石化企业供电系统弱电的防雷和保护:弱电机房接地防雷

摘 要随着大庆石化公司不断发展壮大弱电和强电相辅相成密不可分，受雷电袭击的后果可能是整个系统的运行中断、重要数据丢失，造成无法弥补的经济损失。弱电设备的防雷问题是一个综合性的工程,工厂弱电系统的安全运行对企业来说，尤其是大型的综合企业非常重要，企业供电的可靠性、连续性和安全性要求性很高，减少雷电对弱电系统的损坏,防患于未然、势在必行。

关键词弱电系统；防雷；保护

一、雷电对弱电系统的冲击

雷电波入侵智能建筑的形式有两种，一种是直击雷，另一种是感应雷。一般来说，直击雷击中智能楼宇内的电子设备的可能性很小，通常不必安装防护直击雷的设备。感应雷即是由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压，过电流形成雷击。感应雷入侵电子设备及计算机系统主要有以下三条途径：雷电的地电位反击电压通过接地体入侵；由交流供电电源线路入侵；由通信信号线路入侵。不管是通过哪种途径入侵形式，都会使电子设备及计算机系统受到不同程度的损坏或严重干扰。

以弱电系统的防雷而言,除雷电直击外,最具有破坏作用的是二次效应,也就是静电感应雷和电磁感应雷,由于雷电具有高电位、大冲击电流、瞬时性的特点,强大的闪电产生静电场、交变电磁场和电磁辐射,以雷电波侵入、地电位反击等形成雷电电磁脉冲，产生强大的变电磁场、使周围的金属产生感应电势和感应电流。信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。金属物体(传输线等)受到这些干扰信号的影响,会使传输中的数据产生误码,影响传输的准确性和传输速率。

二、弱电系统防雷保护设计

防雷系统设计应满足的原则：保护器不影响被保护设备的正常工作；雷击产生冲击波时，所采用的防护器件应有低阻抗，将冲击电流直接导入大地而不产生危险的冲击对地电位差；防护器件应有较高的承受冲击能量的能力，并有规范的接地系统。为了防止雷电产生的感应过电压和过电流，在所有监控设备的电源线入口、信号线连接的设备两端均安装相应的避雷器。

防雷系统设计依据是GB50057-94《建筑物防雷设计规范》，QX3－2000《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》D562《建筑物、构筑物防雷设施安装》，GB7450-87《电子设备雷击保护导则》，GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》，VDE0675《过电压保护器》的GB50174-93《电子计算机机房设计规范》等规范。

弱电防雷的综合因素，要求将外部防雷装置和内部防雷装置统一考虑，着眼于全方位的雷电综合防护，把机房建筑物的防雷、雷电电磁脉冲（LEMP）防护、设备防雷、电源系统防雷、线路防雷、接地系统、保护装置等综合因素考虑在内。建筑群子系统，设备间子系统，管理子系统，垂直干线子系统和水平干线子系统的工作区子系统各系统之间的综合关系，任何方面的遗漏带来的危害都是不能低估的。

在雷击发生时，产生巨大瞬变电磁场，在1KM范围内的金属环路，如网络、信号及通讯金属连线等都会感应到雷击，将会影响网络、信号及通讯系统的正常运行甚至彻底破坏系统

三、弱电系统防雷原则和保护器选择

多级分级保护原则，根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定防护要点作分类保护；根据雷电危害可能侵入的电气路径，实现对各系统从电源线到数据通信线等进行多级、多层次的保护。外部无源保护，在0级保护区即外部作无源保护，主要有避雷针（网、线、带）和接地装置（接地线、地极）。保护原理：当雷云放电接近地面时，它使地面电场发生畸变。在避雷针（线）顶部，形成局间电场强度畸变，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（线）放电，再通过接地引下线，接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免受雷击。

内部防护，电源部分防护，雷电侵害主要是通过供电线路侵入。“电源防雷器”并接在电力线路上，可遏制瞬态过电压和泄放浪涌电流。从总进线到用电设备端通常配置三级防护，经过逐级限压和放电，逐步消除雷电能量，保证用电设备的安全。过电压保护按国家规范应分三部分：建议在高压变压器后端到楼宇总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器，作为第一级保护；在总配电盘至楼层配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器，作为第二级保护；在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装避雷器，作为第三级保护。信号部分保护，对于各类信号系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级跟据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。“信号防雷器”接入信号线路后，一方面要能切断雷电进入设备的通路，同时要能迅速对地放电，另一方面要能确保在正常状态下，通过防雷器的信号不受损害，使设备能正常工作。接地处理，在计算机房及各类弱电机房的建设中，一定要求有一个良好的接地系统，因所有防雷设备都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身安全。如果机房接地系统做得不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危害工作人员的生命安全。

