三遥系统的防雷措施.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流三遥系统的防雷措施.精品文档.三遥系统的防雷措施一、雷电的危害雷电是一种常见的自然现象，不仅发出划破长空的闪电和震耳欲聋的轰鸣声，还会对人类的生活和生产做成很大的影响。雷电的危害主要有：雷电直接威胁人的生命安全，每年世界各地都有不少因遭受雷击而死亡的报道。雷电会造成建筑物损坏，雷电之际击中建筑物会造成建筑物的损坏，严重的还会坍塌。雷电造成建筑物或森林火灾，强大的雷电流释放的热量非常容易点燃建筑物的易燃物体和材料，点燃森林树木，造成火灾，古代成为天火。雷电造成电力、电气和电子设备的损坏。雷电对电力线路、供配电设备和电子设备的损害，已经成为非自然

2、故障中的主要原因，且所造成的损害非常严重。雷电干扰电子系统的正常运行，雷电所感应的能量巨大的电磁波，对电子系统带来强大的干扰。二、雷电放电的特性雷电放电是由于带电荷的雷云引起的，带有大量电荷的雷云由于静电感应的作用，在下方的地面或建筑物带上反极性的电荷。当雷云的电荷积累到一定程度，就开始发生局部放电，称为先导放电。先导放电到达地面后，就开始了主放电阶段。主放电阶段持续时间约为50100S，雷电流达数十至数百KA，此后进入0.050.15S的余辉阶段。随后是重复放电阶段，单雷电流较小，一般在30KA之内。如下图所示。先导放电 主放电 余辉电流 重复放电图2.1 雷电放电波形图在一次放电过程中，由

3、三个参数用于表示放电特性：电流幅度、波头时间和波长时间。参数取值入下图所示：Im1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1 t T2 T1 图2.2电流幅度Im；波头T2/（0.90.1）；波长T1。对于不同的建筑物防雷类别，规定了相应的波形参数，入下表所示：表1 首次雷击的雷电流波形参数波形参数第一类第二类第三类电流幅值Im(kA)200150100波头时间（S）101010波长时间（S）350350350表2 后续雷击的雷电流波形参数波形参数第一类第二类第三类电流幅值Im(kA)5037.520波头时间（S）0.250.250.25波长时间（S）100100100三、 雷

4、电对电子系统设备的危害3.1 雷击危害的特点雷电放电和感应出的雷电流非常大，通常在几KA到几百KA之间。而一般的电子设备的工作电流也不过几十安培。如此强大的电流流过电子设备，对电子设备或某些元器件必然会造成永久性的损坏。同时还会在没有进行等电位连接的电子设备、线路之间产生几十万伏特的过电压，导致击穿，不仅会损坏线路、设备，还会引发火灾。因此，雷电的危害，较之其它的危害，损失更大，后果更为严重。3.2 雷击危害的概率有统计显示，在非人为的电子设备损害的事故中，有80的原因是雷电引起的。同时根据气象部门的统计，全国的年平均雷电日接近50天。同时由于城市建筑物高度越来越来高，越来越密集，使得地面落雷

5、密度也相应增大了。因此可以看出，雷电对电子系统设备的损坏概率还是比较高的。3.3 雷击危害的途径一般来讲，雷电侵害的途径主要有三个：1、直击雷建筑物或安装在室外的系统部分设备直接遭受雷击时，通过防雷系统引下线和接地体汇入大地，由于接地电阻不可能为零，以及引下线的寄生电感的存在，会在建筑物或设备上接地点中产生暂态高电位。如下图3.1所示： 避雷针 天馈建筑物1 I 感应电荷建筑物2设备1设备2电源设备 i I A 系统连接电缆供电 建筑物接地体图3.1暂态电压可以用下式来表示：UA=Rgi+Ldi/dtUA为A点的暂态电压；Rg为A点接地电阻， L为接地线的寄生电感。由于放电电流和波头陡度都非常

