防雷技术讨论资料1.doc

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1、CDMA宏基站GPS天线端口雷击事故原因剖析 关键词：接地、地电位反击 1引言随着中国联通CDMA网络的不断发展，CDMA宏基站大面积投入使用，设备在几年的实际运行中暴露的雷击事故逐渐显现，在宏基站雷击事故中，GPS接收模块损坏的数量占到了实际事故总数量的主要部分。由于GPS接收模块损坏，造成GPS信号丢失，CDMA宏基站无法正常工作，给客户造成了恶劣的负面影响。本文将结合GPS接收电路的特点对GPS接收模块损坏的具体原因进行分析和探讨。2GPS接收机防雷原理GPS室外天线中内置有低噪声高放电路，所以天线的馈线中除了有1.575GHz的射频信号外还有5V的直流内馈电源。GPS天馈防雷器需要从两

2、个方面进行防雷，利用带通滤波的原理对射频信号进行防雷，同时还要用两级组合的方式对内馈直流电源进行防雷，使GPS天馈防雷器的限制电压低于10V。3GPS接收机雷击损坏分析GPS接收机天线端口不同于一般的接收机电路，信号从室外天线端口进来后不经过带通滤波电路，而是直接进入放大电路，所以GPS接收机抗雷击浪涌的能力十分脆弱，在GPS接收机天线端口加装防雷器防止从馈线感应来雷是必需的。如果仅安装防雷器而其它接地工程上的问题没考虑周全，同样会使雷击损坏事故频繁发生。防雷接地是一个系统工程，YD5068-98移动通信基站防雷与接地设计规范3.3.3规定：“馈线避雷器接地端子应就近引接到室外馈线入口处接地线

3、上，”YD/T5098-2001通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范中也做了类似的规定，在通信基站接地施工中实际上把接地分为室内工作接地、室外防雷接地、避雷针接地三根走线，三根接地线分别与总接地网相连。室内接地汇流排接室内设备的工作接地和电源防雷地，室外接地汇流排接主馈线入室处接地和天馈避雷器接地，为了防止雷击情况发生时出现地电位反击现象，三根接地线在地面上的部分是不能直接相连的。但移动通信基站设备存在自身的特殊性，收发信机的天馈线铜外皮与设备上的金属外壳是直接相连的，与室内工作和保护接地连接，而天馈线从室外引入时铜外皮又与室外接地汇流排相连，大部分天馈线的铜外皮甚至与装有避雷针的铁塔直接相

4、连，从而造成同轴馈线铜外皮把室内工作地与室外防雷地直接相连。当通信基站遭受雷电侵入时，雷电流不仅通过室外接地汇流排流入大地，还有部分雷电流分流后，通过天馈线铜外皮经基站设备整个外壳后经安全接地线到室内接地汇流排流入大地，整个室内接地线系统都将存在较大的电压梯度，由雷电引起的地电位反击绕过天馈避雷器将直接造成基站设备损坏。现在从理论上简要分析上述地电位反击情况，图一为通信基站的接地示意简图：通信机房与避雷针共用一个接地网，机房中A为室内接地汇流排，B为室外接地汇流排，AE为设备接地线， DF为天馈线，中间串接天馈避雷器，室内接地汇流排和室外接地汇流排分别经导线引入接地网。当铁塔上的避雷针遭受雷击

5、时，假设雷击电流为50KA 时，铁塔高度50米，雷电流从H至G点流入地网（极少部分通过馈线外皮接地处从F点经B至C点流入地网，本处分析忽略此因素），我们忽略地网接地电阻进行理论分析，雷电流产生的电压降UHG=IR+L ，假设铁塔的直流电阻为0.2，铁塔垂直方向的单位电感为1.67H/m，直击雷浪涌电流上升沿时间为1.2s，则UHG=50KA0.2+1.67H/m50 m =3489167V，铁塔上的电压差为3489.167KV，平均每米的电压差为69.8KV/m。由于基站主馈缆外皮与铁塔相连，可知UFC= UFG，所以主馈缆外皮上的电压差也约为69.8KV/m，假设主馈缆进基站处的室外接地汇流

6、排高度为2m，则通信基站室外接地汇流排上的电压将达到近140KV。由于通信基站室内接地汇流排与室外接地汇流排分别接入地网，所以当室内接地走线加馈线外皮的长度是室外接地汇流排地线长度数倍时，室内接地汇流排与室外接地汇流排之间就有较大的电压差，由于天馈避雷器把同轴馈线的芯、皮电压进行了箝位，则同轴馈线的芯线电压近似为室外接地汇流排B点的电压，设备天线端口外皮D点的电压远低与芯线（B点）电压，从而造成GPS接收设备因雷击损坏。具体损坏现象为：当GPS天线端口射频隔直电容冲击耐压水平高于贴片式射频连接器冲击耐压水平时，射频连接器绝缘被击穿，射频连接器损坏；如果射频连接器绝缘没有被击穿，则雷击浪涌电压通

