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1、1三遥系统的防雷措施一、雷电的危害雷电是一种常见的自然现象，不仅发出划破长空的闪电和震耳欲聋的轰鸣声，还会对人类的生活和生产做成很大的影响。雷电的危害主要有：雷电直接威胁人的生命安全，每年世界各地都有不少因遭受雷击而死亡的报道。雷电会造成建筑物损坏，雷电之际击中建筑物会造成建筑物的损坏，严重的还会坍塌。雷电造成建筑物或森林火灾，强大的雷电流释放的热量非常容易点燃建筑物的易燃物体和材料，点燃森林树木，造成火灾，古代成为天火。雷电造成电力、电气和电子设备的损坏。雷电对电力线路、供配电设备和电子设备的损害，已经成为非自然故障中的主要原因，且所造成的损害非常严重。雷电干扰电子系统的正常运行，雷电所感应
2、的能量巨大的电磁波，对电子系统带来强大的干扰。二、雷电放电的特性雷电放电是由于带电荷的雷云引起的，带有大量电荷的雷云由于静电感应的作用，在下方的地面或建筑物带上反极性的电荷。当雷云的电荷积累到一定程度，就开始发生局部放电，称为先导放电。先导放电到达地面后，就开始了主放电阶段。主放电阶段持续时间约为 50100S ，雷电流达数十至数百 KA，此后进入 0.050.15S 的余辉阶段。随后是重复放电阶段，单雷电流较小，一般在 30KA 之内。如下图所示。先导放电主放电余辉电流 重复放电2图 2.1 雷电放电波形图在一次放电过程中，由三个参数用于表示放电特性：电流幅度、波头时间和波长时间。参数取值入
3、下图所示：Im1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1tT2T1 图 2.2电流幅度Im；波头T2/（0.90.1） ；波长T1。对于不同的建筑物防雷类别，规定了相应的波形参数，入下表所示：表 1 首次雷击的雷电流波形参数波形参数 第一类 第二类 第三类电流幅值 Im(kA) 200 150 100波头时间（S ） 10 10 10波长时间（S ） 350 350 350表 2 后续雷击的雷电流波形参数波形参数 第一类 第二类 第三类电流幅值 Im(kA) 50 37.5 20波头时间（S ） 0.25 0.25 0.25波长时间（S ） 100 100 100三、 雷电对
4、电子系统设备的危害3.1 雷击危害的特点3雷电放电和感应出的雷电流非常大，通常在几 KA 到几百 KA 之间。而一般的电子设备的工作电流也不过几十安培。如此强大的电流流过电子设备，对电子设备或某些元器件必然会造成永久性的损坏。同时还会在没有进行等电位连接的电子设备、线路之间产生几十万伏特的过电压，导致击穿，不仅会损坏线路、设备，还会引发火灾。因此，雷电的危害，较之其它的危害，损失更大，后果更为严重。3.2 雷击危害的概率有统计显示，在非人为的电子设备损害的事故中，有 80的原因是雷电引起的。同时根据气象部门的统计，全国的年平均雷电日接近 50 天。同时由于城市建筑物高度越来越来高，越来越密集，
5、使得地面落雷密度也相应增大了。因此可以看出，雷电对电子系统设备的损坏概率还是比较高的。3.3 雷击危害的途径一般来讲，雷电侵害的途径主要有三个：1、直击雷建筑物或安装在室外的系统部分设备直接遭受雷击时，通过防雷系统引下线和接地体汇入大地，由于接地电阻不可能为零，以及引下线的寄生电感的存在，会在建筑物或设备上接地点中产生暂态高电位。如下图 3.1 所示：避雷针 天馈感应电荷 iI A系统连接电缆供电建筑物接地体建筑物 1I电源 设备 1 设备 2建筑物 2设备 4图 3.1暂态电压可以用下式来表示：UA=Rgi+Ldi/dtUA 为 A 点的暂态电压；Rg 为 A 点接地电阻， L 为接地线的寄
6、生电感。由于放电电流和波头陡度都非常大，因此在 A 点的暂态电压也非常高。这样就会对建筑物内距离以引下线较近的线路和设备和与室外设备连接的其它设备发生放电击穿，导致电子设备严重损坏，甚至会引发火灾和人身伤害事故等。直击雷产生的损害最大，但发生的概率较少。2、感应雷指因雷击所引起的静电感应和电磁感应对电子系统设备产生的危害。因此分为静电感应和电磁感应两种情况。（1）静电感应当安装有电子设备或铺设有电缆的上方有带电的雷云出现时，雷云下方的建筑物、设备、导线等在静电感应的作用下带有大量的相反电荷。当雷击发生时，雷云电荷和感应电荷发生迅速中和，而局部的感应电荷因与大地的接地电阻较大，不能在同样短时间内
