《仪表系统防雷技术》课件.ppt
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- 仪表系统防雷技术 仪表 系统 防雷 技术 课件
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1、丁炎2009年10月 1、雷电形式 雷电是大气中的一种放电现象。雷电主要有两种形式:不同带电云层间的放电作用;云层对地的放电作用。易受雷击的建筑物和构筑物是:旷野孤立的或高于20m的建(构)筑物;金属屋面、砖木结构的建(构)筑物;河边、湖边、土山顶的建(构)筑物;地下水露头处,特别潮湿处,地下有导电矿藏处或土壤电阻率较小处的建(构)筑物;山谷风口处的建(构)筑物;建筑物群中高于25m的建(构)筑物。通常雷击有以下几种主要形式:直击雷:是指雷电直接击在建筑物构架或动植物上,常因电效应、热效应和机械效应等而造成建筑物等损坏以及人员伤亡。一般防直击雷的方法是通过由避雷装置(即接闪器,如针、带、网、线
2、等)、引下线以及接地装置构成的完整的电气通路将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损坏,雷电仍会通过多种形式及途径破坏建筑物内的电子设备。感应雷:是指雷电在雷云之间或雷云对地放电时,在附近的户外传输信号线路、埋地电力线或设备间连接线上产生电磁感应并侵入设备,使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。雷电波侵入:由于雷电流有极大的峰值和陡度,在雷电流周围会产生瞬变电磁场,处在该瞬变电磁场中的导体会感应出较高的电动势,而此瞬变电磁场又会在一定的空间范围内产生电磁作用,也可以是脉冲电磁波辐射。而这种空间雷电电磁脉冲波(LEMP)将在三维空间范围内对一切电子
3、设备发生作用。由于雷电流峰值大、陡度高(变化率快),且其瞬变时间极短,因此在这种交变磁场中的导体感应出的电压很高,以致产生电火花。球形雷:球形雷(即球状闪电)是一种橙色或红色的类似火焰的发光球体,偶尔也有黄色、蓝色或绿色的。球形雷多在强雷暴天气空中普通闪电最频繁的时候出现。球形雷通常沿水平方向以12ms的速度上下滚动,有时距地面0.51m,有时升起23m。它在空中漂游的时间可由几秒到几分钟。图 1 仿真雷电流波形1、雷电放电的浪涌起因雷电放电的浪涌起因起源于大气的电涌,基本上都是直接雷击和邻近雷击及远处雷击造成的。直接雷击:雷直击受保护的建筑物;邻近雷击:雷击在与被保护系统直接相连的延伸系统或
4、管线(管道、数据传输线或输电线)远处雷击:云间闪电在传输线上产生“反射浪涌”(行波),而周围区域的雷电则会感应出过电压。在远处雷击情况下,行波沿线路传播,或雷击在被保护系统的附近,从而产生影响被保护系统的电磁场。图 2 雷电放电的浪涌起因图中:直接近距离雷击:击中外部防雷保护系统、生产用的构架(工厂)、电缆等。1a、冲击接地电阻Rst上的电压降1b、闭环(由供电和信息技术系统形成)上由雷电流最大上升速率(di/dt)max产生的感应电压。远处雷击 2a、击中中压架空线路 2b、传导的过电压,由于云闪或架空线附近的雷击造成的行波 2c、雷电通道产生的场(电磁场)2、雷电放电浪涌 在低压供电系统、
5、测量和控制系统、计算机网络,有许多因素引起过压浪涌。直击雷 附近的雷击 远处的雷击 开关浪涌 直击雷 如果雷电直接对有外部防雷装置的建筑物或者直接打到建筑物顶部的可以通过某种途径传输雷电流入地的装置放电(如室外天线,卫星接收装置等),使得地电位抬升,一大部分雷电流通过保护接地线进入到建筑物的装置和连接的设备。雷电也可能直接对电源线(低压架空线)或数据线放电,大部分高能雷电流被引入到建筑物里。附近的雷击 即使建筑物本身没有遭到雷击,附近的雷电闪击也可能引起建筑物装置上的过电压。这个浪涌过电压直接或通过电感性或电容性耦合到达电子装置、设备的线路上。部分雷电流可能通过大地传送到接地的装置从而引起极大