7、过内馈直流电源的限流电阻进入GPS接收板直流电源系统将电路板上耐压水平最低的电路芯片损坏。对一片地域来说，每年雷电直接击中避雷针是一个小概率事件，但雷电从四处分布的供电电网上感应入侵的事件会经常发生。同理，当基站电源部分遭到雷电流侵入时，假设雷电浪涌电流为10KA时，我们忽略接地线自身的电阻，则每米导线上的压降为U0= L （L=1.67H/m；雷电流上升沿时间为8s），U0= 1.67H/m =2.09KV/m，当室内设备接地走线加室外接地汇流排入地线的长度是室内接地汇流排入地线长度数倍时，室内接地汇流排与室外接地汇流排之间同样存在数千伏的电压差，该电压通过设备工作及外壳接地线直接进入设备内

8、部，和与室外接地汇流排相连的馈线之间形成雷击过电压，这种情况同样会造成GPS接收设备因地电位反击而损坏。生搬硬套YD5068-98移动通信基站防雷与接地设计规范的具体规定，在实际应用中出现了上述两种情况，均为由于系统接地的不同走线方法，雷电入侵时地电位绕过天馈避雷器对通信设备造成反击，而国家标准并没有规定天馈避雷器的安装位置，许多进口设备内部已经装了避雷器，其接地线与设备接地已经直接相连，形成一个等电位体，完全没有必要拆开接地线再接到室外接地点。原来通信基站使用的收发信机的天线端口由于有无源的前端腔体滤波器，滤波器耐压等级高，并且有一定的泄放浪涌电流能力，实际应用中问题不易暴露出来。现在CDM

9、A通信基站使用了GPS授时系统，GPS接收机装在基站设备内部，它特有的电路结构决定了天线端口的脆弱本质，按原有的标准和习惯施工必然会形成雷击时的地电位反击现象。如果仍然按原标准施工，当CDMA通信基站遭受雷电入侵时，不论是室外避雷针遭雷或者是远端供电线路上来雷，GPS接收机都将损坏，直接造成基站通信设备瘫痪。4问题解决方案在通信基站施工中由于某些厂家的设备中没有内置天馈避雷器，施工方统一把天馈避雷器安装在天馈走线架上，天馈避雷器的安装位置与基站设备有一定距离（下跳线长度），如果按照标准施工，就会出现诸多地电位反击问题。由于GPS接收机装在CDMA通信基站设备的内部，构成设备的一个部件，接收机的

10、外壳地线与设备的总地线已经成为一体，对于这种耐压等级比较低的设备应特殊考虑，将GPS天馈避雷器装在基站设备内部，或装在基站设备天线端口处，尽可能缩短天馈避雷器到GPS接收板天线端口的馈线长度，避雷器的接地线尽量短，并与CDMA设备的地线引出端子相连，使CDMA基站设备成为一个等电位体，任何情况下严禁有雷电流在设备外壳上形成电流通道，从而降低设备的地电位反击电压。同时在条件允许的情况下，尽量采用具有限流作用的直击雷防护装置，减低雷电流的幅值也可以减小地电位的差值，降低地电位反击的概率。尽量降低接地电阻，减小雷击发生时对基站外部其它设备的影响。为了从根本上解决上述问题，特别是今后国内3G通信系统中

11、不再出现类似问题，只有所有通信设备生产厂家从产品可靠性设计上入手，充分重视产品各个端口的抗浪涌电流能力，将各种功能的避雷器直接装入通信产品内部，与产品形成一个整体后，可以全面提高产品的电磁兼容水平，使产品真正成为全面通过电磁兼容测试的产品。电涌过电压的危害及其防护 我国电子信息设备信息技术正在飞速发展，它在生产科研和日常生活的应用日益广泛，据最新统计，我国的上网计算机已超过1千二百万台。但电子信息设备常因元件被击穿或烧毁而停止工作，重要的原因是这类设备的元件耐暂态过电压的水平很低，如果设备的电源线和信号线上感应暂态过电压，而线路又未设置必要的暂态过电压保护器，则设备的电子元件将被击穿。家庭的彩

12、电在打雷时可拔掉电源插头和天线插头免受损害，而科研、生产、军工部门的电子信息设备雷雨季节仍需坚持工作，不能采取拔插头这种躲的方式。如果这些部门遭受雷电侵入，又没有完善的防护过电压的措施，将造成电子设备的损坏，产生不良后果，造成经济损失和政治影响。1992年6月2日国家气象局和1996年6月27日北京无线局维修中心大量电子信息设备遭雷电击毁，说明暂态过电压的危害不能轻视。现在有一种做法，遭雷击时想防雷，过了雷雨季节不谈防雷，寄希望遭雷击是一种巧合。其实，一个地方或建筑是否经常遭受雷击，由该地区的雷暴日数、土壤电阻率、建筑物的高度、金属体的多少等多方面因素影响，不以人们的意志为转移。在目前，人们对

