( Lightning Electromagnetic Pulse，LEMP) 的形式入侵弱电系统，其传播途径主要有传导耦合和辐射耦合两类。弱电系统遭受雷击损坏的原因主要有5 个: ① 直接雷击； ② 雷电通过各种通信线路( 天馈线、电话线、网络线、数据专线等) 传入系统而损坏设备；③ 雷击建筑物或邻近地区雷电放电，内部计算机系统网络环路由于空间电磁感应产生瞬态过电压而造成损坏；④ 雷电通过供电线路引入系统电源，导致设备损坏；⑤ 电位反击造成设备损坏。【1】

2 弱电设备防浪涌要求

2.1 耐压要求

当瞬间电压超过电子设备的绝缘耐压值时，其安全性能会降低，甚至被毁。因而，电子设备的瞬间过电压应小于其绝缘耐压值，正常的工作电压应小于保护电压。

2.2 过电流保护要求

电子设备的过电流能力一般设计为额定电流的1.5~2倍,以此为标准选择电子元器件。如额定电流为0.22 A的计算机其最大过流能力约为0.45A。当电流大于该值时,电子设备所选用的电子元器件将会烧坏而无法正常工作,因而应该保证到达电子设备的瞬间过电流小于其额定电流的1.5~2倍。

2.3 动态响应时间要求

电子设备在设计过程中,已经采用了许多保护器件,如快熔器、压敏电阻、空气开关、继电保护器件等。每种保护器件都有特有的动态响应时间(如空气开关、继电保护器件其动态响应时间约在200 ms左右),而每种电子设备也有其保护响应时间,因而流过电子设备的浪涌的瞬态时间应该大于电子设备的动态响应时间,避免保护器件来不及响应而使浪涌通过电子设备。

2.4 接地保护及防静电要求

电子设备在安装时,应做到良好接地,否则雷电所产生的浪涌能量不能有效地对地泄放而击毁元器件。对电子设备作可靠的接地保护,能使到达电子设备外壳的电压较小,起到安全保护的作用。但仅作接地保护是远远不够的,还必须加装浪涌保护装置。因外界侵入的浪涌能量将首先通过电子设备再对地泄放,这样流经电子设备的浪涌电流基本不变,其能量有可能很大,电子设备仍有可能被损坏。因此接地保护对于电子设备而言只能是一种辅保护。 直流地的接法通常采用网格地，直流网格地应采用铜带，在活动地板下面按一定密度成交叉网格排列，其交叉点与活动地板支撑的位置要交错排列，网格地交点处需用锡焊焊接在一起。为了使直流网格地与大地绝缘，在铜带下应垫2～3mm 厚的绝缘橡皮或聚氯乙烯等绝缘物体。接地引下线应选用多芯铜电缆。计算机终端及网络的节点机柜不宜就地做接地保护，应由系统统一考虑设计，以防止不同接地系统的电压差而损坏设备，以确保整个系统的等电位。静电防护也是电力系统安全要求的一个重要环节，当静电电压达到2KV 时，人就会有受电击的感觉，静电电压积累到一定程度，也会导致设备发生故障，通常电力系统内绝缘体的静电电压不应大于1KV，因而电力系统必须采取较好的静电防护措施。

3 弱电设备防浪涌措施

弱电设备应设置多级防雷保护措施，一般为三级配置。【2】由于雷电流主要由首次雷击电流和后续雷击电流组成，因此，雷电过电压的保护必须同时考虑到如何抑制( 或分流) 首次雷击电流和后续雷击电流。在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。弱电系统可采用外部防雷和内部防雷两种措施。外部防雷可将绝大部分雷电流直接引入地下泄散；内部防雷可阻塞沿电源或信号线所引入的雷电波。这两道防线互相配合，缺一不可。

3.1 外部防雷措施

外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是防直击雷，它是防雷技术革新的主要组成部分，其防雷措施可分接闪器( 避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器) 、引下线、接地装置等组成。

3.2 内部防雷措施

内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的设备加装过压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，保护装置能快速动作泄放能量，从而保护设备免受损坏。内部防雷分为电源系统防雷和信号系统防雷。

3.2.1 电源系统防雷措施

由于雷电产生了强大的过电压，过电流，无法一次性在瞬间完成泄流和限压，所以电源系统必须采取多级的防雷保护，至少必须采取泄流和限压前后两级防雷保护。按照我国现行的计算机信息系统防雷技术要求规定，电源系统应该采取三级雷电防护，即在建筑物总配电装置高压端各相安装高通容量的防雷装置，作为第一级保护，在低压侧安装阀门式防雷装置作为第二级保护，在楼层配电箱安装电源避雷箱作为第三级保护。重要场合宜采取更多级的保护措施，如在UPS 电源输出端加装防雷器，对重要设备电源输入端加装电源终端防雷设备等等。通过使用多级电源防雷设施，彻底泄放雷电过电流，限制过电压，从而尽可能地防止雷电通过电力线路窜入计算机网络系统，损害系统设备。[3]

3.2.2 信号系统防雷措施

为了避免因通信电缆引入雷电侵害的可能性，通常采用的技术是在电缆接入网络通信设备前首先接入信号避雷器(信号SPD)，即在链路中串入一个瞬态过电压保护器，它可以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压，阻断过电压及雷电波的侵入，尽可能降低雷电对系统设备的冲击。由于信号避雷器串接在通信线路中，所以信号避雷器除了满足防雷性能特征外，还必须满足信号传输带宽等网络性能指标的要求。因而选择相关产品时，应充分考虑防雷性能指标及网络带宽，传输损耗，接口类型等网络性能指标。

3.3 定期检测措施

完善了以上防雷措施，并不代表着整个系统就可以永远高枕无忧。定期检测是防雷系统后期维护的必要措施，每年至少应该在雷雨季节到来之前，委托当地防雷中心对防雷系统进行一次安全检测，雷雨季节其间，应该加强外观巡视，经常检查防雷设备的性能指示标志(多数防雷产品具有失效报警功能)，及时发现并更换设备。

4 结论

近些年来，随着随着电力系统现代化、信息化进程的快速发展,弱电系统在整个电力系统中的地位越来越重要。因此，对于弱电设备的防雷保护的改造变得越来越有必要。电力系统中防雷保护是一项综合性的技术工作。本文对弱电设备的雷害情况进行了分析，介绍了弱电设备的防雷保护措施。

参考文献：

[1]GB 50057-2010 《建筑物防雷设计规范》

[2]IEC 61312 《雷电电磁脉冲的防护》

[3]GB 50343-2004 《建筑物电子信息系统防雷技术规范》