6、大，因此在A点的暂态电压也非常高。这样就会对建筑物内距离以引下线较近的线路和设备和与室外设备连接的其它设备发生放电击穿，导致电子设备严重损坏，甚至会引发火灾和人身伤害事故等。直击雷产生的损害最大，但发生的概率较少。2、感应雷指因雷击所引起的静电感应和电磁感应对电子系统设备产生的危害。因此分为静电感应和电磁感应两种情况。（1）静电感应当安装有电子设备或铺设有电缆的上方有带电的雷云出现时，雷云下方的建筑物、设备、导线等在静电感应的作用下带有大量的相反电荷。当雷击发生时，雷云电荷和感应电荷发生迅速中和，而局部的感应电荷因与大地的接地电阻较大，不能在同样短时间内消失，就会形成局部地区的感应过电压，如下

7、式所示：Vc=Ve(-t/RC) ；其中：V=Q/C式中：Vc雷击发生后局部高压地区与大地之间的电压； V雷击发生的刹那间高压地区与大地之间的电压； R局部高压地区与大地之间散流电阻； C局部高压地区与大地之间的电容；T雷击发生后的持续时间；Q局部高压地区积累的静电荷。局部高压在架空线路上可以达到几十到几百KV，对与其相连接的电子设备发生放电击穿，对电子设备形成较大的危害。（2）电磁感应在发生雷击时，雷电流有着极大的峰值和和陡度，强大的变化电流必然会在起周围产生强大的磁场，在处在磁场中的导体上感应出很大的电动势，如促高的电动势不仅会损坏电子设备，甚至会引发火灾。感应雷的破坏性虽然没有直击雷那么

8、强烈，但发生的概率很大，一方面由于直击雷直对发生闪击的建筑物或设备产生危害，但感应雷对闪击点附近周围的建筑物或设备陡能造成危害。另一方面，直击雷只有对地闪击时才能造成破坏，但感应雷则不论雷云对地还是雷云之间闪击都能发生，且雷云之间的闪击发生的概率要远高于对地闪击。因此，感应雷的危害更大更难以防范。如图3.1中建筑物A的避雷针引下线电流产生的磁场，在靠近引下线的设备连线上感生的电流I。3、反击雷指靠近建筑物的避雷设施、另一建筑物或有电缆连接的两个建筑物，其中之一遭受雷击，暂态电位提高，对相关联的另一建筑物产生的反击现象。如图3.1建筑物1遭受雷击，建筑物1的整体电位提高，但建筑物2的电位没有提高

9、，两建筑物之间存在很大的电位差，通过两个建筑物设备之间的连接电缆产生反击。下面我们针对三遥系统的特点来分析雷电对三遥系统和设备的危害途径。一个三遥系统中厂（站）测控端站分系统设备连接图如图3.2所示。图3.2 厂（站）测控系统设备连接图在以上系统中，雷电侵入的可能途径有：1、 因通信天线超出建筑物避雷针的保护范围，遭受雷击，通过馈线引入直击雷；2、 在雷云接近建筑物上空时，在天线上产生静电感应，通过馈线引入感应雷。3、 建筑物遭受雷击，整体电位提高，由于RTU设备没有接地，与周围的环境存在电势差，产生局部放电。4、 高压输电线路感应雷电，产生极大的电源浪涌，损坏RTU设备；5、 天馈线距离避雷

10、针引下线太近，建筑物遭受雷击时，在馈线上产生电磁感应，引入感应雷；6、 仪表连接电缆感应雷电，引入感应雷；7、 仪表所连接的水管感应雷电，通过连接电缆对RTU设备造成反击。8、 机房遭受雷击，通过机房电脑等设备与RTU设备的连接线缆对RTU设备造成反击。四、防雷措施针对雷电损害的不同的起因和特点，设计采用不同的防雷措施。4.1 直击雷的防范首先要保证建筑物安装有规范的避雷针和接地体，楼顶架设通信天线时，务必要保证天线的顶端在本建筑物避雷针或相邻建筑物避雷针的防护范围之内。同时，安装天线的金属支架和天馈线的屏蔽层必须可靠的与建筑物防雷网可靠的连接，即便在遭受雷击时，也要保证多数能量直接通过防雷网

