弱电设备的雷害分析及保护措施

摘 要：通过对弱电设备雷电危害的原因进行分析，重点探讨雷电浪涌对弱电设备的危害及防雷措施，并提出有益的建议。

关键词：弱电设备；雷害分析；保护措施

1 概况

雷击是一种严重的气象自然现象，它能释放出巨大的能量、具有强大的破坏能力。几个世纪来，人类通过对雷击破坏性的研究、探索，对雷电的危害采取了一定的预防措施，有效地降低了雷害。

近年来，随着微电子技术的不断发展，自动控制系统在生产生活各个方面的使用越来越广，人们在受益于微电子时代极大方便的同时，也受到其一旦损坏就损失巨大的困扰，其中的雷电危害就是最为重要的一方面。实际上，人们在设计自动控制系统的时候，往往对系统的防雷未加考虑或考虑不够的情况较多，一旦有雷电波侵入，设备损坏一般是巨大的，有的甚至使整个系统瘫痪，造成无可挽回的损失。

据统计，在近几年时间里，全国范围内由于雷击造成弱电设备损坏的就有数万次之多，就南充市而言，损失严重、影响较大的如：阆中柏垭配气站落雷，造成计量系统主控地与设备之间的电位差而损坏大量的保护设备；阆中七里变电站的落雷，由于感应过电压而损坏大量的通讯、远动设备；仪陇柳垭变电站的微波塔落雷，由于地电位差造成大量的通讯远动设备损坏；西充县义兴镇9村9社变压器及高低压线路落雷，造成1人死亡，220多户农户的家用电气、电表箱、电气线路遭受严重损坏，同时使临近变压器的天然气管道被击穿约1cm大的孔洞，造成该镇及周边1300户用户长时间停气。

分析这几次故障的主要原因，是由于一次设备发生雷击后在弱电设备造成的浪涌超过了设备承受的能力而损坏设备的，浪涌的主要形式是电源浪涌、信号浪涌。而这种浪涌在新建或扩建设备时又往往不被重视，所以本文在介绍常用的弱电防雷的同时，重点探讨了浪涌对弱电设备的危害及预防措施。

2 弱电设备雷电危害的主要原因分析

雷电会导致多种不同形式的危害，没有任何一种办法可以全面防止雷电的危害，通过各种有效的办法可将雷害的程度降到最低，在多年的实际中人们对直击雷、感应雷、球形雷的认识比较高，防护也相对完善，但对雷电浪涌的防护意识和防护措施相对比较薄弱，以上所列的四次典型的雷击弱电设备的情况就是对弱电防雷考虑不够造成的。其主要的雷电形式及雷害情况有以下几种情况[1]：

（1）直击雷是指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。

（2）感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。

（3）雷电浪涌是近年来由于微电子的不断使用引起人们极大重视的一种雷电危害形式，同时其防护方式也不断完善。最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌引起的。一方面由于电子设备内部结构高度集成化（VLSI芯片），从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降，对雷电（包括感应雷及操作过电压浪涌）的承受能力下降，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜人电脑设备。美国GE公司测定一般家庭、饭店、公寓等低压配电线（110V）在10000h（约一年零两个月）内在线间发生的超出原工作电压一倍以上的浪涌电压次数达到800余次，其中超过1000V的就有300余次[2]。这样的浪涌电压完全有可能一次性将电子设备损坏。信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。金属物体（如电话线）受到这些干扰信号的影响，会使传输中的数据产生误码，影响传输的准确性和传输速率。排除这些干扰将会改善网络的传输状况。

3 弱电设备防雷措施

按照防护范围可将弱电设备的防雷措施分为两类，外部防护和内部防护。外部防护是指对安装弱电设备的建筑物本体的安全防护，可采用避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等措施，这种防护措施人们比较重视、比较常见，相对来说比较完善。内部防护是指在建筑物内部弱电设备对过电压（雷电或电源系统内部过电压）的防护，其措施有：等电位联结、屏蔽、保护隔离、合理布线和设置过电压保护器等措施，这种措施相对来说是比较新的办法，也不够完善，下边对弱电设备防雷进行探讨，主要对雷电浪涌及地电位差的防护提出一些自己的看法。

3.1 弱电设备的外部防护

弱电设备的外部防护首先是使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引人大地；其次是在将雷电流引人大地的时候尽量将雷电流分流，避免造成过电压危害设备；第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉第笼，起到一定的屏蔽作用，如果建筑物中的设备是低压电子逻辑系统、遥控、小功率信号电路的电器，则需要加装专门的屏蔽网，在整个屋面组成不大于5m×5m，6m×4m的网格，所有均压环与避雷带等电位连接；第四是建筑物各点的电位均衡，避免由于电位差危害设备；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷击建筑物时接点电位损坏设备。

