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防雷技術--電氣設備機房的電涌防護
發布時間:2015-09-16
隨著電子技術快速發展，集成電路對電壓和電流脈沖的敏感程度越來越高，外部電涌過電壓和內部電涌已成為電子設備損壞和工作中斷的主要因素之一。保證精密電子設備系統能正常工作的基本要求是電涌防護設計應正確并很好的協調配合，以免外部電涌過壓及內部電涌所導致的設備損壞。另外，必須選用合格并且品質優秀的產品。
新建及改擴建工程的重要電氣設備機房應采用高品質電源電涌防護器，對整個電氣系統提供完善的電涌防護措施，同時語音、數據及圖象等金屬導體有線傳輸的弱電網絡也應做好電涌防護，這是確保該類設備正常工作的重要技術環節。
1 電涌的產生
電涌是微秒量級的異常大電流脈沖，其波頭時間一般在0．25~20μs，其單位能量一般在2．5~10MJ／Ω。它可使電子設備受到瞬態過電壓的破壞。每年半導體器件的集成化都在提高，元件的間距在減小，半導體的厚度也在變薄。這使得電子設備受到瞬態過電壓破壞的可能性越來越大。如果一個電涌導致的瞬態過電壓超過一個電器設備的承受能力，那么這個電器元件或設備或者被完全破壞，或者使用壽命大大縮短。
雷電是導致電涌最明顯的原因，雷電擊中輸電線路導致巨大的經濟損失。每一次電力公司切換負載而引起的電涌都縮短各種計算機、通訊設備、儀器儀表和PLC的使用壽命。另外，大型電機設備、電梯、發電機、空調、制冷設備等也會引發電涌。UPS也可能被電涌摧毀。
建筑物頂部的接閃器在防直擊雷時可將大部分的放電分流入地，避免建筑物的嚴重損壞。UPS不間斷電源處理電壓的嚴重下降。二者非常有用，但都不能保護計算機免受電涌的破壞，而且UPS本身集中使用了很多微處理器，也有可能被電涌摧毀。
27年前，IBM發現電涌更為常見的來源是電力公司的電網開關和大型電力設備(如空調和電梯)。每天都有這樣的電涌通過配電盤進入工作室破壞電子設備或縮短其使用壽命。因此，在美國幾乎所有的有計算機或其它敏感電氣設備的建筑都安裝了電涌保護器。
1999年11月15日北京五星級酒店式管理的高調大廈寫字樓里的計算機被電涌襲擊，一部分計算機主板被破壞，一部分計算機被反復啟動，有的計算機主板被電涌襲擊后使用壽命縮短一半。
2 電涌防護原理
電涌防護采用電涌防護器，一般電涌防護器采用MOV技術，它和火花間隙技術是不同的。
電涌不能被阻止，因為它包含的能量太強。正是由于這種原因，保護敏感電氣設備免受電涌損壞的策略是把電涌從設備分流。理想的電涌防護器在電力線上應是覺察不到的，而當電壓達到一定的限值時，應立即動作，分流多余的能量入地。
MOV工作原理正是如此，直到電涌出現，它才動作，否則就靜止地掛在電源線上，充當電源正常運行時的“守護神”。當電壓升高達到頂先設定的水平時，MOV立即動作，響應時間為1~3毫微秒。MOV中的“V”是變阻器，在響應的一瞬間，MOV的電阻從完全值降到近乎零歐姆。MOV使瞬態高電壓找到了入地的通路。吸引過電流遠離敏感的電氣設備。MOV把過電壓漏泄掉。電氣設備繼續在正常的工作電壓下運行。
火花間隙技術的意圖是同樣的，該技術的核心是兩個電極，形狀象牛角，由絕緣材料分開，彼此間有很短的距離。火花間隙的工作原理和雷電的工作原理一樣，當兩個角型的電極間電位差達到一定程度時，電荷穿過兩個角型的空間打火放電，并給放電提供了人地的通路。