11、和引下线泄放到地下，而不是引入室内。但对于安装在室外较高部位，不在周围建筑避雷针的作用范围内的设备和线路，应当采取防直击雷的措施。方法之一就是在设备上方自行安装避雷针，并保证良好接地，接地电阻不大于10欧姆。避雷针的入地线要与设备线路保持1米以上的距离。无法保持距离的，设备线路必须穿金属管屏蔽并良好接地。严禁架设没有可靠接地设施的避雷针。4.2 感应雷的防范感应雷由于其发生的概率较多，所以是防范的重点。对于感应雷的防范，主要采取以下几个方面的措施：1、对于室外敷设的电缆，尽量采用埋地敷设的方式，且埋地深度应在60cm 以下，采用墙面附着敷设的线缆，要穿金属线管屏蔽防护，且金属线管尽可能的可靠接

12、地。尽量避免架空线路敷设。严禁沿建筑物防雷引下线附着捆扎线路。建筑物外墙面垂直敷设线路时，应尽量避开防雷引下线。2、室内设备安装的设备应离开建筑物外墙面一定的间隔，避免由防雷引下线产生的磁场感应电动势对设备造成破坏。3、在电源供电端和室外敷设的信号线路两端加装相应的避雷器。在三遥系统中常用的避雷器主要有：电源浪涌保护器：安装在RTU设备的交流供电端，用来抑制从供电线路感应进来的浪涌电流。天馈防雷器：安装在电台的天馈输入端，用来抑制从天馈感应来的电流。双绞线防雷器：安装在RTU和计算机的串口输入端，用来抑制通讯线路感应的电流。电源浪涌保护：对于低压供电系统，浪涌引起的瞬态过电压（TVS）保护，最

13、好采用分级保护的方式来完成。从供电系统的入口（比如大厦的总配电房）开始逐步进行浪涌能量的吸收，对瞬态过电压进行分阶段抑制。 第一道防线 应是连接在用户供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防浪涌保护器。一般要求该级电源保护器具备100KA/相以上的最大冲击容量，要求的限制电压应小于1500V。我们称为CLASS I 级电源防浪涌保护器。 这些电源防浪涌保护器是专为承受雷电和感应雷击的大电流和高能量浪涌能量吸收而设计的，可将大量的浪涌电流分流到大地。它们仅提供限制电压（冲击电流流过SPD时，线路上出现的最大电压成为限制电压）为中等级别的保护，因为CLASS I 级的保护器主要是对大浪涌电流的

14、吸收。仅靠它们是不能完全保护供电系统内部的敏感用电设备。 第二道防线 应该是安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电设备处的电源防浪涌保护器。这些SPD对于通过了用户供电入口浪涌放电器的剩余浪涌能量进行更完善的吸收，对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。该处使用的电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为45KA/相以上，要求的限制电压应小于1200V。我们称为CLASS II 级电源防浪涌保护器。一般的用户供电系统作到第二级保护就可以达到用电设备运行的要求了（参见UL1449-C2的有关条款）。 最后的防线 可在用电设备内部电源部分使用一个内置式的电源防浪涌保护器，以达到完全消除微小瞬态的瞬态过电压的

15、目的。该处使用的电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为20KA/相或更低一些，要求的限制电压应小于1000V。对于一些特别重要或特别敏感的电子设备，具备第三级的保护是必要的。同时也可以保护用电设备免受系统内部产生的瞬态过电压影响。4.3 反击雷的防范反击雷的防范，除了尽可能的减少不同建筑物之间的线路连接外，采用光纤传输是很好的防范办法。另外建筑物接地体互连以及在线路两端加装保护器，也是防范反击雷的有效措施。4.4 通用的防雷措施4.4.1 接地1、 接地的意义接地具有两个方面的意义：一是为浪涌电流和积累感应电荷提供泄放的途径；二是为电子系统提供基准的工作电位。2、 接地的分类及其方法接地按照用途

16、分为保护接地和工作接地两个大类。（1）保护接地 保护接地又可分为防雷保护接地和机壳安全保护接地。 防雷接地是受到雷电袭击（直击、感应或线路引入）时，为泄放雷电流的接地系统。 机壳安全接地是将系统中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。原因是系统的供电是强电供电（380、220或110V），通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源的供电火线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，如果没有很好的接地，那么这带电体和地之间就有很高的电位差，如果人不小心触到这些带电体，那么就会通过人身形成

