浅析广电机房防雷保护系统

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  摘 要 雷电灾害是被国际电工委员会(IEC)称为“电子化时代的一大公害”。因为,随着现代科学技术的迅速发展,各种高、精、尖的设备来到我们的身边,其中广电网络和电子网络正以惊人的速度延伸至世界的每一个角落,置身于网络时代,使我们与世界的联系变得更加的紧密,在享受着网络带来的新感觉的同时,也品尝了许多早已遗忘的烦恼,雷电开始“照顾”这些“娇嫩”的设备。因雷电导致的系统瘫痪以及设备损坏比比皆是,造成不计其数的人力和物力损失。雷电灾害和防雷又成为社会各界关注的焦点。
  关键词 雷电 防雷保护
  一、广电设备屡遭雷害的原因
  1、随着科学技术的日新月异,各类电子产品在广电系统中得到了广泛的应用,广播电视传输网络、电子和通信设备日益增多,音视频信号传输暴露在室外的线路越来越长,遭受雷击的概率大大增多,广电网络庞大, 有源器件又多,遭雷击的机会就多, 雷电对广电设施及传输系统危害甚大,严重危害到广播电视系统的安全。
  2、随着广电增值业务的开展和竞争加剧, 对广电网络安全优质传输提出了更高的要求。但广电设备系统越是先进,芯片的集成度就越高,印刷电路板的线间距离越来越小,电路越复杂,工作电压越低,对环境稳定性的要求也越高。使得设备抗雷击能力越来越弱。
  3、抗干扰和耐冲击始终是广电设备系统在恶劣电磁环境下应用中的两大薄弱环节。而雷击事件由于其极高的电压幅值和不可预测性更是广电设备系统的“天敌”。在广电系统中,对各类电子设备(包括计算机、通信设备、控制系统、仪表等)中,对抗电磁干扰考虑的比较周全。但对于使用弱电的电子设备(如:保护设备、通讯设备、自动化设备、计算机设备、网络设备、传真机、UPS电源设备等)的防雷显得相对薄弱。尤其对雷电电磁脉冲的防护相对薄弱,而雷电电磁脉冲的侵袭是在瞬间造成电子设备永久损坏的第一杀手。
  4、由于电子设备门类繁多,系统结构不尽相同,设备性能、功能各异等等,但都有共同特点,即:全都使用了微电子器件。这类器件的耐雷电及抗过电压能力很弱,仅仅几伏到几十伏,极为敏感,易于受损。正如IEC-1312-1中所指出:“雷电作为干扰源是一个能量极高的大气物理现象。多次雷击释放许多个数百兆焦耳能量,这一能量与足可影响敏感电子设备的毫焦耳量级能量差别悬殊,所以需要有一种合理的工程保护办法”。
  5、雷电的破环因素不是单一的,有直击雷、雷电感应高电压和雷电入侵波等,而且雷电的破坏渠道也不是单一的,可能来自设备的信号线路通道、电源线路通道、或者是天馈线路通道、接地线路通道等等。 每年各种电子设备因雷击而遭受破坏的事例屡见不鲜,因此如何保护机房及其电子设备等免遭雷击损坏也越来越引起了各方面的高度重视。 因此,从整体、综合、系统、全方位、多层次上有效地防止雷击对机房及其广电设备所产生的危害,是保证广电系统安全、稳定运行的重要保证。
  二、发生雷击现象的分析
  一方面,由于广电设备的种类多、数量庞大、工作环境复杂、雷电侵入的通道多;另一方面,以微电子技术为基础的电子信息设备因其集成度高、工作电压低、其耐过电压、过电流和抗雷电电磁脉冲的能力差,极易遭受雷电的危害,特别是雷电电磁脉冲造成的损害更为严重。从卫星、通信、导航、计算机网络系统、广播电视系统、通信指挥系统和有室外天馈设备的系统更是雷电的重灾区。从某种意义上说,科技越发达,雷击对人类的危害就越大。 因此,国际电工委员会(IEC)将雷电灾害称为“信息时代的公害”。
  雷电对广电设备造成危害,主要有三种形式:
  1、直击雷:直击雷是带电云层和大地之间放电造成的。直击雷蕴含极大的能量,放电电流可达到几百千安,具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中,巨大的雷电流沿引下线入地,使地电位迅速抬高,造成反击事故, 危害人身和设备安全。 雷电流产生强大的电磁波,在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。 雷电流流经电气设备产生极高的热量,造成火灾或爆炸事故。
  2、 传导雷(雷电波侵入):远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压,由室外电源线路和通信线路传至建筑物内;雷电击中附近建筑物或附近其他物体、地面,导致地电压升高,并在周围形成巨大的跨步电压,通过接地系统或建筑物间的线路入侵建筑物内部设备形成地电位反击,损坏电气设备。
  3、感应雷(雷电波感应):