13、雷电的产生还无法控制，但是经过多年的技术进步，人们已经寻找到了多种减轻雷电过电压危害的有效办法。只要合理运用这些方法，我们就可以把雷电的危害减轻到最低限度。计算机系统能否正常工作，除了本身的软硬件条件外，还有外部工作环境，主要是影响该系统正常工作的外部及内部过电压，防止外部及内部过电压也是计算机系统正常工作投资的一部分，如果忽略了这部分投资，造成系统的损坏，出现更换及维修设备的费用，从一定时期的周期投资费用上来讲，很可能超过一次性装备防过电压设备的费用。在这里暂不计政治、社会及其它影响，有可能这方面的影响远比防雷器件的投资大得多。1992年中央气象局就因雷击造成设备损坏，出现过未报天气预报的事

14、故，造成了很坏的社会影响。1 过电压的产生及危害过电压的概念：由电源系统外部（主要是雷电）和系统内部工作造成的工作电压超过正常供电值，即称为过电压。暂态过电压存在的时间非常短，只有几十微秒的时间。1.1 雷电（外部过电压Lightning）的产生及危害雷云形成的假说很多，至今没有一种被公认为无懈可击的完整学说，主要有威尔逊假说。广州的唐山樵先生的说法：雷电的出现除与气流、风速密切相关，而且与地球磁场也有一定联系。雷雨云内部的不停运动和相互摩擦，使雷雨云产生大量的正、负电荷的小微粒，即所谓的摩擦生电。这样庞大的雷雨云相当于一块带有大量正、负电荷的云块，这些正、负电荷不断地产生和复合，当这些云块在

15、水平方向向东或向西移动时（最大风速可达40m/s），它与地球磁场磁力线产生切割，就好像导体切割磁力线产生电流一样，云中的正、负电荷将产生定向移动，其移动的方向按右手定则判断。若云层由西向东移动，因地磁场磁力线是由地球南极指向北极，所以，大量的正电荷向上移动，负电荷向下移动，当正、负电荷积聚的足够多时，场强达到（2530kV/cm）时，将引起雷云间、雷云中或雷云对地的放电。没有大气运动就不会有雷电，这说明为什么雷电总是伴随着狂风暴雨出现。大地被雷击时，多数是负电荷从雷云向大地放电，少数是雷云中的正电荷向大地放电；在一块雷云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电。观测证明，负

16、电荷放电的能量平均为30kA；发生正电荷向大地放电的雷击显得特别猛烈，一般为100 kA，高的达200300kA。前几年山东黄岛油库特大火灾事故，也是由于雷击所致，火灾造成100多人伤亡，毁掉原油数万m3，损失直接经济7000多万元，造成附近生态环境严重破坏。此次事故皆因领导不重视所至。雷电破坏性很强的原因：a. 在短短几十?s，把雷云蕴藏的能量放出来。但据有关资料计算，每次闪击发出的能量只相当于几千克石油所放出的能量，见图、。b. 大多数雷电流峰值为几十kA，也有少数的上百kA和几百 kA。c. 在电源或输电线上的感应电压，低则几万伏，高的达几十上百万伏。雷击的三种主要形式：直击雷：带电的云

17、层与大地上某一点之间发生猛烈的放电现象，称直击雷。避雷针并不能百分之百的拦截上空来的雷电，有的雷电并不是经最短的路径泄放电流，有时绕过避雷针，对建筑物产生侧击或绕击。据外国有关资料介绍，一个直击雷不仅仅影响到被击中的对象，而且对周围半径1.5km范围内都有影响。感应雷：强大的脉冲电流对周围的导线或金属物体产生电磁感应发生高电压，以致发生闪击的现象，也叫二次雷。当感应到导线时传输的距离更远。一小女孩雨淋后，跑回家，欲打开金属大门，结果被击倒，抢救无效死亡。球形雷：在雷电频繁的雷雨地区，偶尔会发现紫色、殷红色、灰红色、蓝色的“火球”。这些火球有时从天空降落，然后又在空中或沿地面水平方向移动，有时平

18、移，有时滚动。这些火球一般直径10几cm，大的超过1m，存在的时间从几s到几min，一般为几s的居多。1975年9月25日，海南省临高县一座知青宿舍，有一个发绿光的球形雷从开着的窗口窜入屋内，一位女青年因害怕而夺门而逃，球雷随风尾追，碰到他身上爆炸，女青年死亡。1983年8月15日，北京市东郊炼焦化工厂，因球形雷烧毁体积10m3的酒精罐两个。球形雷形成的原因推测：一是等粒子体；二小范围的急促气旋造成，三核反应。到目前试验室未完满重复这一现象。近年来，由于建筑物的防雷设计逐渐完善，直击雷造成的建筑物损坏和火灾事故已有所减少，但是，随着电子技术的飞速发展，敏感电子设备的工作电压不断降低。如第一代的

