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当前位置:首页 » 专家谈 » 浪涌防护技术

浪涌防护技术

来源:机房360 作者:雷鸣文 更新时间:2010-2-2 14:50:03
摘要:浪涌总的来讲就是一个过电压,该过电压对电子信息平台(机房)来讲,主要是对电子设备的心脏的微电子芯片,造成电子设备的损坏,轻者造成电子设备的严重干扰。
    过压大致可来自三个方面,雷击造成的、电力网操作造成的和核爆炸造成的。后二者这里我们暂不论述。在下面的文章中我们只对雷击过电压进行讨论。   一 雷电的危害
  
  雷电危害可分为,直接雷击和间接雷击两种。
  
  直接雷击——是雷电直接击在物体上,同时产生电效应,热效应和机械力,高压和产生的电流会对地面物体造成巨大破坏,这种直接雷的现象不是很多。
  
  间接雷击——是破坏性极大,因为频繁,且造成的受害面积大;主要是感应雷和雷电波侵入;感应雷是在雷电放电时,在附近物体上产生静电感应场和电磁感应场,可使金属部件之间产生电火花。平时我们讲的雷电侵入,指的是雷电在放电时强烈的电磁脉冲,雷电反击和雷电过电压波,这些均能沿着架空线路和各种信号的进出线路及金属导管进入室内的设备和空间。雷电的破坏力主要表现在强大的电流,灼热的高温,猛烈的冲击波,剧变的电磁场及强烈的辐射。故对雷电干扰必须防护。
  
  目前的雷电防护技术大致分为两种引入,一种是限制的防护;第二种是引入;一是将绝大部分防雷电流直接引入大地泄散(称为外保护),二是阻塞沿电流线或数据信号线引入的侵入波(内部保护),三是限制被保护的设备上过雷电压幅值(过压保护)。
  
  对于重要的场所的低压供电系统,标准中要求防雷均要采取三级防护措施,故送给电子设备的总配电源,进入室内的保护和进入设备前的保护。
  
  近年来对雷电的防护提出六点计划:一、高效接闪器;二、安全引导入大地;三、完善连续的低电阻地网;四、清除地面回路;五、电源浪涌冲击防护;六、信号及数据线瞬变防护。
  
  前言中已谈到主要对雷击造成的过电压进行讨论,这里我们首先认识一下过电压。
  
  二 过电压
  
  雷击过电压是一种大气物理现象。是由一系列的放电而形成的。我们这里指的是过电压是因雷电直接击中在电线引雷针时,由于电阻耦合,电容耦合,电感耦合而引入电线,还有就是雷击在某地方造成不同地方之间的地电位不均衡等原因,在有源或无源导体上产生的瞬态过电压。
  
  它产生的能量强,有时它们放电电流可到20~40KA,在大雷暴时可达430KA。
  
  随着电子技术的飞跃发展,电子设备日益成为雷电破坏的主要对象之一,为此国内外的不少学者和专家,进行了不同地点不同场合的研究和试验,国际、国内相应出了一些标准:如,国际电工委员会(IEC),国际电信联盟(ITU)等组织,制定了相应得防雷和电磁脉冲中的标准,如IEC1024,1312,ITU的K系列标准等,我们国家的国标《建筑物防雷设计规范》(GB50057—94—2000版)信产部的(YD5098—2005)《通信局(站)防雷与接地工程设计规范》总装备部(GJB5080—2004),公安部,石油部等也颁发了不少行业和部门规范和规定,“在计算机信息系统加装有效可靠的防雷保安器,是国际上通用的最有效的防护措施。”
  
  根据《中华人民共和国标准法》的规定,在国标及部颁和行业颁布的标准可参考时,参照国际上有关规定执行。按照国际上有关规定:一个有效的防雷系统,它由三部分组成,直击雷防护、一点接地网络和抑制暂态浪涌电压,这三部分缺一不可。这其中正确的连接和接地是最关键的因素。下面简要的介绍一下这三部分,使大家使用中有一个基本概念。
  
