防浪涌保护探析

专题报告
防浪涌保护探析
瞿忠
现在计算机网络管理及控制技术被普遍应用子各行各业，由子电压冲击极易损害电子产品，因此防浪涌保护就显得极其重要。

随着计算机网络技术的发展，各行各业都不同程度地建立了计算机管理或控制网络，如工业控制的DCS系统、电力系统的综合自动化系统、办公大楼的智能化系统等。

与此同时，因雷击而导致计算机与通信系统损坏的问题也越来越严重，由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波的侵入，致使雷电灾害频频发生。

工业控制DCS系统的防浪涌保护
问题的提出
某化工厂随着工业自动化水平的不断提高，DCS控制系统已应用得非常普遍，然而由于雷电波侵入、感应或电源过电压，致使工控系统的I／O口或部分硬件常常容易被烧坏，造成部分设备失控，由于化工系统生产的连续性，严重时会导致整个生产系统瘫痪，危及生命和财产的安全。

分析原因
(1)直击雷
当直击雷击中机房等建筑物、现场测量仪表或受控设备时会有很强的雷电流(平均30kA左右)，使建筑的地电位升高到几万伏甚至几十万伏，并且通过电力系统和信号电缆的接地点反馈到其他地方，殃
及接在电网和通信网络上的计算机设备，由于直击雷的电效应，有可能使机房微电子设备遭受浪涌过电压的危害。

(2)感应雷及雷电波入侵
进入DCS控制系统的线路主要有电源电缆、现场仪表传输电缆和电气设备控制电缆，这些都是感应雷及雷电波入侵的途径。

尤其是在机房与现场仪表之间较长的传输电缆，非常容易被雷击，间接摧毁工控机的I／O口及其他微电子设备。

有资料显示，通信设备和电子计算机网络系统遭雷击损坏，
80％以上是由感应雷引起的，显然它对系统的微电子设备危害最大。

(3)电网波动或操作过电压
当电流在导体上流动时，会产生磁场储存能量，当负载(特别是电感性大的负载)电器设备开关时，会产生瞬时操作过电压。

操作过电压、电网波动产生的冲击波同感应雷击一样，可使系统出现瞬间过电压，致使部分敏感电子元件毁坏。

另外，大型设备的起停也会产生浪涌，通过输电线路冲击供电和工控设备。

采取措施
针对以上三点原因，在工程设计中采取相应的对策。

(1)防止直击雷的危害建筑物及屋面设备防雷按常规做法，利用避雷针、避雷带、避雷网和避雷线作为接闪器，把雷电流接下来，用引下线引入大地，特别对于高出屋面的检测或自控设备在计算避雷针
的保护范围时需加大设计余量，以免雷电直接击中I同时在设计和施工中尽量利用建筑物自身的金属构件达到经济实用的防雷目的。

(2)防止信息侧的感应
工控DCS系统的传输线路应尽可能和地、建筑物或设备的防雷引下线保持间距(至少在5m以上)，以防止雷电感应通过传输线路入侵工控系统，与此同时，在I／O口输入端加装浪涌保护器SPD，用于限制瞬态过电压和转移浪涌电流。

由于一套工控DCS系统的FO 点有上百至上千个，而浪涌保护器价格不菲，对于大部分企业来说每个I／O点都配浪涌保护器造价偏高。

考虑到经济性和实用性，我们在一些预计容易遭受雷击、感应及工艺要求比较重要的I/O口输入端力口装防浪涌保护器SPD，最大限度地防止或降低感应过电压对系统的危害。

(3)电源系统的防浪涌保护
电源系统(对TN—S系统)实行三级防浪涌保护。

第一级防浪涌保护(B级保护)在低压总配电室电缆进线侧配避雷器保护(冲击放电电流100kA，电压保护水平4kV)若为架空进线，则还需在进线杆上装避雷器，把上万伏的雷电电压抑制在一定电压以下，以保护线路上的用电设备。

对于高压系统，由于真空开关的广泛使用，需在其进线、母线、出线均配避雷器(A级保护)，以防直击雷或操作过电压。

第二级防浪涌保护(C级保护)从主配电室供电至工控用UPS配电线路，在UPS前端配装模块式浪涌保护器(最大放电电流40kA，额定
放电电流为20kA，电压保护水平<1．7kV)，以降低浪涌过电压幅值。