  雷击后巨大的雷电流在周围空间产生交变磁场,由于电磁感应使设备感应出高电压,在所有的导体上产生足够强度的感应浪涌。因此分布于建筑物内外的各种电力、信息线路将会感应雷电而对设备造成危害,从而使设备损坏。
  随着现代高科技的发展,精密仪器,通讯设备,数据网络的应用越来越广泛,因而感应雷造成的雷击事故也越来越多,除直接造成了巨大的经济损失外,因重要设备损坏使系统网络陷入瘫痪后造成间接的损失更是惊人。“感应雷”占雷击率近90%,危害范围甚广,广电系统的电子设备受雷击损坏,主要是感应雷造成的。
  三、综合防雷保护系统
  雷电灾害与高科技的发展相伴,要将雷电灾害减至最低,就必须全面实施信息时代的综合防雷治理。早时期单一的、片面的防雷措施已不能保证广电设备的安全和畅通, 因此,广电设备系统雷电防护应采取的措施也就不能是单一的,千篇一律的。而应从整体、综合、系统、全方位、多层次上去考虑防护措施。
  综合防护措施和技术可概括为:两个部分(外部防护、内部防护)和五项技术(分流、接地、屏蔽、等电位连接、安装SPD(防雷器))。不同部分和各项技术都有其重要作用,相互之间紧密联系,不能将它们割裂开来,也不存在替代性。雷击的防护是一项系统的工作,需要根据不同的特性给予相应而全面的保护。
  1、外部防雷:外部防雷包括避雷针、避雷带、引下线、接地极等等。避雷针安装于信号发射铁塔的顶端,起到接闪的作用,将雷电发生时的雷电流引导到自身,并通过与大地中接地装置连接的引下线、避雷带,将雷电大部分能量泄放入地。其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭。   2、内部防雷: 是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。概括地说,当今电子设备的防雷手段,主要采用分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护五种方法。使设备、线路与大地形成一个有条件的等电位体。将进入内部设施的感应雷电流通过SPD(防雷器)安全泄放入大地,确保设备的安全。
  分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护五种方法:
  分流: 利用避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流能量沿引下线安全地流入大地,尽可能 将多余能量在引入信息系统之前泄放入地。 防止雷电直接击在建筑物和设备上。
  屏蔽: 屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段之一。屏蔽的目的,一是限制某一区域内部的电磁能量向外传播,二是防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。设备系统所有的金属导线, 包括电力电缆、通信电缆和信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽,利用建筑物钢筋网和其他金属材料,使机房形成一个屏蔽笼。用以防止外来电磁波(含雷电的电磁波和静电感应)干扰机房内设备。
  等电位连接: 将机房内所有金属物体,包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳等金属构件进行电气连接,并与接地系统连通,使所有导电部件之间不能存在显著的电位差,以均衡电位。从而达到保护设备和人身安全的目的。
  接地: 接地是分流和泻放直击雷和雷电电磁干扰能量的最有效的手段之一,也是电位均衡补偿系统基础。目的是使雷电流通过低阻抗接地系统向大地泄放,从而保护建筑物、人员和设备的安全。
  过电压保护: 在电子设备的信号线、电源线上安装相应的过电压保护器,利用其非线性效应,将线路上过高的脉冲电压滤除,保护设备不被过电压破坏。
  四、防雷保护系统的整体概念:
  防雷是在闪电通道和避雷针泄流通道及其周围整个三维空间内对雷电的全面防护,这是一个全新的思维。即,不但要防直击雷,更重要的是防感应雷(雷电电磁脉冲);不但要进行“路”的防护,更重要的是对“场”的防护。
  全面的信息防雷原则和行之有效的工程技术方法应为“整体设计、综合治理、系统实施”原则和“有效拦截、良好屏蔽、均衡连接、合理接地、堵截通道、全面防御”的工程技术方法。
  (一)整体设计、综合治理、系统实施