6、的危害,或者通过雷电放电通道散发出的磁场,在设备的线路上感应出过电压,建筑物内的长导线回路特别容易感应出过电压。容性耦合是通过具有高电位差的两点之间的电场产生的,例如在雷电放电通道和金属导线之间。远处的雷击 就是几百米之外的雷电闪击,也可能在低压导线、数据线上感应过电压,也可能将高电压传导到建筑物的接地装置上,从而对电子设备造成极大的危害。甚至云层之间或云层内部的放电产生的电磁场也能耦合过电压到导线中。开关浪涌 开关浪涌来自电路的闭合、断开的转换操作,来自感性和容性负载的开关操作,也来自短路电流的阻断。特别是,大型用电系统或变压器的断开可能引起对邻近的电子设备的损坏。开关浪涌产生的主要起因:(
7、a)切除空载电力线路(或电容器)当开关打开时,电源电压瞬时值的变化使得系统和被切除的线路之间出现高电位差。这种在数毫秒之内就建立起来的电位差能在开关的触头之间引起重燃,就像触头再次合上。线路电压随即和电源电压的瞬时值相等,开关触头之间的电弧熄灭。该过程可反复出现多次。这种线路电压和一定的电源电压的瞬时值相等的过程所产生的操作过电压具有按几百千赫兹衰减振荡的特征。这种操作过电压的初始幅值与重燃时刻开关触头之间的电位差有关,该幅值可以是额定电源电压的数倍。(b)切除空载变压器 如果在电网中切除空载变压器,则磁场的能量被加载到其自身电容上。于是电感一电容电路就振荡起来,直至全部能量都通过电路中的电阻
8、转换为热能,所引起的操作过电压的幅值可达额定电源电压的数倍。(c)不接地电网中的接地故障 如果不接地电网的外部线路发生接地故障,那么整个系统的对地电位将会因接地相的电压变化而改变。如果接地故障电弧熄灭,其影响类似于切除空载线路或电容器:产生了操作过电压并伴随着衰减震荡。d)除了上述特性的电网操作过电压以容性耦合的方式影响低电压系统之外,电流的快速变化也能通过感性耦合在低电压系统中产生电涌。这种电流的突然变化可能是投切重负荷引起的,也可能是短路、接地故障或重复接地故障引起的。1、现代防雷技术特点 现代防雷技术的理论基础在于:闪电是电流源,防雷的基本途径就是要提供一条雷电流(包括雷电电磁脉冲辐射)
9、对地泄放的合理的阻抗路径,而不能让其随机地选择放电通道,简言之就是要控制雷电能量的泄放与转换。德国专家希曼斯基在过电压保护理论与实践中提出了现代防雷保护的三道防线:外部保护:将绝大部分雷电流直接引入大地泄散;内部保护:阻塞沿电源线或数据线、信号线侵入的雷电波危害设备;过电压保护:限制被保护设备上的雷电过电压幅值。这三道防线相互配合,各尽其职,缺一不可。希曼斯基在过电压保护理论与实践中提出雷电的防护可分为以下两个方面:即直击雷的防护和感应雷的防护。(1)直击雷的防护 目前,防直击雷都采用避雷针、避雷带、避雷线和避雷网作为接闪器,然后通过良好的接地装置迅速而安全地把雷电流传导入大地。(2)感应雷的
10、防护 感应雷的防护是从整体和系统建立起三维的防护体系,在被保护设备构成的系统中可采取以下措施:1)电源防雷配电系统电源防雷应采用三级防护,避雷器采用的是B、C、D三级防雷的方式。第一级(B级)保护一般安装在建筑物输入电源总配电室内的进线配电柜上或楼内单元输入电源的主配电盘上,主要用于保护整幢建筑物用电设备或单位的主要用电设备。第二级(C级)保护主要安装在设备配电柜上。第三级(D级)保护主要安装在各个用电设备的电源端,用于保护最终的用电设备。2)信号系统防雷 与电源防雷一样,信号系统的防雷主要采用信号避雷器防雷。信号系统的防雷主要采用信号避雷器。数据网络用避雷器,如:RS232/485接口避雷器
11、、LAN网卡接口避雷器、通信网络设备主要为调制解调器、路由器和远程中断控制器等。通常根据通信线路的类型、通信频带以及线路电平等选择通信避雷器,将通信避雷器串联或并联在通信线路上。通信网络用避雷器,如:电话线对避雷器、专线Modem(如:DDN专线Modem)接口避雷器、EI接口避雷器(双绞线型、同轴电缆型和RJ45网线型、)等。3)等电位连接等电位连接是将正常不带电(或不传输信息)的、未接地或未良好接地的设备金属外壳、电缆的金属外皮、建筑物的金属构架、金属管线的桥架与接地系统进行电气连接,防止这些物件上感应雷电高电压或接地装置上雷电入地高电位的传递对设备内部绝缘、电缆芯线造成反击。等电位连接的
