- 新型浪涌保護(hù)器在樓宇控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
- 使用電涌保護(hù)器
- 采用公用接地系統(tǒng)
1 前言
為避免直接雷擊擊中建筑時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)和恐慌情況，對(duì)于學(xué)校、劇院或展覽館等公共建筑，國家有關(guān)建筑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需安裝外部防雷保護(hù)系統(tǒng)或?qū)⒎览妆Ｗo(hù)系統(tǒng)集成到樓宇智能控制系統(tǒng)之中。雖然有這種措施，但不可能全面保護(hù)大樓內(nèi)敏感的電氣系統(tǒng)免遭損壞，因此，在設(shè)計(jì)和建造這種復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)候，必須考慮對(duì)直擊雷電流和感應(yīng)雷電流的保護(hù)措施。
雷擊保護(hù)和電涌保護(hù)的目標(biāo)是保護(hù)建筑物和個(gè)人，必須包含對(duì)敏感電氣系統(tǒng)的保護(hù)。現(xiàn)在，不僅要考慮雷擊對(duì)建筑物或供電線路的破壞，而且也要考慮電磁感應(yīng)。雷擊放電包括安裝回路中能引起高壓和電流的電磁感應(yīng)。為確保樓宇控制系統(tǒng)在這些條件下能安全運(yùn)行，尤其是易受雷擊的總線設(shè)備，電涌保護(hù)器必須直接安裝在終端設(shè)備上。為此，本文對(duì)新型浪涌保護(hù)器技術(shù)特征與在建筑內(nèi)樓宇控制系統(tǒng)中的應(yīng)用作分析介紹。
2 新的浪涌基本理念
2.1 關(guān)于電磁兼容性
電磁兼容性的問題涉及到每一個(gè)電力電子設(shè)備最大可靠性保護(hù)方面的規(guī)定。在電子元器件或系統(tǒng)部件之間存在一定的關(guān)系，必須提前加以預(yù)防以避免干擾的產(chǎn)生。電磁兼容性是一個(gè)較新的規(guī)定，它始于確保電子設(shè)備（尤其是軍用及航空系統(tǒng)）的可靠工作和完美無缺。隨著電子學(xué)的發(fā)展和微處理器的普遍使用，電磁兼容性已開始嚴(yán)重影響我們。各國專家開始研究這方面的問題，并預(yù)測(cè)潛在的危害性以及如何克服其負(fù)面影響。電磁兼容性帶來的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)影響是無法用數(shù)字來衡量的,因?yàn)樗怯筛鞣N原因?qū)е露伞?
如今歐盟設(shè)立No．89／3 36／EEC法規(guī)，其目的是對(duì)所有歐盟國家及簽署了會(huì)員協(xié)議的國家推行電磁兼容性條款。例如CSN3 32000—1標(biāo)準(zhǔn)的1 3．6．2段明確規(guī)定如下：“人、畜、財(cái)產(chǎn)必須避免受到浪涌的危害，浪涌的原因是多種多樣，如大氣放電、線路過壓以及靜電等。
2.2 電力線等效電路圖應(yīng)用
圖2是一種常使用的電力線等效電路圖。 使用該電力線等效電路圖的目的是用參數(shù)反映電力設(shè)備的可靠性和正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況，同時(shí)也需得到某些定性方面的參數(shù)。其最主要的目的就是創(chuàng)造一種條件，確保所連接在電力系統(tǒng)中的電子設(shè)備應(yīng)具備最高可靠性及最佳利用率。
3 雷擊浪涌的危害性及其后果
3.1浪涌的危害性
⑴ 夏季閃電是造成浪涌的最主要原因。但是在電網(wǎng)中有些設(shè)備可能被普通的一次開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的浪涌損壞，如高靈敏度的設(shè)備：計(jì)算機(jī)，EZS，NC控制器等。
⑵ 雷擊的威脅。雷擊會(huì)帶來巨大的損失和嚴(yán)重的后果，雷擊及周圍的電磁感應(yīng)會(huì)損壞附近的系統(tǒng)和設(shè)備，經(jīng)常性的雷擊及過流會(huì)降低輸電線路和系統(tǒng)的絕緣指標(biāo)。