  防雷是一个系统工程,任何单一措施的防护作用都是不全面的。正确的方法应首先对需要防雷保护的系统进行详细勘察,制订技术方案,并依据国家和有关行业的技术标准、规范,进行正规的工程设计。在此过程中,应从宏观到微观、从内部防雷到外部防雷、从天线到地线、从强电到弱电统筹考虑、系统设计。即对避雷针、地线、屏蔽、均压接地网络,以及雷电过电压容易侵入的通道,如电源系统、天馈系统、信号传输系统等有针对性地采取相应的技术措施,进行综合治理。
  (二)有效拦截、良好屏蔽
  1、有效拦截
  其思路是:改善直击雷措施是根据技术规范完善避雷针、避雷带等设施。必要时采用各种经过实践检验的、对雷电流某一物理效应有明显效果的新型避雷针和优化避雷针,以降低雷电流陡度(di/dt),从而减小二次雷击的感应电压。或在条件允许、经济可承受的前提下,尽量降低接地电阻等。
  2、良好屏蔽
  (1)信号电缆的屏蔽,要点是:敷设、排流防雷、穿管(槽)走线、可靠接地。电缆的屏蔽性能与电缆外导体或屏蔽体是否接地以及它的敷设形式有关。电缆不同的敷设形式,其屏蔽效果也大不相同,架空电缆比埋地电缆更易受雷电损坏。(2)设备的屏蔽,主要依赖其外壳。对于屏蔽要求很高的设备,应设置专用的屏蔽室。设备外壳和屏蔽室的屏蔽体都应良好接地。
  (三)均衡连接、合理接地
  1、均衡连接
  即完善均压网络。对保护范围内的所有不带电金属导体应进行严密的等电位连接,并与符合要求的地线可靠连接。从而形成一个统一的、适应不同负载特性和频率的低阻拦接地网络。该网络由总等电位连接箱(MEXT)、局部等电位连接箱(MEXT)和等电位连接导线组成。该网络内各部分之间只能由等电位连接点(公共接地点)与接地装置连接,彼此间没有闭合回路。应注意处理好几个方面的等电位连接问题:(1)建筑物内不带电金属物的等电位连接:包括各种金属管道、建筑钢筋、电缆屏蔽层、供电系统中的中性线或保护接地线、各种金属机械设备的外壳和它们间的金属管路等。(2)建筑物顶不带电金属物的等电位连接:如电梯、通风、空调、旗杆、广告牌、铁栏杆等。(3)建筑物外带电金属物的等电位连接:如上述设施的电源线、信号线、控制线等。
  2、合理接地
  (1)改造地线,依据规范和不同的信息系统对接地的要求,对不符合要求的地线进行适当改造。必要时采用低阻、高效、非金属接地模块和高效降阻剂,以减小地线电阻,从而为降低反击电位和“共地”提供前提条件。(2)合理接地,最好将设备系统的接地和防雷接地实行共地。即由公共接地点提供保护接地、工作接地和防雷接地等所需的基准零电位,避免出现因各系统分别接地在个各地线间产生毁坏性电位差。上述措施运用得当,可在一定程度上抑制建筑避雷系统对信息系统的负作用,即为感应雷的防护提供了良好的前提。
  (四)堵截通道、全面防御
  对雷电电磁脉冲容易入侵的所有通道,如电源线、天馈线和各种信号传输线等带电金属通道,除要求合理布线、严密屏蔽外,最简便、最经济的措施是分别加装避雷装置,以堵截雷电过电压。加装避雷装置的实质是使带电金属导体实现等电位均压连接。
  1、电源通道
  根据相关技术规范,实行合理的避雷器防护方案。在此过程中,严格遵从以下原则:(1)多级防护原则;(2)能量配合原则;(3) 绝缘配合原则; (4)区别不同接地制式原则。
  2、天馈通道
  对不同设备的天馈线系统,根据其工作频率、功率、阻抗等参数的不同,选择加装不同的天馈线避雷装置。一般在室外端和室内与设备的接口端分两级设置。
  3、信号传输通道
  信息系统是一个广义概念,包括的专业领域很多。他们的系统结构、设备配置、工作电压、工作频率、传输速率及阻抗等均有很大差别。因此,它们所要求的防雷技术方案和防雷器件也不同。好在现代科技的发展,已有针对不同信息系统防雷要求的、标准化的防雷器件与它们相适应。这就为防雷工程的应用提供了很大的方便。 信号传输系统同样应根据不同的系统类型、系统结构、设备配置、工作电压、工作频率、传输速率及阻抗等,选择加装不同的信号避雷装置。
  以上是广电系统防雷工程的基本环节和主要措施,它们之间也是既相互独立又相互联系的。面对无孔不入的雷电电磁脉冲,所有有源或无源通道都是其入侵的途径。任何单方面的措施,其防雷效果都将大打折扣,因此,系统防雷工程必须从全面考虑,做到层层防护,不留一丝隐患。
  (作者单位:内蒙古包头市微波站)
  参考文献:
  [1]浅谈电子信息系统的雷电防护工程技术[J].北极星电力网技术频道,2007.
  [2]中心机房防雷及接地防护系统[J].合肥志鸿科技有限公司,2010.
  [3]广电中心微电子设备防雷探讨[J].武汉金宏防雷工程有限公司.刘泽雄.
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