12、目的是减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差,防止雷电反击。4)金属屏蔽及重复接地在做好以上措施的基础上,还应采用有效屏蔽、重复接地等办法,避免架空导线直接进入建筑物内配电系统和信号系统,尽可能采用埋地电缆引入方式,并用金属导管屏蔽。屏蔽金属管在进入建筑物或机房前重复接地,最大限度地衰减从各种线缆上引入的雷电高电压。2、防雷分区 防雷区域划分依据IEC61312.1 雷电电磁脉冲防护,防雷保护应根据雷电电磁脉冲的严重程度进行分区保护。根据GB 50057-94建筑物防雷设计规范和IEC 61312.1等标准,从EMC(电磁兼容)的观点来看,一个欲保护的区域(建筑物)由外到内可分为以
13、下几级保护区:LPZA区 本区内的各物体都可能遭到雷击和传导全部雷电流;本区内的电磁场强度没有衰减。LPZB区 本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击,但本区内的电磁场强度没有衰减。LPZ l区 本区内的各物体不可能遭到雷击,流经各导体的电流比LPZB区的更小;本区内的电磁场强度可能衰减,这取决于屏蔽措施。LPZn+l(n=1,2,3)后续防雷区当需要进一步减小流入的电流和电磁场强度时,应增设后续防雷区,并按照需要保护的对象所要求的环境区选择后续防雷区的要求条件。3、多层分级(类)保护 多层分级(类)保护原则是指,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
14、(区),确定防护要点进行分类保护;根据雷电和雷电过电压危害的可能通道,从电源线到信号线或数据通信线路都应进行多层分级保护。(1)外部无源保护 外部无源保护(O级保护区:LPZA区或LPZB区防护)多采用外部防雷装置,主要由避雷针(网、线、带)、引下线和接地装置(接地线、地极)等构成。其保护原理是:当雷云放电接近地面时,它使地面电场发生畸变。在0级保护区内建筑物的所有外露金属构件(管道)都应与防雷网(带、线)进行可靠的电气连接。(2)内部防护 1)电源部分防护 对引入建筑物的电力线路和建筑物内的配电系统应进行过电压保护。按国家规范应分三部分进行:应在电力变压器低压侧输出端至建筑物总配电盘间的电缆
15、内芯线两端对地加避雷器,作为一级保护;应在建筑物总配电盘至各分配电箱间的电缆内芯线两端对地加装避雷器,作为二级保护;应在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端对地加装避雷器,作为三级保护。2)信号部分保护对于信息系统,应分为粗保护和精细保护两种。粗保护 粗保护的量级根据所属保护区的级别确定。如:电缆穿金属管、在桥架(槽)敷设、屏蔽电缆等。精细保护 精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。应在所有信息系统进入建筑物的电缆内芯线端对地加装避雷器,电缆中的空线应接地并做好屏蔽接地,其中应注意系统设备的在线电压、传输速率以及接口类型等,以确保系统正常工作。(3)接地处理 在防雷系统的设计和建设中,一
16、定要求有一个良好的接地系统,因所有防雷设施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。如果接地系统做得不好,不但会引起设备故障、烧坏元器件,严重时还将危及工作人员的生命安全。而电子设备为抗干扰采用的屏蔽技术、防静电技术和滤波技术等都要求建立一个良好的接地系统。一般整个建筑物的接地系统有:建筑物地网;电源地(要求地阻小于4);逻辑地(也称信号地或称工作地);防雷地等。防雷产品种类繁多,大致可分为以下三大类:接闪器 消雷器 防雷器(I)接闪器 为免遭直击雷破坏,建筑物一般都设有独立避雷针、构架避雷针或避雷线进行保护。其结构均分为接闪器、引下线和接地体三部分,其防雷机理相同。为了防止
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