19、计算机元件主要是电子管，过去没有什么防雷保护措施，也很少发生雷击事故。而今，新型超级计算机、人工智能计算机都使用集成电路模块，其耐压、过流的能力脆弱，国际电工委员会已将雷电灾害称为“电子化时代的一大公害”。从大量的计算机雷击事例中分析可以认为：由雷电感应和雷电波侵入造成的雷电电磁脉冲（LEMP）是计算机和电子设备损坏的主要原因具体有以下规律：a. 从被损坏部件在电路中的位置看，均在与外线连接的主机、终端机或MODOM接口中的驱动器和接收机，或击穿MODEM后再击穿主机或终端的接口，越过接口的部件很少被击穿，可见雷电感应过电压波侵入途径是室外通讯线和电源线。b. 从接口与线路看，损坏的多是接口，

20、线路绝缘很少损坏，保护重点应是接口。c. 发生雷击外线路的长度，有长到二十多公里，也有短到几十米的，可见雷电波的侵入在引出机房之外的线路就可发生。d. 导线屏蔽程度对雷击事故发生差别非常大，不加屏蔽或简单屏蔽多次遭雷击，屏蔽效果很好的导线，雷击发生率极低。e. 架空线路的的雷电感应过电压。无屏蔽架空线路雷电感应过电压幅值按下式计算：Vg: 感应过电压，kVI ：雷电流幅值，kAHa：导线离地面高度，mS： 雷击点与导线的垂直距离，m据上式估算，在一公里远处有50kA的雷击电流，在4m高的导线上可产生5kV的感应过电压，显然，这对计算机和电子设备都会造成巨大的灾难。f. 地下电缆的雷电感应过电压

21、。5 kA雷电流流入地网，在其附近（510m）的无屏蔽电缆上将感应出57.5 kV的高压。但电缆有金属护套并两端接地，则感应过电压将降为（5%10%）。另外，光纤通讯发展很快，光纤本身是非金属材料不怕雷击，但是为了防止外界的腐蚀作用和增强架空拉设的强度，电缆内部加有抗拉的钢芯，外加上金属护套，也与雷电联系在一起。消雷器实践证明，消雷器并不能起到消雷的作用。1.2 内部过电压(Inter Overvoltage)的产生及危害在电力系统内部，由于断路器的操作、负荷的投入和切除或系统故障等系统内部的状态变化，而使系统参数发生变化，从而引起的电力内部电磁能量转换或传输过渡过程，将在系统中出现过电压，这

22、种过电压称为内部过电压。在电力系统引起的内部过电压的原因大致可分为：a. 电力大负荷的投入和切除（电梯、大功率空调机、冷冻机、等）；b. 感性负荷的投入和切除（电机、继电器的线圈、带负荷垫板变压器）；c. 功率因素补偿电容器的投入和切除；d. 短路故障等。内部过电压虽然没有外部过电压的危害大，但是，由于它长年作用于计算机系统，容易造成元器件的老化，减少设备的使用寿命和正常使用。1.3 核致电磁脉冲（NEMP）2 过电压对电子设备的危害例证例：年月日下午时分，湖南省沅陵县麻溪铺镇政府办公大楼顶的卫星接收天线受雷击台电视机无一幸免，直接经济损失达万元。例：年月日时分，中国气象局气象中心大楼落雷，避

23、雷装置和建筑物完好，但大楼大型计算机小型计算机网络中断，条北京同步线和条国际同步线路被击断，计算机系统中断小时，不仅经济损失数十万元，次日中央电视台气象预报成为空白，影响非常巨大。例3：武昌水果湖地区是湖北省委、省人民政府及各厅局所在地，其周边地区为国务院批准的东湖高新技术开发区，该地区湖泊与山丘交替，雷暴日比周边其它地区多。特别是高新企业的建立，楼房增多，房屋顶上金属物体较多，特别是计算机网络与现代化通信设施的飞速发展，使雷电事故发生率明显提高。两三年的时间遭直击雷的损害达二十多次，造成电话总机、通信设备、计算机网络等的巨大损失，有时一周都不能工作。九十年代初，在省政府的重视下，在该地区完成

24、了第一期防雷工程，分别在省劳动厅（层）、省档案馆（层）、省物价局（层）房顶上加装防雷接闪设备，效果较好。但由于当时没有考虑防感应雷，没有过电压保护措施，致使该地区雷击事故时有发生。省政府大院的微波通信和电话总机，国防工办电话总机多次遭到了雷击，而附近的中科院物理所等单位的计算机网络与通信设备上装设了各类避雷过压保护器，未发生事故。与水果湖区相邻的卓刀泉地区，也是雷击事故多发区。在此的湖北省口腔医院电话总机、所供电系统、省气象局计算机网络接口多次遭雷击，经调查，并不是因遭直击雷所致，皆因未采取防感应雷措施。而这些单位之间的武汉信联证券公司在屋顶上铁塔上装设一套避雷针，在信号、配电等设施上分别安装