7、消失，就会形成局部地区的感应过电压，如下式所示：Vc=Ve(-t/RC) ；其中：V=Q/C式中：Vc雷击发生后局部高压地区与大地之间的电压；V雷击发生的刹那间高压地区与大地之间的电压；R局部高压地区与大地之间散流电阻；C局部高压地区与大地之间的电容；T雷击发生后的持续时间；Q局部高压地区积累的静电荷。局部高压在架空线路上可以达到几十到几百 KV，对与其相连接的电子设备发生放电击穿，对电子设备形成较大的危害。（2）电磁感应在发生雷击时，雷电流有着极大的峰值和和陡度，强大的变化电流必然会5在起周围产生强大的磁场，在处在磁场中的导体上感应出很大的电动势，如促高的电动势不仅会损坏电子设备，甚至会引发
8、火灾。感应雷的破坏性虽然没有直击雷那么强烈，但发生的概率很大，一方面由于直击雷直对发生闪击的建筑物或设备产生危害，但感应雷对闪击点附近周围的建筑物或设备陡能造成危害。另一方面，直击雷只有对地闪击时才能造成破坏，但感应雷则不论雷云对地还是雷云之间闪击都能发生，且雷云之间的闪击发生的概率要远高于对地闪击。因此，感应雷的危害更大更难以防范。如图 3.1 中建筑物 A 的避雷针引下线电流产生的磁场，在靠近引下线的设备连线上感生的电流 I。3、反击雷指靠近建筑物的避雷设施、另一建筑物或有电缆连接的两个建筑物，其中之一遭受雷击，暂态电位提高，对相关联的另一建筑物产生的反击现象。如图 3.1 建筑物 1 遭
9、受雷击，建筑物 1 的整体电位提高，但建筑物 2 的电位没有提高，两建筑物之间存在很大的电位差，通过两个建筑物设备之间的连接电缆产生反击。下面我们针对三遥系统的特点来分析雷电对三遥系统和设备的危害途径。一个三遥系统中厂（站）测控端站分系统设备连接图如图 3.2 所示。6图 3.2 厂（站）测控系统设备连接图在以上系统中，雷电侵入的可能途径有：1、因通信天线超出建筑物避雷针的保护范围，遭受雷击，通过馈线引入直击雷；2、在雷云接近建筑物上空时，在天线上产生静电感应，通过馈线引入感应雷。3、建筑物遭受雷击，整体电位提高，由于 RTU 设备没有接地，与周围的环境存在电势差，产生局部放电。4、高压输电线
10、路感应雷电，产生极大的电源浪涌，损坏 RTU 设备；5、天馈线距离避雷针引下线太近，建筑物遭受雷击时，在馈线上产生电磁感应，引入感应雷；6、仪表连接电缆感应雷电，引入感应雷；7、仪表所连接的水管感应雷电，通过连接电缆对 RTU 设备造成反击。8、机房遭受雷击，通过机房电脑等设备与 RTU 设备的连接线缆对 RTU 设备造成反击。四、防雷措施针对雷电损害的不同的起因和特点，设计采用不同的防雷措施。4.1 直击雷的防范首先要保证建筑物安装有规范的避雷针和接地体，楼顶架设通信天线时，务必要保证天线的顶端在本建筑物避雷针或相邻建筑物避雷针的防护范围之内。同时，安装天线的金属支架和天馈线的屏蔽层必须可靠
11、的与建筑物防雷网可靠的连接，即便在遭受雷击时，也要保证多数能量直接通过防雷网和引下线泄放到地下，而不是引入室内。但对于安装在室外较高部位，不在周围建筑避雷针的作用范围内的设备和线路，应当采取防直击雷的措施。方法之一就是在设备上方自行安装避雷针，并保证良好接地，接地电阻不大于 10 欧姆。避雷针的入地线要与设备线路保持1 米以上的距离。无法保持距离的，设备线路必须穿金属管屏蔽并良好接地。严禁架设没有可靠接地设施的避雷针。4.2 感应雷的防范感应雷由于其发生的概率较多，所以是防范的重点。对于感应雷的防范，7主要采取以下几个方面的措施：1、对于室外敷设的电缆，尽量采用埋地敷设的方式，且埋地深度应在6