第三级防浪涌保护(D级保护)DCS仪表柜供电箱加装模块式防浪涌保护器(最大放电电流5kA，额定放电电流为2．5kA，电压保护水平<1kV)，一方面可将残压钳制在微电子设备可承受的范围内，另一方面也可对非供电端入侵的冲击波起浪涌保护作用。

浪涌保护器的安装位置原则上应在各雷电防护区的交界处，其接地端应就近接到等电位连接带上，但由于各种原因，浪涌保护器的安装位置不会正好设在雷电交界处附近。

此时B级保护器安装在建筑物入户处总等电位连接端子处，后续多级保护器尽量靠近被保护设备安装。

(4)屏蔽措施及等电位连接
为减小雷电电磁感应对工控机房内设备的影响，机房六面敷设金属屏蔽网，屏蔽网与机房内环形接地母线均匀多点相连，通过星形结构把设备直接以最短的距离连到邻近的等电位连接带上。

小型机房选S形结构，大型机房选M形结构。

进出的控制电缆均采用屏蔽电缆，屏蔽层两端接地，若有配线钢管则也需两端接地。

用连接导线或浪涌保护器，将控制室和机房内所有金属构架、金属装置、进出电缆、电气装置和工控装置等联成一个等电位连接网络，以实现均压等电位，这样可减少雷电流所引起的电位差。

(5)良好的接地措施
接地装置的优良与否对防雷效果有非常重要的影响。

多数情况建筑物防雷接地、电气系统接地与弱电系统接地做到完全隔离比较困
难，有些时候因地域限制根本就做不到，这样当雷电发生时就会有很大的瞬间电流经引下线入地，并在不同接地装置间产生较高的电位差，以致通过机房接地网对设备形成冲击，造成危害。

所以笔者建议上述3个系统共用接地装置，当地电位上升时，全系统的地电位就会一起上升，而不会有危险的电位差进入机房。

接地装置尽量利用建筑物基础钢筋(包括桩基、承台、底板、地梁等)，一般接地电阻不大于1 Ω。

办公大楼网络系统的防浪涌保护
办公大楼计算机网络系统遭受雷击和过电压的原因与上述基本相同，对比工控DCS系统因其网络布线大部分在楼房内部，所以遭受沿线路入侵感应雷的几率也就相对减少，但感应雷仍是系统电子元件最大的危害者。

笔者曾设计过这样一个网络改造工程，某金属冶炼厂经常遭受雷击，特别是雷雨季节，原有计算机网络系统输入输出模块常被击坏。

其接地系统与全厂接地网相连，按地电阻为0．3—0．4Ω，推测室外接地装置应能满足要求。

由于该网络系统属于普通局域网，主要用于日常办公、财务及经营管理，与企业生产的关系不是很密切，再加上资金投入有限，因此根据系统可能遭受雷击和过电压的几个原因，综合考虑安全、适用和经济性主要采取如下对策。

(1)电源侧采用三级浪涌保护：在大楼总配电箱进线侧加装B级浪涌保护器；在UPS前端靠近UPS的配电箱内加装模块式C级浪涌保护器，在UPS出线配电箱装模块式D级浪涌保护器，以杜绝电源
系统感应或操作过电压对系统电子元件的损害。

(2)信息系统考虑到经济性，对进出建筑物的光缆及网络出线等在其分接处(即防雷区交接处)配装信息浪涌保护模块，以减弱外界感应的浪涌电压。

建筑物内布线的模块则视其重要性、遭受感应的可能性酌情增设浪涌保护模块。

(3)做好等电位联接和线缆的屏蔽工作，布线尽量避开防雷引下线，以消除感应过电压产生。

(4)接地线专线从室外接地装置引出，用屏蔽软电缆接至计算机房的等电位联接母排，确保接地的可靠性。

上述两个系统的防浪涌保护方案经实施后确有明显效果，成功地躲过了几期雷雨季，运行情况良好。

建筑物的防雷保护、计算机系统的防浪涌保护虽然有很多成熟的经验可循，但随着各领域的不断发展，新概念、新成果的不断出现，对应的保护方式也会不断发展和完善，另外，防浪涌系统配置时，应认真分析投资、收益和预测损失间的关系，综合考虑安全、适用和经济性，既不能掉以轻心，也不必一概做大做全。

本文只是提出自己的一些设计心得，以供同行们参考。