⑶ 浪涌的威脅與應(yīng)對(duì)。浪涌對(duì)所有的電子設(shè)備和數(shù)據(jù)系統(tǒng)都有潛在的危害。它是隱伏的，不可見的，不可預(yù)測(cè)的，極端危險(xiǎn)并且后果不可想象。實(shí)際浪涌的幅值一般較雷擊電流小，但前者可能會(huì)造成和后者同樣的損壞。通過提供高、中、低級(jí)浪涌保護(hù)產(chǎn)品，可以很好地滿足用戶的需求。為防雷擊而設(shè)計(jì)的模塊成本較低，可以方便地安裝在總配電箱、分配電箱中。為電源設(shè)計(jì)的雷擊電流抑制器使其可以避免直擊雷和電源雷擊的損害。高品質(zhì)的變阻器可將雷電導(dǎo)人接地系統(tǒng)。對(duì)低級(jí)保護(hù)也有一套適用的浪涌防護(hù)產(chǎn)品可以使用，如FUGO公司可提供多個(gè)系列的浪涌防護(hù)產(chǎn)品，可以滿足客戶的最大需要。
3.2浪涌的原因與后果
⑴ 浪涌的原因可能是大氣放電、開關(guān)操作、靜電放電，以及高電壓下的導(dǎo)體接觸或上面提及的電磁脈沖危害（NEMP）。靜電放電是在維護(hù)過程中人們意外接觸系統(tǒng)某個(gè)地方而導(dǎo)致的。
⑵ 電力設(shè)備的損壞。干擾信號(hào)和浪涌對(duì)電路的不利影響是每一個(gè)電力工程師都不能忽視的問題。在過去繼電器的短時(shí)間過載輸入可能是沒有危險(xiǎn)的，但是在使用半導(dǎo)體電路的時(shí)代里，即使是低能量脈沖也能造成損壞或操作失敗，其損壞見圖3所示。
在將來，由于種種原因浪涌防護(hù)產(chǎn)品將變得越來越普及。即：集成密度的提高必然伴隨著電路中元器件(集成電路，三極管，二極管，電阻等)臨界載荷值的降低；由于使用先進(jìn)的生產(chǎn)機(jī)械，有必要增加生產(chǎn)過程的安全性；電子設(shè)備的應(yīng)用中，要注意露天設(shè)備(如帶有智能傳感器的設(shè)備)的保護(hù)；核爆炸產(chǎn)生的電磁脈沖危害(NEMP)，這是核爆炸產(chǎn)生的不可避免的次要結(jié)果，它能損壞所有電子設(shè)備。
4 多種新型浪涌保護(hù)器選用與技術(shù)特征
4.1 電源浪涌保護(hù)器的選用
⑴ 1級(jí)電源浪涌保護(hù)器
在雷擊高發(fā)區(qū)，或架空線直接進(jìn)戶的情況下，具有超大能量的直擊雷往往會(huì)對(duì)設(shè)備造成毀滅性損壞。值此以FUGO公司的浪涌保護(hù)器為典例作說明。
如今己有間隙型(即開關(guān)型)和壓敏型(即限壓型)浪涌保護(hù)器兩種方案，使用戶能自由地選擇最合適的直擊雷防護(hù)措施。它應(yīng)用于建筑物入戶端，低壓配電系統(tǒng)的第一級(jí)保護(hù)。間隙型(10／350μs)，其型號(hào)為MES一50B／230與MES一50B／440；限壓型(8／20μs)，其型號(hào)為MES一160DST。其主要指標(biāo)為：額定電壓（Un）220／385V；最大持續(xù)運(yùn)行電壓（Uc）385／660V；標(biāo)稱放電電流（Isn）25kA（間隙型）與80kA（限壓型）；最大放電電流（Imax）50kA（間隙型）與160kA（限壓型）；保護(hù)水平(Up)2kV（間隙型）與2.5kV（限壓型）；響應(yīng)時(shí)間(Ta)<25ns；保護(hù)級(jí)別(IP)為20;外形尺寸142mmX76mmX35mm（間隙型）與90mmX72mmX66mm（限壓型）；工作溫度,-40℃--+85℃。
⑵ 2級(jí)與3級(jí)電源浪涌保護(hù)器
單片(單極)設(shè)計(jì)、用于防止電源系統(tǒng)因雷擊過壓或操作過電壓對(duì)設(shè)備造成損壞。適用于低配電系統(tǒng)的第二級(jí)保護(hù)。依據(jù)不同的配電系統(tǒng)(T T／T N／I T)的選擇多種組合方式。圖4所示為2級(jí)電源浪涌保護(hù)器原理圖。
適用于低壓供電系統(tǒng)的精細(xì)保護(hù)，依據(jù)不同的交直流電源電壓可選擇各種相應(yīng)的規(guī)格。由于終端設(shè)備離前級(jí)浪涌保護(hù)器距離較大，從而使得該線路上容易產(chǎn)生振蕩過電壓或感應(yīng)到其他過電壓，則低壓電源電源浪涌保護(hù)器適用于終端設(shè)備的精細(xì)電源浪涌保護(hù)，與前級(jí)浪涌保護(hù)器配合使用，則保護(hù)效果更好。