使用火花間隙技術對付電涌猶如用火來對付火。來自世界著名的采用火花間隙技術的生產廠家的安裝指南中提醒使用者“每當使用火花間隙技術的電涌防護器動作時，熱量和壓力從防護器的尾部釋放出來”。并提醒用戶：由此產生的熱量和壓力可能產生短路或火災。由于該原因和其它原因，IEC61643—1安全規范要求采用火花間隙技術的電涌防護器配有一個限制保險(F2)，在系統保險(F1)工作前，F2將熔斷。這種增加的保險極大地降低了火花間隙技術的電涌防護器可能處理過電流的能力。實際上，增加該保險的容量決定了火花間隙技術電涌防護器的電流處理能力。
3 電氣設備機房電涌防護措施分析
3.1 安裝了直擊雷防雷設備的電涌防護不可忽視
直擊雷防雷設備的作用是接閃，即防止雷電直接擊中機房所在建筑物以及接閃器保護范圍內的各種金屬管線和用電設備。對于在接閃器保護范圍外的各種金屬導線以及由直擊雷所產生的感應雷電和建筑物內所產生的內部電涌是不能保護的。對于由電力故障所產生的部分外部電涌也是不能保護的。這包括：高壓／低壓動力電源線、部分網絡和專用數據通信線被雷電直接擊中，建筑物內的感應電動機、備用發電機、中央空調、電梯等產生的內部電涌，電力故障所產生的各種外部電涌，因為靜電感應、電磁感應、電位反擊等所造成的各種感應雷電等等。因此必須要加裝電涌保護器以保護電源線和數據線。
3.2 機房接地不可等同于設備的電涌防護
機房接地是計算機設備和精密電子設備正常工作的需要。機房接地主要是可以防止靜電(如靜電荷出現積累，可以從地線泄放掉)，這樣可以保護機器和人員的安全；另外有些設備接地后才可以正常的工作(不接地會受到電磁干擾、以及無基準點)。所以機房接地并不是用來防止雷電，也是防止不了雷電的，必須要加裝電涌保護器才可以防止雷電和內部、外部電涌。
3.3 采用UPS供電的設備仍需要做電涌防護
UPS的作用是對供電系統突然停電或電壓不足提供支持，在突然斷電時，UPS保護電氣和電子系統、處理控制器和數據免受部分或全部的損壞。有些UPS帶有低能的電涌抑制器。這種內置的低能抑制器只能用來保護和UPS相連的負載免受能量有限的弱電涌的襲擊，因此，不能作為專門的解決電涌問題的方案。更重要的是：有研究表明UPS設備中的敏感電氣控制線路極易受到電涌的破壞。而這些線路經常是監視UPS的工作狀態以及UPS的交流電源的輸入、輸出狀態的。1884年成立的電氣與電子工程師協會(1EEE)，是世界最大的技術專業團體，曾十分關注UPS可能受到的破壞，并在IEEE標準1100一1992中專門編寫了一章9．11．3：UPS電涌防護。其中指出：雷電和其它產生瞬態電壓的現象，對大部分UPS設備和敏感的電氣負載設備是有害的。因此，建議UPS的整流器輸入系統和輔助的UPS旁路系統(包括人工保養的旁路系統)都應加裝IEEE．41—1991標準中規定的有效電涌防護裝置。
4 電涌保護分級
我國在機房建設的電涌防護方面有明確的要求，要求所有機房必須要做直擊雷電防護和接地網的建設；要求有條件的機房和比較重要的機房必須進行感應雷電的防護。對于最新的計算機機房和通訊機房的建設規范中都明確要求要進行感應雷電的防護；《氣象法》中明確要求政府機關和有條件的單位在建設機房時要考慮雷電電涌防護問題；在最新的建筑電氣設計規范中，明確要求進行感應雷電的防護；在許多行業的機房建設規范中都有明確的要求(如銀行、金融、電信、稅務、政府機關、法院、公共市政設施等)，必須進行機房的電涌防護。
所有敏感電氣設備的運行都是在嚴格的電壓范圍內進行的，超過1kV的高速過電壓對電氣設備都非常危險。任何雷電保護措施的目的，都是要把過電壓限制在1kV以下。電涌保護一般分三級，其目的是把過電壓鉗制到安全的范圍內。
5 電涌防護器的選擇
應選擇一個技術先進的制造商，產品應具有詳細的說明書、技術指標、產地、符合各方面的標準證書及有銷售許可證書等。