25、了电源、天馈信号避雷器，对地网进行了全面改造，在周围多处遭雷击的情况下，公司未因雷击受到损失。3 计算机和电子设备的过电压防护对于过电压引起的危害，以引起了发达国家的重视，美国、法国、德国、英国等国都有相关的防过电压的标准和规定，如德国的 过电压防雷保护器。国际电工委员会制订的相关标准有：雷电电磁脉冲的防护(13121，2，394，95，96)、低压电力配电系统的电涌保护器(1643-1)。基于过电压的危害，及防过电压产品取得的良好效果，我国正在着手制定相关的规范，如通信部门的通信局雷电过电压保护设计规范（送审稿）。我国许多相关现行规范中也提到了过电压防护。如：建筑物防雷设计规范50057-9

26、4（文说明）中指出:“关于电子元件的过电压保护分三部分，即/、信息线路、有电子元件的设备本身，在装置附近的供电设备是否装设过电压保护器，应根据设备的重要性，由信息线路设计者一起解决，或由设备的使用者解决或由设备的制造者提供”。从此规范中可以看出，建筑电气设计者们早就对过电压问题引起了重视，只是不便于干预其它行业，而强行要求装设过电压保护器。随着智能大厦的推广应用，电视、电话、计算机及网络的普及，迫切需要过电压防护跟上发展形势。3.1 降低入侵感应电压幅值这是基本的方法，具体做法是不用架空线，采用屏蔽良好的电缆并将屏蔽层和备用芯线两端接地，正确选择布线路径，尽可能直接埋地敷设，并在电缆上方埋设避

27、雷线。但若单靠改善线路结构达到避雷的目的在经济上很难办到，特别是在雷电活动强烈的地区，即使全线采用同轴电缆，感应电压也达100多伏甚至上千伏，所以还必须在线路两端设备处设过电压保护装置。3.2 保护装置安装过压保护装置是为了达到两个目的：不产生误动作和原件不遭损坏；另一种是不影响仪器设备的工作性能。3.3 现代防雷富兰克林美国科学家（1706-1790），放风筝发明了避雷针。从富兰克林发明避雷针到现在，科学技术发生了巨大变化，为适应高科技的现状，要采用现代防雷技术。现代防雷的技术原则强调全方位防护，综合治理，层层设防，把防雷看做是一个系统工程，这是由于雷电的危害无孔不入，在整个空间范围侵袭微电

28、子设备，很难防范。现代综合防雷技术“BCDGS”：B：“等电位联接”(Bonding)，其目的是防止强大雷电流流过之处立即升高至很高的电位，与周围金属物和设备之间出现很大的电位差，造成旁侧闪络放电。同时可消除因地电位骤然升高而产生“反击”的现象。消除因电位差引起的人身事故。等电位联结：随着我国电气行业日新月异的 变化，我国许多新修订的规范、标准正逐步同IEC（国际电工委员会）接轨。等电位联接是“使各外露可导电部分和装置外可导电部分电位基本相等的电气联接”，分为总等电位联接、局部等电位联接、辅助等电位联接。总等电位联接就是在建筑物每一电源进线处及进出建筑物的金属管道、金属结构构件等连成一体一般有

29、总等电位联结端子板，并与其它等电位联结端子板放射连接。等电位联接能够降低接触电压，防二次雷击，防间接接触电击及接地故障引起的爆炸和火灾，在电气设计中，等电位联接是一种行之有效的安全措施，早已为国际上许多国家所采用，这项内容在王厚余老先生的极力倡导和推荐下，被写进了我国的设计规范低压配电设计规范（GB5005495），并于1996年6月1日实施。为了使这一内容在工程中得到更好的推广，1997年，航空设计院的徐华等人在王厚余、刘屏周的具体指导下，编制了等电位联接安装（97SD567）标准图。等电位联接示意图见图。C：传导（Conducting），作用是把闪电的巨大能量引导到大地中耗散掉。只能拦截建

30、筑物上空的闪电，对于远处落雷产生的过电压波沿各种导线的入侵无能为力。避雷针引导闪电入地的导线流有巨大的电流，会产生感应电磁场，也可能损坏设备，所以必须与其它防雷措施配合。D：分流（Dviding），从室外来的导线（电源线、电话线、信号线）都要并联一种避雷器至接地线。把循导线传入的过电压波在避雷器处分流入地，也就是把雷电流的所有入侵通道堵截，使之降到不危害设备的程度。但是一级不够，要多级堵截。电子信息设备比一般的电气设备更易被过电压击毁。一般的电气设备工作电压较高，都具有一定的耐雷水平，如果电源进线的暂态过电压不超过6kV，这些设备一般不会损坏。而电子设备的耐暂态过电压的能力很低，据介绍，弱电设