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4.3 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)浪涌保護(hù)器的選用
BAx系列信號(hào)浪涌保護(hù)器是專為通過雙絞線進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)脑O(shè)備而設(shè)計(jì)，以保護(hù)其避免遭受感應(yīng)過電壓和操作過電壓的損害。該浪涌保護(hù)器輸入、輸出采用RJ45公／母于接頭串聯(lián)保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)信號(hào)浪涌保護(hù)器原理圖見圖5所示。
以產(chǎn)品型號(hào)BAX-RJ45／UTP(／24)與BAX—RJ45／UTP—K(／24)為例，其主要指標(biāo)是：接口／保護(hù)腳為RJ45/STP8線(24口)；額定電壓Un為8V；最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc為12V;標(biāo)稱放電電流Isn(8／20μs) 為5kA;最大放電電流Imax(8／20u s) 為10kA;保護(hù)水平Up線-線／線-地：40V／150V與44V／90V；響應(yīng)時(shí)間ta為1 ns；傳輸速率為155Mbit／s與1000Mbit／s；外殼防護(hù)級(jí)別為IP20；插入損耗DB為<0．2dB；工作溫度-40～+85℃。
4.4 通訊信號(hào)浪涌保護(hù)器選用
MET系列產(chǎn)品是專門用于雙絞線傳輸線路中的過電壓信號(hào)浪涌保護(hù)器，產(chǎn)品廣泛適用于通信系統(tǒng)和工業(yè)自動(dòng)化控制回路系統(tǒng)(比如RS232、RS422、RS485等等)的過電壓保護(hù)。產(chǎn)品包括2線式(1對(duì)線)和4線式(2對(duì)線)各種系統(tǒng)。圖6為原理圖。
DET系列產(chǎn)品是為D型接口連接方式的信號(hào)傳輸設(shè)備而設(shè)計(jì)的，用于防止感應(yīng)過電壓對(duì)設(shè)備造成的損壞，傳輸系統(tǒng)包括EIA／DS485、V．24／RS232、V．11／RS422等，保護(hù)方式采用全護(hù)方式，更適用于工業(yè)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)通信的應(yīng)用保護(hù)。
4.6 天饋信號(hào)浪涌保護(hù)器選用
高頻饋線浪涌保護(hù)器是專為保護(hù)微波、移動(dòng)基站，以及衛(wèi)星信號(hào)接收器和有線電視設(shè)備而設(shè)計(jì)的，以防止因饋線感應(yīng)過電壓而對(duì)接收設(shè)備造成損壞。
以產(chǎn)品型號(hào)CET-DNT／CATV與CET-DSP為例，其主要指標(biāo)是：接口為F、 F／F與N 、 FLl0；阻抗為75Ω與50 Ω；傳輸功率Po為≤100W；工作頻率（MHz）為45-870與DC-2000；駐波比為1.2；標(biāo)稱放電電流Isn(8／20us) 為5kA；最大放電電流Imax（8／20 us ) 為10kA；保護(hù)水平Up為≤600V；插入損耗DB為0.5dB；防護(hù)級(jí)別為IP20；工作溫度-40—十85℃。
5 新型浪涌保護(hù)器在建筑內(nèi)樓宇控制系統(tǒng)的中的應(yīng)用
值此，僅以新型多種浪涌保護(hù)器在金融電子設(shè)備防雷應(yīng)用中的設(shè)計(jì)為例作分析說明。
如今電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于金融網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行系統(tǒng)中。其系統(tǒng)電子設(shè)備雷電過電壓及電磁干擾防護(hù)是保護(hù)通信線路、設(shè)備及人身安全的重要技術(shù)手段，也是確保通信線路、設(shè)備運(yùn)行必不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)，是銀行系統(tǒng)金融電子化建設(shè)及運(yùn)行管理工作的重要組成部分。為此，需制定供出一套完整而易于操作防雷設(shè)計(jì)和運(yùn)行解決方案，從而達(dá)到使金融網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全運(yùn)行的效果。