12、0cm 以下，采用墙面附着敷设的线缆，要穿金属线管屏蔽防护，且金属线管尽可能的可靠接地。尽量避免架空线路敷设。严禁沿建筑物防雷引下线附着捆扎线路。建筑物外墙面垂直敷设线路时，应尽量避开防雷引下线。2、室内设备安装的设备应离开建筑物外墙面一定的间隔，避免由防雷引下线产生的磁场感应电动势对设备造成破坏。3、在电源供电端和室外敷设的信号线路两端加装相应的避雷器。在三遥系统中常用的避雷器主要有：电源浪涌保护器：安装在 RTU 设备的交流供电端，用来抑制从供电线路感应进来的浪涌电流。天馈防雷器：安装在电台的天馈输入端，用来抑制从天馈感应来的电流。双绞线防雷器：安装在 RTU 和计算机的串口输入端，用来抑
13、制通讯线路感应的电流。电源浪涌保护：对于低压供电系统，浪涌引起的瞬 态过电压（TVS）保护，最好采用分级保护的方式来完成。从供电系统的入口（比如大厦的总配电房）开始逐步进行浪涌能量的吸收，对瞬态过电压进行分阶段抑制。 第一道防线 应是连接在用户供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防浪涌保护器。一般要求该级电源保护器具 备 100KA/相以上的最大冲击容量，要求的限制电压应小于1500V。我 们称为 CLASS I 级电 源防浪涌保护器。 这些电源防浪涌保护器是专为承受雷电和感应雷击的大电流和高能量浪涌能量吸收而设计的，可将大量的浪涌电流分流到大地。它 们仅提供限制电压（冲击电流流过 SP
14、D 时， 线路上出现的最大电压成为限制电压）为中等级别的保护，因为 CLASS I 级的保护 器主要是对大浪涌电流的吸收。仅靠它们是不能完全保护供电系统内部的敏感用电设备。 第二道防线 应该是安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电设备处的电源防浪涌保护器。 这些 SPD 对于通过 了用户供电入口浪涌放电器的剩余浪涌能量进行更完善的吸收，对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。 该处使用的电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为45KA/相以上，要求的限制电压应 小于 1200V。我 们称为 CLASS II 级电源防浪涌保护器。一般8的用户供电系统作到第二级保护就可以达到用电设备运行的要求了（参见 U
15、L1449-C2 的有关条款）。 最后的防线 可在用电设备内部电源部分使用一个内置式的电源防浪涌保护器，以达到完全消除微小瞬态的瞬态过电压的目的。 该处使用的电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为 20KA/相或更低一些，要求的限制电压应小于 1000V。对于一些特别重要或特别敏感的电子设备，具 备第三级的保护是必要的。同时也可以保护用电设备 免受系统内部产生的瞬态过电压影响。4.3 反击雷的防范反击雷的防范，除了尽可能的减少不同建筑物之间的线路连接外，采用光纤传输是很好的防范办法。另外建筑物接地体互连以及在线路两端加装保护器，也是防范反击雷的有效措施。4.4 通用的防雷措施4.4.1 接地1、
16、接地的意义接地具有两个方面的意义：一是为浪涌电流和积累感应电荷提供泄放的途径；二是为电子系统提供基准的工作电位。2、接地的分类及其方法接地按照用途分为保护接地和工作接地两个大类。（1）保护接地 保护接地又可分为防雷保护接地和机壳安全保护接地。防雷接地是受到雷电袭击（直击、感应或线路引入）时，为泄放雷电流的接地系统。机壳安全接地是将系统中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。原因是系统的供电是强电供电（380、220 或 110V） ，通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源的供电火线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，如果没有很好的接地，那么这带电体和地之间就有很高的电位差，如果人不小心触到这些带电体，那么就会通过人身形成