  (一)直接雷保护
  
  使用避雷针(避雷网、避雷带),引下线和接地装置构成建筑物的直击雷保护,主要的要抑制引雷过程中的二次效应。这是我们在下面连续的刊登中要重点讨论。直击雷的防护技术国内外均成熟,已推广应用,就不再讨论了。
  
  (二)一点接地网络(联合接地)
  
  除了独立避雷针外,其它交流地,保护地,信号逻辑地,防雷地(二次效应所产生),屏蔽地,静电地,功率接地,高频接地,音/视频接地和CAS、OAS、BAS、FAS、SAS、PAS等的地的接法,诸如此类接地有它们的共同点,同时还有各自得特殊性,接地方式有一些差异,但要如此多的地均成为“一点”接地,网络系统(大地基础这个“大点”)目的是使如此的接地的电位差不随雷击电流的变化而变化。主要的方法就是等电位(总等电位、等电位、局部等电位、法拉弟笼等)联结。
  
  (三)瞬态过电压抑制,这也不是我们浪涌防护技术中讨论的重点。
  
    浪涌是过电压的暂态放量,我们要在过电压发生的瞬间(一般为微秒级(uS)到纳秒级(nS))要求在这瞬间,在保护压区域内的所有金属部件之间处在同一个电位上,等电位是用过电压保护器或联接的金属材料将处在需要防雷的空间内的防雷装置,建筑物的金属构件,金属装置。外来的导体物,电气和电信等金属连接起来,在我国的《建筑物防雷设计规范条文说明》中谈到的等电位的目的:等电位连接的目的在于减小需要防雷的空间及各金属部件的各系统之间的电位差。《建筑物防雷设计规范》中规定:装有防雷装置的建筑物在防雷装置与其他设施和建筑物内人员无法隔离的情况下应采取等电位连接。在建立这个等电位连接网时,应注意使相互之间必须进行信息交换的电器和电子设备与等电位连接带之间的连接导线保持最短距离。
  
  式中L——电感
  
  式子中的L越大,瞬变电流在电路中产生的电压越高,而电感主要决定于连接导线的长度成正比,同此应使连接导线尽可能短些,同时采用多条连接导线并连联也能明显降低电感量,这就是在防雷接地中,为什么采用星形或网状结构将被保护的装置连接到等电位上的理念的由来。
  
  我们建立了由连接导线和电涌保护器组成的等电位网后,当网络出现瞬态浪涌过电压,甚至受到雷击时引起的第二次效应时可以认为在极短时间内形成了一个等电位岛,这个等电位等对于远处的电位可高达数十万伏,由于岛内保持了等电位连接所以有等电位时之间不会产生有害的电位差,
  
  但是由于电源的复杂性,不仅可能存在各线对他的(纵向)危险过电压,而且可能存在各线之间的(横向)危险电位差,为了更加安全的考虑,也可在各相线之间再加装一组可靠性高的过电压保护器。
  
  对于系统中无法使用连接导线进行等电位连接的地方,应使用浪涌过电压保护器(SPD),来达到瞬态等电位连接。我们在选择元件时,要选一些效应速度快,在极短的时间内能将数十千安的电流流入大地。
  
  在选择浪涌过电压保护器时(SPD)取决于,1、各个电路的参数;2、过电压保护器的工作电压;3、安装在此电路中所有部件的额定电压参数,要达到的残压,这根据安装在此电路中所有部的耐压强度确定。
  
  对数据传输电路而设计的(SPD)应考虑其传输速率,对于过电压保护系统的基本点就是将直接雷的防护等电位连接和系统的安装SPD有机的结合起来。对SPD的选择适当型号,注意安装的位置和彼此配合的层次,这里我们要明确指出,这是一个系统工程,不是单一的项目,作为一个系统工程,SPD的选择是前提,勘察设计是关键,施工安装是保障。只有合格并且和合适的产品选型,完整而全面的设计方案,加以符合专业规定和标准的施工安装,才能完整建立起行之有效的过电压保护系统。
  