17、通路，产生危险。因此，必须将金属外壳和地之间作很好的连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。 （2）工作接地 工作接地是为了使系统以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系统中还有本安接地。 机器逻辑地，也叫主机电源地、直流工作地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等电源的输出地。 信号回路接地，如各变送器的负端接地，开关量信号的负端接地等。 屏蔽接地（模拟信号的屏蔽层的接地）。 本安接地，是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除了抑制干扰外，还有使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。本

18、安接地会因为采用的设备的本安措施不同而不同，下面以齐纳式安全栅为例，说明其接地内容。 安全栅的作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压范围之内。如果现场端短路，则由于负载电阻和安全栅电阻R的限流作用，会将导线上的电流限制在安全范围内，使现场端不至于产生很高的温度，引起燃烧。第二种情况，如果计算机一端产生故障，则高压电信号加入了信号回路，则由于齐纳二级的嵌位作用，也使电压位于安全范围。 值得提醒的是，由于齐纳安全栅的引入，使得信号回路上的电阻增大了许多，因此，在设计输出回路的负载能力时，除了要考虑真正的负载要求以外，还要充分考虑安全栅的电阻，留有余地。 除了上述几种接地外，在很多场合下容易

19、引起混乱的还有一个供电系统地，也叫交流电源工作地，它是电力系统中为了运行需要设的接地(如中性点接地）。 （l）接地要求和方法： 上面介绍了六种接地：供电系统地、保护地、逻辑地、屏蔽地安全栅地、信号回路地。对这六种接地，各家有各家的要求，虽然大都强调一点接地，接地电阻必须小于1欧姆等，但具体内容上差别很大，下面给出几个例子介绍常遇到的接地要求和方法。 供电系统地：在很多企业，特别是电厂、冶炼厂等，其厂区内有一个很大的地线网，而通常供电系统的地是与地线网连在一起的。有的厂家强调计算机系统的所有接地必须和供电系统地以及其它（如避雷地）严格分开，而且之间至少应保持15m以上的距离。为了彻底防止供电系统

20、地的影响，建议供电线线路用隔离变压器隔开。这对那些电力负荷很重，而且负荷经常启停的单位是应注意的。从抑制干扰的角度来看，将电力系统地和计算机系统的所有地分开是很有好处的，因为一般电力系统的地线是不太干净的。但从工程角度来看，在有些场合下单设计算机系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的，这时可以考虑能否将计算机系统的地和供电地共用一个，这要考虑几个因素： 供电系统地上是否干扰很大，如大电流设备启停是否频繁，对地产生的干扰是否大； 供电系统地的接地电阻是否足够小，而且整个地网各个部分的电位差是否很小，即地网的各部分之间是否阻值很小（1W） 弱电子系统的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干

21、扰能力，例如有无小信号(电偶，热电阻）的直接传输等。 所有计算机接线涉及到的接地采用一点接地方式，在这一点上，也有很多争议。有的厂家系统提出几个地：逻辑地、屏蔽地（又叫模拟地）、信号地、保护地分别自己接地在地上打接地装置，而大部分系统则指出各种地在机柜内部自己分别接地，汇于一点，然后用较粗的导体（铜）将各汇地点朕起来，接到一个公共的接地体上。 保护接地：系统的所有设备均有一个保护地，该保护一般在机柜和其它设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地（三芯插头的中间头)连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书，不管哪种方式

22、，CG必须将一台设备（控制站、操作员站等）上所有的外设或系统的CG连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的CG连在一起，最后从一点上与大地接地系统相连。还有一点值得提醒的是，同一体统的所有外设必须从一条供电线上供电，而且一台设备（如操作员站位所连接的所有外设和主机系统（计算机、打印机、拷贝机主机系统）的电源必须从设备的供电分配器上取电，而不允许从其它地方取电，否则可能会烧坏接口甚至设备，对于不得不用长线连接的场合，或用较粗导线提供供电，或采取通信隔离措施。 各站的CG在连接时可以采用幅射连接法，也可以采用串行接法。电源逻辑地（P）如图 1所示。首先，各站内的逻辑地必须位于一点PG，然后，粗绝缘