31、备电源部分的冲击耐电压值分别是：交流220V系统为1500，直流48伏系统为330，电信交换与用户终端设备为1000；计算机不得低于1500。又由于在短时间内电能释放的能量太大，为使最终的工作设备不损坏，必须在过电压到达弱电设备之前把电能释放掉。所以低压供电电源线路系统的防护，要求不得少于三级，最好是四级，从而将过电压降到设备所能承受的水平。一般防御电压为6kV、4 kV、2.5 kV和小于1.5kV：即三相总电源、进入室内的单相电源和进入用电设备前的三级保护，见图3。过电压保护器的效果试验见图。我国低压配电设计规范（GB5005495）中规定，从变电站接往建筑物的地下电缆，当超过150m时，

32、在进入建筑物的总配电箱中应设避雷器，架空线即使只有几十m，也应设避雷器。过电压保护器的等电位联接见图。过压保护器的接线：保护器如果安装不正确，将降低保护器的效果。下面左图是不正确的，图中将避雷器安装在进线处墙上，还为之设置专门的接地极。当雷电流击穿短路时，设备所承受的雷电残压为和分别为避雷器接线的电感、雷电涌流陡度和雷电流在接地电阻上的电压降）。如图中虚线所示，由于接线很长，加上上的压降，雷电残压仍然很高。国际电工标准规定避雷器接线不应超过0.5m，最好将避雷器接于相线和 线之间，以尽可能缩短接线长度，如下右图。 这时图中设备绝缘所承受雷电残压仅为相线和线母排间一小段接线 ，这样既不需另打接地

33、极，又最大限度地限制了雷电残压。过压保护器的连接方法见图。计算机分为局域网和广域网两大类。为了保护网上的计算机等设备，在局域网电缆上和广域网的专用电路上都必须安装计算机数据线避雷器。G：接地（Grounding）,从“ BCD”三个措施看，都涉及到闪电能量的泄放，所以G虽是配角，但没有它，这三个措施就不可能达到预期的效果，它历来都是防雷工程的难点和重点。接地型式介绍：避雷接地避雷针、避雷带、避雷网防直击雷的装置接地。电源接地交流供电电路中的中性点接地或叫零线。供电系统分为三种型式、。一般的建筑用电采用，并分为三种，即、。在计算机站和装有电子信息设备的场所，防干扰要求高，容易引起干扰，所以在此场

34、所应采用、系统。安全保护接地各类用电设备的外金属壳接地，作用是保护人身安全、屏蔽设备。直流接地有线通信中的信号接地。在中型以上的计算机网络中又叫逻辑接地。接地系统中非常重要的指标是接地电阻。各种装置的接地电阻值，按我国现行规范及有关资料列于下表。接地装置名称接地电阻（）装在变电所与母线连接的避雷器10独立避雷器5电子设备接地4电子计算机安全接地4综合大楼联合设接地系统1S：屏蔽（Shielding），就是利用金属网、壳管等把闪电的脉冲磁场从空间入侵的通道阻隔起来，力求“无缝隙可钻”，但是这一点不能做到。电缆线的保护：对计算机网络的雷电防护采用现代综合防雷措施中，重点要求加强电源系统和信号系统的

35、防护。在对系统进行防雷设计前要进行周密的调查，有针对性的采取相应的保护措施。5 结束语防止电源及信号系统的过电压，是一个系统工程，需要考虑的因素很多，如避雷器、线路的保护、地线的敷设、过电压保护器正确选用等等，要统筹考虑。要针对用户的状况采取具体的措施，从已往过电压保护的成功经验看，过电压保护器是一个非常有效的方法，值得进一步推广。水厂自动化系统防雷探讨本文分析、讨论了自动化系统的防雷问题，着重阐述了水厂自动化控制系统的综合防雷措施关键词：水厂、自动化系统、防雷、瞬间过电压述随着计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通讯技术(Communication)、显示技术(CRT

36、)的发展和广泛应用，目前水厂的自动化控制普遍采用由工业计算机IPC或可编程控器PLC组成的集数据采集、过程控制和信息传送于一体的监控网络。由于这些设备大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元，其对瞬间过电压的承受能力大幅降低，成为水厂受雷电损害的主要设备。所以对自动化系统采取有效的保护措施是非常必要的，明析瞬间过电压产生途径和危害是正确采取防护措施的前提。一、瞬间过电压的产生瞬间过电压是指在微妙至毫秒之内所产生的的尖峰冲击电压而非一般电源上的所谓过压(一般电源过压可能维持数秒及以上)，瞬间过电压有两种产生途径：雷击和电气开关动作。1、一般构筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损害，雷击会通过