  三 雷电电磁脉冲(LEMP)
  
  GB50057——94(2000年版)《建筑物防雷设计规范》的第六章防雷击电磁脉冲是一种干扰源。
  
  LEMP是雷击时产生的强大闪电流及其电磁场。它的感应范围相当大,对建筑物,人身和各种电气设备及管线都会有不同程度的危害,这种危害就是雷电电磁脉冲产生的干扰,它传输的途径有三种:一种是空间传输的辐射干扰,闪电通道和引导闪电电流的导引物体大都起到辐射天线的作用,向周围空间辐射电磁波。二、是导线传输的传导干扰,雷电的电磁干扰(EMI)是通过电力传输线,信号线,地下电缆或地上电缆线,无线缆线,各类金属管道等导线传输。三、是复合干扰,也就是导线传输干扰和辐射干扰的复合形式传输,LEMP的电磁干扰(EMI)对电气和电子设备及系统的侵入也是通过不同的途径,一般从电源线引入信号导入线和信号输出线引入,以及辐射电磁场侵入等。
  
  做为电子信息平台(机房)均都是各类的电子设备和精密的电力辅助设备,当今电子技术日益向高精度高灵敏度高效率和高可靠性方向发展,这些电子设备非常灵敏,但耐压很低电子设备都承受不了±5V的电压波动,这里以各种计算机为例,当雷电电磁脉冲的磁场强度超过0.07GS时就会引起计算机的误动作,当磁场强度超过2.4GS时就会造成计算机的永久性损坏。因此,目前国内外对雷电电磁脉冲采取可不少可行的防护措施。
  
  较为理想的设计方案是笼式避雷网,它是利用法拉第笼原理。因建筑物的金属结构物多可以不用很多钢材就可很容易连接起来形成法拉第笼,从而来达到建筑物内的电子设备得屏蔽;屏蔽做得好,一能防御空间电磁波的辐射,二可使建筑物内部的分流和均压达到最佳效果,但是不是简单的屏蔽做法,而是应根据建筑物内电子设备的要求决定。
  
  由于设备的精度和使用的要求不同,性质也不同,有的电子设备仅仅对设备本身屏蔽,有的要求设备与设备之间做屏蔽有的要一个机房屏蔽。
  
  防御雷电电磁脉冲对室内布线的要求非常严格,由于防雷做引下线的钢筋和混凝土柱内的钢筋和整个建筑物的屏蔽网都设在外墙处,当然雷电流需经过这些钢筋分流到大地接地装置上,故所以外墙处的电流密度很大,电磁场也强。所以建筑物种的电源和通信导线路的主干线不应靠近外墙最好设计在建筑物的中心部位,建筑物内的各种电气馈线都要穿金属管保护最好用屏蔽电缆敷设,在要求特殊的电源处,还应加装电涌保护器及滤波等装置。
  
  防御雷电电磁脉冲一个重要的环节,对接地的要求也很严格由于是利用建筑物结构钢筋作屏蔽。因此,必须采用综合共同接地方式,即将防雷接地电源的的工作接地各种装置的外部铁管外皮和高频电子设备的信号接地都统一接到建筑物的基础接地网上,为避免杂散电流和电位反击,有条件的基础接地网、防雷地工作接地,及信号接地接地点均有距离要求就是同网不同点千万不可麻痹大意。及有条件的接地点无法按规范和标准躲开,各类接地需要与结合先用接地系统的接地板连接,应在它们之间分别加装不大于直流300V的放电管或等位电的均衡器,接地电阻值不大于1Ω,散流面积必须足够大如果接地电阻值的要求不一致,应取最低值。
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