設(shè)計(jì)依據(jù) VDE675《過電壓保護(hù)器》、GA73—1998《計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)防雷保安器》及IEC1312《雷電電磁脈沖的防護(hù)》等。
所采用的過電壓保護(hù)產(chǎn)品可選FUGO公司制造的電源及通信信號(hào)的過電壓保護(hù)器(SPD)。
5.2 防雷設(shè)計(jì)方案的基本架構(gòu)
電涌保護(hù)器（SPD）是用以防護(hù)電子設(shè)備遭受雷電閃擊及其它干擾造成的傳導(dǎo)電涌過電壓的有效手段。
系統(tǒng)的瞬態(tài)過電壓保護(hù)設(shè)計(jì),系統(tǒng)過電壓保護(hù)必須運(yùn)用電磁兼容原理將銀行系統(tǒng)局部的防護(hù)歸結(jié)到銀行系統(tǒng)的整體雷電過電壓保護(hù)；電子設(shè)備所處的建筑物作為一個(gè)欲保護(hù)的空間區(qū)域，從電磁兼容的角度出發(fā)，可由外到內(nèi)分為幾個(gè)雷電保護(hù)區(qū)，以規(guī)定各部分空間不同的雷電磁脈沖的嚴(yán)重程度；依據(jù)雷電保護(hù)區(qū)的劃分要求，銀行建筑物外部是直接雷的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備最容易遭受損害，危險(xiǎn)性最高，是暴露區(qū)，為0區(qū)；建筑物內(nèi)部及計(jì)算機(jī)房所處的位置為非暴露區(qū)，可將其分為1區(qū)、2區(qū)，越往內(nèi)部，危險(xiǎn)程度越低，雷電過電壓對(duì)內(nèi)部電子設(shè)備的損害主要是沿線路引入。保護(hù)區(qū)的界面通過外部的防雷系統(tǒng)、建筑物的鋼筋混凝土及金屬外殼等構(gòu)成的屏蔽層而形成。電氣通道以及金屬管則通過這些界面，穿過各級(jí)雷電保護(hù)區(qū)的金屬構(gòu)件必須在每一穿過點(diǎn)做等電位連接。
進(jìn)入銀行大樓的電源線和通訊線應(yīng)在建筑物內(nèi)部及計(jì)算機(jī)房所處的位置為各安全區(qū)交界處，以及終端設(shè)備的前端。根據(jù)IECl3 12(雷電電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn))安裝不同類別的電源類SPD，以及通訊網(wǎng)絡(luò)類SPD。
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5.3 選用和使用SPD注意事項(xiàng)
⑴ 應(yīng)在不同使用范圍內(nèi)選用不 同性能的SPD。在選用電源SPD時(shí)要考慮供電系統(tǒng)的形式、額定電壓等因素，LPZ 0與LPZ 1區(qū)交界處的SPD必須是經(jīng)過10／350us波形沖擊試驗(yàn)達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品。對(duì)于信號(hào)SPD在選型時(shí)應(yīng)考慮SPD與電子設(shè)備的相容性，SPD保護(hù)必須是多級(jí)的。例如對(duì)銀行電子設(shè)備電源部分雷電保護(hù)而言，至少應(yīng)采取泄流型SPD與限壓型SPD前后兩級(jí)進(jìn)行保護(hù)。為各級(jí)SPD之間做到有效配合，當(dāng)兩級(jí)SPD之間電源線或通訊線距離未達(dá)規(guī)定要求時(shí)，應(yīng)在兩級(jí)SPD間采用適當(dāng)退耦措施。建在城市、郊區(qū)、山區(qū)不同環(huán)境下銀行營業(yè)網(wǎng)點(diǎn)，設(shè)計(jì)選用過壓型SPD時(shí)，必須考慮網(wǎng)點(diǎn)供電電源不穩(wěn)定因素，選用合適工作電壓的SPD。
