雷電對設備的危害和預防措施
發布時間：2019-08-05 10:05:01來源：
雷電對設備的危害和預防措施
1 雷電的產生雷電是自然界中一種常見的放電現象?雷擊是一種自然現象,它能釋放出巨大的能量?具有極強大的破壞能力?幾個世紀來,人類通過對雷擊破壞性的研究?探索,對雷電的危害采取了一定的預防措施,有效地降低了雷害? 2 雷電危害的種類
雷擊的危害主要有三方面:第一是直擊雷?是指雷云對大地某點發生的強烈放電?它可以直接擊中設備,雷電擊中架空線,如電力線,電話線等?雷電流便沿著導線進入設備,從而造成損壞?第二是感應雷?它可以分為靜電感應及電磁感應?當帶電雷云(一般帶負電)出現在導線上空時,由于靜電感應作用,導線上束縛了大量的相反電荷?一旦雷云對某目標放電,雷云上的負電荷便瞬間消失,此時導線上的大量正電荷依然存在,并以雷電波的形式沿著導線經設備入地,引起設備損壞?當雷電流沿著導體流入大地時,由于頻率高,強度大,在導體的附近便產生很強的交變電磁場,如果設備在這個場中,便會感應出很高的電壓,以致損壞?對于靈敏的電子設備,尤需注意?第三是地電位提高?當10kA的雷電流通過下導體入地時,我們假設接地電阻為10Ω,根據歐姆定律,我們可知在入地點A處電壓為100kV?因A點與B?C?D點相連,所以這幾點電壓都為100kV?而E點接地,其電壓值為0,設備的D點與E點間有100kV的電壓差,足以將設備損壞?據有關統計表明:直擊雷的損壞僅占15%,感應雷與地電位提高的損壞占85%?目前,直擊雷造成的災害已明顯減少,而隨著城市經濟的發展,感應雷和雷電波侵入造成的危害卻大大增加?一般建筑物上的避雷針只能預防直擊雷,而強大的電磁場產生的感應雷和脈沖電壓卻能潛入室內危及電視?電話及聯網微機等弱電設備?
3 防雷的方法和技術
在科學技術日益發展的今天,雖然人類不可能完全控制暴烈的雷電,但是經過長期的摸索與實踐,已積累起很多有關防雷的知識和經驗,形成一系列對防雷行之有效的方法和技術? (1)接閃 接閃就是讓在一定范圍內出現的閃電能量按照人們設計的通道泄放到大地中去?把一定保護范圍的閃電放電捕獲到,納入預先設計的對地泄放的合理途徑之中?避雷針是一種主動式接閃裝置,其功能就是把閃電電流引導入大地?避雷線和避雷帶是在避雷針基礎上發展起來的?采用避雷針是比較首要?比較基本的防雷措施? (2)接地 接地就是讓已經納入防雷系統的閃電能量泄放入大地,良好的接地才能有效地降低引下線上的電壓,避免發生反擊?過去有些規范要求電子設備單獨接地,目的是防止電網中雜散電流或暫態電流干擾設備的正常工作?接地是防雷系統中比較基礎的環節?接地不好,所有防雷措施的防雷效果都不能發揮出來?防雷接地是防雷設施安裝驗收規范中比較基本的安全要求? (3)均壓連接 接閃裝置在捕獲雷電時,引下線立即升至高電位,會對防雷系統周圍的尚處于地電位的導體產生旁側閃絡,并使其電位升高,進而對人員和設備構成危害?為了減少這種閃絡危險,比較簡單的辦法是采用均壓環,將處于地電位的導體等電位連接起來,一直到接地裝置?金屬設施?電氣裝置和電子設備,如果其與防雷系統的導體,特別是接閃裝置的距離達不到規定的安全要求時,則應該用較粗的導線把它們與防雷系統進行等電位連接?這樣在閃電電流通過時,所有設施立即形成一個“等電位島”,保證導電部件之間不產生有害的電位差,不發生旁側閃絡放電?完善的等電位連接還可以防止閃電電流入地造成的地電位升高所產生的反擊? (4)分流 分流就是在一切從室外來的導線與接地線之間并聯一種適當的避雷器?當直接雷或感應雷在線路上產生的過電壓波沿著這些導線進入室內或設備時,避雷器的電阻突然降到低值,近于短路狀態,將閃電電流分流入地?分流是現代防雷技術中迅猛發展的重點,是防護各種電氣電子設備的關鍵措施?由于雷電流在分流之后,仍會有少部分沿導線進入設備,這對于不耐高壓的微電子設備來說仍是很危險的,所以對于這類設備在導線進入機殼前應進行多級分流?采用分流這一防雷措施時,應特別注意避雷器性能參數的選擇,因為附加設施的安裝或多或少地會影響系統的性能? (5)屏蔽 屏蔽就是用金屬網?箔?殼?管等導體把需要保護的對象包圍起來,阻隔閃電的脈沖電磁場從空間入侵的通道?屏蔽是防止雷電電磁脈沖輻射對電子設備影響的比較有效方法?