23、导线以辐射状接到一点上，然后接到大地接地线上。在有些系统中，所有的输入，输出均是隔离的，这样其内部逻辑地就是一个独立的单元，与其它部分没有电器连接，这种系统中往往不需要PG接地，而是保持内部浮空。所以，用户在设计和施工接地系统时，一定要仔细阅读产品的技术要求和接地要求。 模拟地（AG），模拟地（又叫屏蔽地）是所有的接地中要求最高的一种。几乎所有的系统都提出AG一点接地，而且接地电阻小于1。 DCS设计和制造中，在机柜内部都安置了AG汇流排或其它设施。用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。大多数的D

24、CS要求，不仅各机柜AG对地电阻I，而且各机柜之间的电阻也要1。 信号地的处理：原则上不允许各变送器和其它的传感器在现场端接地，而都应将其负端在计算机端子处一点接地。但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子（上双端）绝对不许和计算机的接地线有任何电气连接，而计算机在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。 安全栅的接地：我们来看图2所示的安全栅线路图。 图4.1 安全栅接地原理图 从图中可以看出有三个接地点：B，E，D，通常B和E两点都在计算机这一侧。可以连在一起，形成一点接地。而D点是变送器外壳在现场的接地，若现场和控制室两接地点间有电位差存在，那么， D点和E点的

25、电位就不同了。假设我们以E作为参考点，假定是D点出现10V的电势，此时，A点和E点的电位仍为24V，那么A和D间就可能有34V的电位差了，己超过安全极限电位差，但齐纳管不会被击穿，因为A和E间的电位差没变，因而起不到保护作用。这时如果不小心现场的信号线碰到外壳上，就可能引起火花，可能会点燃周围的可燃性气体，这样的系统也就不具备本安性能了。所以，在涉及到安全栅的接地系统设计与实施时，一定要保证D点和B（E）点的电位近似相等。在具体实践中可以用以下方法解决此问题：用一根较粗的导线将D点与B点连接起来，来保证D点与B点的电位比较接近。另一种就是利用统一的接地网，将它们分别接到接地网上，这样，如果接地

26、网的本身电阻很少，再用较好的连接，也能保证D点和B点的电位近似相等。但注意，此接地一定不要与上面几种接地发生冲突。 假如按照某些厂家所要求的几种不同的接地必须分别接入到不同的接地体（接地装置），各接地装置隔离距离要求大于15米，但这在现在的现场情况下是几乎不可能实现的。就算能够实现，虽然是最大限度的保证了系统工作接地（逻辑地、屏蔽地、信号地）的纯洁，在正常状态下系统的运行非常稳定，但在发生雷击时，由于各种接地不在同一个电位参考点上，势必会在各接之间存在电势差，造成各种接地之间的反击，对系统设备产生较大的破坏。 现在越来越多的人提出联合接地的方式，所谓联合接地，就是集中不同的接地采用同一个接地体

27、（接地装置）。这样就保证了各种接地点在任何状态下都处于同一个电位参考点上。但这里有几个前提：一是接地电阻必须小于1欧姆；而是各种接地必须从接地体同一个接地点星型连接，引出各自的接地母线；三是各种接地的接地母线必须有足够低的电阻，特别是防雷接地的母线不需有足够的泄放能力。4.4.2 等电位假如建筑物内所有的导电体都通过足够容量的导线连接在一起，就不存在雷击破坏的问题了，因为所有的导体都处在同一个电位点上，之间不存在电位差，就不可能产生电流。但这是不可能的，这样电子系统就不可能工作了。等电位的作用就是要消除或尽可能降低各导体之间的电位差。等电位连接的方式有两种：一种是纯物理性的电气连接，主要是各种设备的金属外壳、建筑物的金属构造物、接地装置等之间的电气连接，这种连接方式提供在任何状态下的电气通路。一种是暂态等电位，所谓暂态，就是指在某些特定情况下使得连接的导体之间暂时处于电气连接状态。这个特定情况，一般就指的是发生雷击事件的情况，在这种情况下，将各种平时正常工作状态下没有电气连接的导体之间产生电气通路，就可以有效的保护电子设备。暂态等电位连接一般采取火花间隙来实现。假如把电气连接的含义广泛化，所有的防雷器件其实都是暂态等电位连接器。