⑵ 信號(hào)SPD應(yīng)滿足信號(hào)傳輸帶率、工作電平、網(wǎng)絡(luò)類型的需要，同時(shí)接口應(yīng)與被保護(hù)設(shè)備兼容。信號(hào)SPD由于串接在線路中，在選用時(shí)應(yīng)選取損耗較小的SPD。
⑶ 為了保護(hù)網(wǎng)關(guān)，避免系統(tǒng)故障，應(yīng)該使用電涌保護(hù)器。電涌保護(hù)器可安全地保護(hù)接口，防止電涌產(chǎn)生(由間接雷電流引起)，而且需安裝在最接近被保護(hù)設(shè)備的地方。如為了保護(hù)ISDNS，總線、保護(hù)設(shè)備直接裝在接近電子設(shè)備的DIN軌處，連接線直接在網(wǎng)關(guān)和NTBA連接，最后與等電位帶聯(lián)結(jié)(EB)。
⑷ 供電系統(tǒng)的電涌保護(hù)
金融網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的供電系統(tǒng)通常位于配電板中間并且由低壓電氣裝置提供電流。2級(jí)電涌保護(hù)器，應(yīng)安裝在配電板的供電區(qū)域。在這種裝置內(nèi)，這些位于230／400V電源的SPD為供電提拱了電涌保護(hù)。如果配電盤中的供電區(qū)域沒有SPD，或僅僅是電源被保護(hù)，2級(jí)SPD必須直接安裝在電源上端。
5.4金融網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的外部與內(nèi)部防護(hù)措施
⑴ 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的外部防護(hù)首先是使用建筑物的避雷針將主要的雷電流引人大地；其次是在將雷電流引入大地的時(shí)候盡量將雷電流分流，避免造成過電壓危害設(shè)備；第三是利用建筑物中的金屬部件以及鋼筋作為不規(guī)則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作用；第四是建筑物各點(diǎn)的電位均衡，避免由于電位差危害設(shè)備；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷擊建筑物時(shí)接地點(diǎn)電位升高而損壞設(shè)備。
⑵ 金融網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)部防護(hù)，除了電源部分防護(hù)外應(yīng)建立良好的接地系統(tǒng),所有防雷系統(tǒng)都需要通過接地系統(tǒng)把雷電流泄人大地。所以，良好的接地系統(tǒng)是設(shè)備和人身安全的保障，也是限制地電位升高的手段。另外系統(tǒng)防干擾的屏蔽問題、防靜電感應(yīng)等都需要通過建立良好的接地系統(tǒng)來解決。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備接地電阻除另有規(guī)定外一般不宜大于4Ω，當(dāng)采用公用接地系統(tǒng)時(shí)阻值不應(yīng)大于1Ω。選擇合適的<<S型等電位聯(lián)結(jié)并接地>>聯(lián)結(jié)方式，如圖7所示。
這種接法中，PE線不僅保護(hù)接地，還是設(shè)備的信號(hào)接地線。因網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作頻率高于工頻，所以PE線具有較大阻抗，使得設(shè)備間信號(hào)線的噪聲較高。此方法簡單易行，常用于設(shè)備本身抗干擾能力較強(qiáng)而工作頻率較低的場(chǎng)合。
6 結(jié)束語
設(shè)計(jì)和安裝任何類型的信號(hào)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)師和建筑師不可避免地要為系統(tǒng)正常運(yùn)行采取適當(dāng)?shù)拇胧瑸榱耸勾髽歉孢m、安全，設(shè)備的高可靠性是一個(gè)前提條件。因此，必須安裝電涌保護(hù)設(shè)備以避免雷擊。在籌劃階段與專業(yè)安裝時(shí)，從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上考慮，這些設(shè)備能夠以節(jié)約的方式保護(hù)建筑裝置。