1) 設計是否有利于用戶并且容易安裝。理想的產品應該是一個小型、緊湊并且能夠安裝在現有的空間內，同時易于安裝。電涌防護器本身的體積尺寸越大，它固有的內部線路電感就越大；防護器本身體積小，電感也小，防護效果就更好；小體積防護器的另一個優勢是可以安裝在*近配電箱處，因為連線本身也有電感，連線長，對防護系統的限制水平的不良影響也就越大，因此在安裝電涌防護器時越*近配電箱越好，最好是在15cm以內。在電氣設備狹小的空間內不可能安裝大體積的防護器。
2) 反應時間。電涌防護器的反應時間必須比電涌的速度快。反應時間在毫微秒(納秒)級均符合技術要求。
3) 一次能夠處理的最大電流。最大電流即峰流是一個電涌防護器的處理最大電流的能力。Bellcore實驗室(AT&T—Bell實驗室的研究機構)為了保護它高度計算機化的實驗中心，進行了廣泛的調研，明確了電涌防護器處理最大電流的能力和所需的技術參數，一個20kA的電涌防護器即可滿足要求。由此可見，在任何建筑物內的分支線供電箱處安裝一個80kA的電涌防護器，便足以解決任何可能出現的電涌問題。對多雷擊區的貴重電氣設備，應在建筑物人口的交流配電箱處安裝一個較大的防護器，型號從65kA到l60kA。
4) 吸收能量的能力。電涌防護器吸收能量的能力以焦耳來衡量，焦耳值越高，電涌防護器的使用壽命越長。
5) 鉗制電壓的能力。也就是將過電壓鉗制到電氣設備所能承受的安全范圍之內的能力。計算機被設計在一定電壓范圍內使用，如果超出了這個范圍就會導致計算機的損壞。因此電涌防護器必須把過電壓鉗制到安全水平。1998年6月1開始實施的GAl73—1998標準規定：用于220／380V電力系統的計算機防雷保安器(電涌防護器)的鉗制電壓應小于或等于2kV。
6) 符合國際和國家標準。國際標準，包括UL449、IEEE、NEMA和IEC。在我國同樣有相應的標準，公安部公共信息網絡安全監察局要求：所有用于保護計算機的防雷保安器(本文稱為電涌防護器)，都必須根據GAl73—1998的標準通過檢測并獲得銷售許可證后，方可銷售。
7) 產品的可*性及制造商的客戶單。了解制造商的客戶單以及廠家從事產品生產的歷史有助于了解廠家的信譽和其產品的可*性。
8) 質量保證。保質期限的長短體現了制造商對其產品是否不出問題、并長久的保護設備的自信心。一旦產品出現問題，客戶是否能得到快速免費的服務，也是用戶必須考慮的因素之一。
6 電涌防護器設置
最大的電涌產生在建筑物外，由雷電和電力公司切換負載所致，這種感應電涌可沿電力線傳輸，進入建筑物內。電源系統電涌防護器的具體配置應根據供電系統接地型式選擇。220/380V供電系統接地型式常采用的有TN-S、IN-C-S、TT、IT四種，各接地型式地供電系統配電箱電涌防護器設置見圖1-圖4。
設計時，一般根據電源裝置所處區域按通流能力三級配置電涌防護器：
一級(總配電柜，不低于LPZl區內)，Up＝2．0kV，Imax＝65kA(8/20μs)；
二級(分配電柜，不低于LPZ1區內)，Up＝1．2／1．8kV，Imax＝40kA(8/20μs)；
三級(設備處，不低于LPzl區內)，Ures<1kV，Imax＝6．5kA(8/20μs)。
交流電源與計算機的電源相連，數據線把計算機與電話線或局域網連接在一起；給計算機提供電源的交流電源線路、將計算機與電話通信網、數據網或其他局域網連接在一起的數據線路，電涌可以通過這些線路破壞性地干擾計算機。因此，與計算機相連的電源和數據線都需要安裝電涌防護器。
7 結語
電氣設備機房的電涌過壓及電磁干擾的防護，是保證正常辦公、生產、電氣設備及人身安全的重要技術手段，是確保精密電子設備運行和信息網絡正常運行不可缺少的技術環節。在日常辦公和經營活動中的重要作用變得越來越突出和重要
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