37、以下两种方式破坏电子设备：直击到电源输入线，经电源线进入而损害设备，因电力线上安装的各种保护间隙和电力避雷器，只可把线对地的电压限制到小于6000伏(IEEE C62.41)，而线对线无法控制。以感应方式(电阻性、电感性、电容性)偶合到电源、信号线上，最终损害设备。2、当电流在导体上流动时，会产生磁场存储能量并与电流大小和导线长度成正比，当电器设备(大负荷)开关时会便产生瞬间过电压而损害设备。二、瞬间过电压对电子设备的危害瞬间过电压使电子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失，至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪；重复影响而降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切都会给生产和工作带来

38、较大损失。通常水厂自动化系统的控制站都置于构筑物之中，网络线、电源线铺设于电缆沟中，因而遭受直接雷击的可能性不大，其防护的主要对象是雷电波侵入(感应)。按国外资料统计雷电波侵入(感应)占计算机类设备雷击事故原因的85%，按成都市自来水总公司资料统计占水厂自动化系统雷击事故原因的100。雷电波侵入(感应偶合)对自动化系统的破坏，主要是通过侵入电源线、天馈线、通讯线和信号线而分别损坏电源模板、通讯模板、IO模板；也可能因感应从信号采集线和接地网引入有害的信号电流和接地电流，损坏自动化系统或影响其运行。根据瞬间过电压产生、危害途径和自控系统大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元及集控制、通讯、

39、监测为一体且分散面广的特点，我们认为对自控系统要尽可能降低雷电带来的损失，就必须采取系统的、综合的防雷措施。特别应从配电系统防雷、自控系统网络线路防雷、构筑物防雷和合理接地等四方面着手。1、自控配电系统的防雷当雷击输电线或雷闪放电在输电线附近时，都将在输电线路上形成雷电冲击波，其能量主要集中在工频至几百赫的低端，容易与工频回路耦合。雷电冲击波从配电线路进入自控设备的电源模块以及从配电线路感应到同一电缆沟内的自控网络线上进入自控设备的通讯模块的几率比从天馈和信号线路进入的要高得多。因此配电线路的防雷是自控系统防雷的重要部份。水厂的配电系统在高、低压进线都已安装有阀型避雷器、氧化锌避雷器等避雷装置

40、，但自控设备的电源机盘仍会遭受雷击而损坏。这是因为这些措施的保护对象是电气设备，而自控设备耐过压能力低，同时，这些避雷器启动电压高而且有些有较大的分散电容，与设备负载之间成为分流的关系，如图一，从而加在自控设备上的残压高，至少高于避雷装置的启动电压，一般为峰峰值2-2.5倍(单相残压不低于800V)，极易造成自控设备损坏。同时大型设备启停产生的操作过电压也是危害自控系统的重要原因之一。由上述，用单一的器件或单级保护很难满足要求自控设备对电源的要求，所以对电源防雷应采取多级保护措施。具体级数根据各自实际情况而定，图二为成都市自来水总公司二厂采用的三级保护方案。(原有的高压避雷器保留)第一级在变压

41、器二次侧，主要泄放外线等产生的过电压，其雷通量大，启动电压高(920-1800V)。 第二级在各控制站PLC专用隔离变压器前，主要泄放第一级残压、配电线路上感应出的过电压和其它用电设备的操作过电压、其电流通量居中，启动电压居中(470-1800V)。隔离变压器的安装非常重要，它能有效抑制各种电磁干扰，对雷电波同样有效。 末级在PLC专用电源模板前，主要泄放前面的残压，完全可达到箝位输出，其残压低，响应时间快。有条件尽可能以从总配电柜开始将自控系统的电源线单独布排。各级避雷器应尽量靠近被保护设备以免雷电侵入波发生正的全反射。各级启动电压可据系统而定，但末级应尽量达到箝位输出。国内ZGB、LAY等

42、系列电子避雷器，国外的OBO、CITEL均有好性能，其原理图如图三。有些还增加了放电管、雷击计数器、避雷器漏电流检测电路，其使用、检测很方便。成都市自来水总公司水五厂、水六厂采用ZGB，LAY系列电子避雷器后其自控系统未再遭受过电压损坏。2、通讯线、天馈线避雷自控系统通讯线一般都采用特制屏蔽双绞线(如DH+、MB+)，并且一般在安装时都是穿管直埋(或电缆沟)铺设，所以雷电在此处的感应电压不高(1KV-2KV)。但由于其直接进入PLC或计算机通讯口这一薄弱环节(正常电压一般为正负5V、12V、24V、48V等)，故损害也很大。计算机数据交换或通讯频率是从直流到几十兆赫兹(据系统而定)，在选用避雷