四、弱电系统防雷措施

多级防电源防雷措施：一级防雷，作为系统电源进线端的主级三合一防雷器，在雷击多发地带至少应有100-160KA的通流容量，可将数万甚至数十万伏的雷击过电压到数千伏，防雷器可并联安装在厂房总配电柜内的电源进线处或配电房低压输出端。二级电源防雷，UPS电源防雷器，对通过电源初级防雷器的雷电能量进一步泄放，可将几千伏的过电压进一步到1点几千伏，雷电多发地带需要具有40KA的通流容量，防雷器可并联安装在UPS处。三级防雷系统，即用电设备的末级防雷，现代的电子设备都使用很多的集成电路和精密的元件，这些器件的击穿电压往往只是几十伏，由经过一级防雷而进入设备的雷击残压仍将有千伏之上，这将对后接设备造成很大的冲击，并导致设备的损坏。

针对监控设备，由于供电、控制及信号线路电压等级低，而很多设备又是安装在室外等特点，一般都采用在设备前安装三合一防雷装置并有效接地。联合接地时接地电阻值取弱点系统和防雷系统要求的最小值，比如防雷系统要求小于10欧姆，弱点系统要求小于4欧姆，联合接地就取小于4欧姆。防雷系统要求小于1欧姆，弱点系统要求小于4欧姆，联合接地就取小于1欧姆。工厂配电网中性点电阻接地方式的可行性，中性点电阻接地方式有效地解决了单相接地过电压问题。但化工系统的配电网，不是过去的单电源的辐射系统或树形系统，而是双电源供电系统。因此，提高供电可靠性就不再单靠要求带单相接地故障运行几个小时来保证，而是靠BZT装置和短时停电再启动技术来保证。BZT及“智能型快速切换装置”装置是保证系统可靠性的重要技术手段，石化系统的配电网中几乎百分之百使用，起到了很好效果。屏蔽防雷措施的目的是阻挡空间电磁波感应、过电压以及磁场能量侵入被保护的通信设备,起到抑制、消除电磁场的干扰和危害。隔离措施，由弱电自动化装置构成的控制系统中必须解决好接口信号的隔离,抑制传输过程中产生的各种干扰,才能使系统稳定可靠运行。

一般来说，建筑物的避免雷击的途径大致有四条：1）疏导，即将雷云中的电荷疏导之大地，从而避免直接雷击或感应雷击电流流经被保护的建筑物或设备，使这些建筑物或设备免受雷击。2）隔离，即将雷电信号和被保护物隔离开来从而避免雷击。3）等位，即将铁塔地、工作地、建筑物的公共地等至于同一电位。4）消散，即释放出异性电荷和雷云中的电荷进行中和，从而阻止雷电的形成。根据以上的四种避雷途径，具体到一个无线电通信工程的防雷设计来说，其主要的防雷措施有以下几种方法。

1、 安装避雷针或避雷装置

大部分通信设备的避雷设施，主要在通信塔上安装避雷针，这种方法经济，简单，但要严格按照以下要求进行安装。

a .避雷针应当安装在高于天线尖端数米处，避雷针与天线之间应有一定的间隔，以防止由于避雷针的存在而损坏天线的辐射图形影响通信效果。一般的做法是避雷针成为天线塔的主杆，通信天线却安装在避雷针外缘大约1.5个波长以外。

b.避雷地线的直流通路的电阻要求足够低，一般为10—50Ω，由于雷电浪涌电流较大，频谱较宽且持续时间短，因此要求必须有尽量小的电感量。

c .地线不能用扁平线或绞合线，因为这种线电感较大，不利于泄放雷击电流，且容易被腐蚀。要尽可能使用3毫米以上的实心导线，且最好是相同金属材料。

d .为了增大地表面的泄放面积，可采用埋设有一定间隔的多根接地体，且相互焊接。如在建筑物的四周以1至2米的间隔埋上10根左右的铜管，并把他们焊接起来。

在通信塔上安装避雷针虽然经济简单，但却难以做到万无一失。对一些重要的通信工程来说，可以考虑安装放射性避雷装置。放射性避雷装置可以说是目前世界上最先进的防雷保护装置之一。

放射性避雷装置的关键部分是放射源，它能连续自行发射粒子，使周围空气电离产生大量电子。在雷电场的作用下这些电子不断加速，对空气产生连锁的多级电离或雪崩电离，形成与电场强度成正比的电子流，这时产生的由放射源指向雷云的电离通导会永不间断地中和及释放空间电荷，把已有的低电场消除掉，把可能形成的高电场降为低电场，从而有效地防止发生雷电，起到显著的消雷作用。这种放射性避雷装置的防护面积较大，其半径大约为260米左右，其安全可靠对人身无伤害

2、 防感应雷击的方法

除在通信铁塔上安装避雷针或避雷装置的同时，还要注意消除感应雷击，其通常的做法是在天馈系统中安装避雷器。

在天馈系统中安装避雷器时要注意以下方面的问题。一是避雷器的接地端必须与地可靠连接，接地电阻不得大于5Ω，否则将影响防雷效果。二是因避雷器存在一定的插入损耗，对于天线辐射信号的强度造成了一定影响，同时还要注意驻波比的变化，一般要求天馈系统的驻波比小于或等于1.5。三是安装通信天线时，天线制撑杆与铁塔可靠连接，连接电阻等于0Ω。馈线应从铁塔的内部垂下，并每隔一段距离用铜丝与铁塔固定。

对重要的通信工程而言，除在天馈系统中安装避雷器外，还要注意供电系统的防雷。一般的做法是在变压器和配电房安装避雷装置。