3.2 弱电设备的内部保护

从EMC（电磁兼容）的观点来看，防雷保护由外到内应划分为多级保护区。最外层为0级，是直接雷击区域，危险性最高，主要是由外部（建筑）防雷系统保护，越往里则危险程度越低。保护区的界面划分主要通过防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成，从0级保护区到最内层保护区，必须实行分层多级保护，从而将过电压降到设备能承受的水平。一般而言，雷电流经传统避雷装置后约有50%是直接泄入大地，还有50%将平均流入各电气通道（如电源线，信号线和金属管道等）。

随着电脑通信设备的大规模使用，雷电以及操作瞬间过电压造成的危害越来越严重。以往的防护体系已不能满足电脑通信网络安全的要求。应从单纯一维防护转为三维防护，包括：防直击雷，防感应雷电波侵入，防雷电电磁感应，防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑。

多级分级（类）保护原则：即根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程度和所属保护层确定保护要点作分类保护；根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多层级保护。

3.2.1 电源部分防护

弱电设备的电源雷电侵害主要是通过线路侵入。高压部分有专用高压避雷装置，电力传输线把对地的电压限制到小于6000V，而线对线则无法控制[2]。所以，对380V低压线路应进行过电压保护，按国家规范应有三部分：建议在高压变压器后端到二次低压设备的总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器或电源浪涌保护器，作一级保护；在二次低压设备的总配电盘至二次低压设备的配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器或电源浪涌保护器，作二级保护；在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装避雷器或电源浪涌保护器，作为三级保护[3]。

采取上述措施的目的，是用分流（限幅）技术即采用高吸收能量的分流设备（避雷器）将雷电过电压（脉冲）能量分流泄入大地，达到保护目的，所以，分流（限幅）技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系网络保护的关键，因此，选择合格优良的避雷器或电源浪涌保护器至关重要。

3.2.2 信号部分保护

在室外，大多数数据电缆都具有金属屏蔽层，一般都能够防护由于雷电流通过导线所引起的感应电压；在室外，数据电缆很容易受到瞬态过电压的影响。对于地下电缆，不同的接地参考点之间，将会受到电阻耦合瞬态过电压的影响；对于地上或架空电缆，则将会受到电阻耦合、电容耦合和电感耦合的瞬态过电压的影响。因此，在通常情况下，对于所有数据通信、信号和电话线路的输入和输出端都应安装适配的浪涌保护器，浪涌保护器的接地端及线缆内芯的空线在其末端均应电气接地。

信号线路设备浪涌保护器的选择，应根据线路的工作频率、传输介质、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式、特性阻抗等参数，选用电压驻波比和插入损耗小的适配的浪涌保护器。信号线路浪涌保护器参数应符合表1、表2的规定[4]。

3.2.3 接地处理

任何雷电形式的防护一定要有一个良好的接地系统，因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄人大地，从而保护设备和人身安全。如果机房接地系统做得不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰的屏蔽问题，防静电的问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。在解决防雷接地系统时除了考虑接地电阻外，更重要的是要考虑接地系统泄流面的大小，因此，外部防雷和内部防雷的接地系统一般均应进行共网联结，一方面可以增加接地泄流面，另一方面可以实现等电位联结，减少因地电位反击所差生的电位差对弱电设备造成危害。

4 结论

弱电设备的防雷问题是一个综合性的工程，尤其是弱电设备的雷电浪涌防护很多单位或个人的认识和重视不够，也常常由其而引起设备的损坏，所以在完善弱电设备外部防护的同时，要加强弱电设备的内部防护，形成一个综合防雷系统（图1）。

根据多年来防雷工作的实践和经验，建议在弱电设备的防雷方面加强以下几项工作：

（1）首先要完善弱电外部雷电防护，将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散。

（2）其次要阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波。

（3）第三限制钳位被保护设备上浪涌过压过流幅值在设备可承受的范围。

这三道防线，相互配合，各行其责，缺一不可。

参考文献

[1] 国家技术监督局、中华人民共和国建设部.《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000版）[M].北京：中国计划出版社，2001.2：4-44.

[2] 薛瑞民 邱传睿.《电子系统防护手册》.北京：中国铁道出版社，2002.8：3-11.

[3] 中华人民共和国建设部.《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.6：158-164.

[4] 中华人民共和国建设部、国家质量监督检验检疫总局.《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.5：1-17.