43、器件时一般都不采用氧化物避雷器，因为它的分布电容大、对高频损耗大，除非对之进行特殊处理。通常避雷器原理如图四，其中箝位二极管残压很低，若额定电压为24V，则残压在于24-30V之间。选用此类避雷器时应以通讯电平和频率或速率来确定，对于比较高频的讯号便需要特殊设计的防雷器以确保其阻抗与该系统对应，否则会有信号反射的现象。避雷器应靠近通讯接口处安装(减小反射损耗)。网络通讯线路避雷的最好方法当然是采用光纤网络。水厂与上级部门及水厂之间的无线电通讯一般距离近，功率低，其连接线都采用同轴电缆。所以对天馈的防雷主要是选用同轴电缆避雷器(直击雷防护见后)。我们知道，雷电波能量主要集中在工频和几百赫的低端，

44、与有用通讯信号频段相距很远。把这两种信号分开的有效手段就是采用高通滤波器，在选用这类产品时，应据通讯频率和传输功率而定(天线应置于构筑物避雷网45角内，否则须有相应接地措施)。目前国内市场上的ZGB、LAY系列同轴电缆避雷器就是利用这一原理。成都市自来水总公司水五厂、水六厂采用ZGB系列产品应用效果明显。3、控制站构筑物的防雷总控站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的计算机设备、通讯设备、仪器仪表，大多数还有电台和天馈线，是全厂生产监控、调度中心，在装修中大量采用了铝、铁等金属材料，所以在防雷上的要求就更高一些，其目的是要形成均压等电位屏蔽措施。控制站所在构筑物应安装避雷带、避雷网，只安装避

45、雷针效果不好，因为水厂构筑物高度虽低，但地势空旷，临近水源，所以极易遭受各方向的各种形式的雷击。成都市自来水总公司水五厂就有过侧击雷击中进水间外墙上离地约5米高的灯架的例子。控制站所在构筑物的接地电阻须小于10欧。有天馈线或通讯铁塔的应安装避雷针，并置于构筑物避雷网45角内，避雷针以及通讯铁塔的接地除用建筑物内钢筋结构接地以外，还应单独铺设引下线引至构筑物接地网。如只采用构筑物钢筋结构接地，因为在构筑物修建时其钢筋焊接质量不一定能得到保证，雷击时其均压要求不能保证而易在构筑物内出现强磁场。成都市自来水总公司水六厂95年曾因此损坏过构筑物内设备。构筑物外墙上的所有金属门窗应接入构筑物的接地网。前

46、面已述，雷电的危害途径主要通过感应而进入自控系统，所以避雷针、带、网的引下线应尽量多设几条，使雷电电流有更多的分流途径，以减小每条线上的泄放电流量从而降低感应能量。室内计算机、自控设备要尽量置于远离避雷网导地金属体。4、合理接地防雷的最终措施是泄放，因而对接地切不可轻心。一般厂内的接地主要有构筑物接地、配电系统及强电设备接地、计算机自控系统接地。如这三种接地配置不合理，极易在雷击时通过接地网对自控系统造成反击。计算机自控系统是一个特殊用电系统，它包括以下几种接地：系统工作地(小于4欧)，直流工作地(信号屏蔽地、逻辑地等小2欧)，安全保护地(小于4欧)。在安装时难以分开(特别是对PLC系统)，对

47、这一系统采用联合接地较好。接地电阻取最小值，至少小于2欧。目前水厂的三大接地网一般是分开设置的。虽然也有采用部分联合接地的，但我们认为，在水厂还是分开设置较好，原因有以下几点：l、水厂构筑物大多数在修建时未考虑计算机等弱电设备，且其接闪地和设备地本身已分开设置。2、一个水厂内，为普通用电设备供电的高、低压配电系统中，都采用一个接地系统，由于用电的复杂性，在运行和雷击时常常使零线(地线)电流不为零(Id)。如采用联合接地时(Rd)，必然使计算机接地电位抬高到Id Rd，从而可能造成反击。3、新增计算机、PLC系统时，若要与构筑物接地、配电系统及强电设备接地联合接地，其接地电阻小于05欧较安全，这

48、样一方面造价太高，在某些地质条件下很能难做到，另一方面对旧地网(特别是老水厂)处理时比较困难。地网分开设置时应注意避免地网之间的闪络。雷击时，会在地网及附近导体中产生很高电位，地网分开，则可能造成接闪接地体向其它接地体闪络。所以，地网之间的距离SK当涉及自控系统接地时应大于10M。在接地线引入室内时，若与其它地网距离太近，可局部采取既绝缘又屏蔽的措施。5、避雷器的选型及安装布线要发挥良好避雷功能，防雷器应不会对保护的设备或线路造成任何干扰和中断现象；具有低通过电压(将瞬间过电压降到设备能承受的范围)；能承受高电流(二次感应电流一般不会超过10000A)；反复使用寿命长且具有状态显示。电源避雷须提供相对地、中对地及相对中的全面保护作用如图5。我们知道导线的电压降主要取决于其电感值，而电感值受到长度和连接方法影响，我们采用以下方法来减少并联防雷器的感性电压：尽量减少