4 安裝弱電設備的建筑物防雷措施
按照防護范圍可將安裝弱電設備的建筑物的防雷措施分為兩類,外部防護和內部防護? (1) 外部防護 外部防護是指對安裝弱電設備的建筑物本體的安全防護,可采用避雷針?分流?屏蔽網?均衡電位?接地等措施,這種防護措施人們比較重視?比較常見,相對來說比較完善?弱電設備的外部防護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人大地的時候盡量將雷電流分流,避免造成過電壓危害設備;第三是利用建筑物中的金屬部件以及鋼筋可以作為不規則的法拉第籠,起到一定的屏蔽作用,如果建筑物中的設備是低壓電子邏輯系統?遙控?小功率信號電路的電器,則需要加裝專門的屏蔽網,在整個屋面組成不大于5m-5m,6m-4m的網格,所有均壓環采用避雷帶等電位連接;第四是建筑物各點的電位均衡,避免由于電位差危害設備;第五是保障建筑物有良好的接地,降低雷擊建筑物時接點電位損壞設備? (2)內部保護 內部防護是指在建筑物內部弱電設備對過電壓(雷電或電源系統內部過電壓)的防護,其措施有:等電位聯結?屏蔽?保護隔離?合理布線和設置過電壓保護器等措施.從EMC(電磁兼容)的觀點來看,防雷保護由外到內應劃分為多級保護區?比較外層為0級,是直接雷擊區域,危險性比較高,主要是由外部(建筑)防雷系統保護,越往里則危險程度越低?保護區的界面劃分主要通過防雷系統?鋼筋混凝土及金屬管道等構成的屏蔽層而形成,從0級保護區到比較內層保護區,必須實行分層多級保護,從而將過電壓降到設備能承受的水平?一般而言,雷電流經傳統避雷裝置后約有50%是直接泄人大地,還有50%將平均流人各電氣通道(如電源線,信號線和金屬管道等)?
5 電腦通信網絡弱電設備的防雷措施
隨著電腦通信設備的大規模使用,雷電以及操作瞬間過電壓造成的危害越來越嚴重?以往的防護體系已不能滿足電腦通信網絡安全的要求?應從單純一維防護轉為三維防護,包括:防直擊雷,防感應雷電波侵入,防雷電電磁感應,防地電位反擊以及操作瞬間過電壓影響等多方面作系統綜合考慮? 多級分級(類)保護原則:即根據電氣?微電子設備的不同功能及不同受保護程序和所屬保護層確定保護要點作分類保護;根據雷電和操作瞬間過電壓危害的可能通道從電源線到數據通信線路都應做多級層保護? (1)電源部分防護 弱電設備的電源雷電侵害主要是通過線路侵入?高壓部分有專用高壓避雷裝置,電力傳輸線把對地的電壓限制到小于6000V(1EEEEC62.41),而線對線則無法控制?所以,對380V低壓線路應進行過電壓保護,按國家規范應有三部分:建議在高壓變壓器后端到二次低壓設備的總配電盤間的電纜內芯線兩端應對地加避雷器或保護器,作一級保護;在二次低壓設備的總配電盤至二次低壓設備的配電箱間電纜內芯線兩端應對地加裝避雷器保護器,作二級保護;在所有重要的?精密的設備以及UPS的前端應對地加裝避雷器或保護器,作為三級保護? 目的是用分流(限幅)技術即采用高吸收能量的分流設備(避雷器)將雷電過電壓(脈沖)能量分流泄人大地,達到保護目的,所以,分流(限幅)技術中采用防護器的品質?性能的好壞是直接關系網絡保護的關鍵,因此,選擇合格優良的避雷器或保護器至關重要? (2)信號部分保護 對于信息系統,應分為粗保護和精細保護?粗保護量級根據所屬保護區的級別確定,精細保護要根據電子設備的敏感度來進行確定? (3)接地處理 一定要求有一個良好的接地系統,因所有防雷系統都需要通過接地系統把雷電流泄人大地,從而保護設備和人身安全?如果機房接地系統做得不好,不但會引起設備故障,燒壞元器件,嚴重的還將危害工作人員的生命安全?另外還有防干擾的屏蔽問題,防靜電的問題都需要通過建立良好的接地系統來解決?
6 施工機械的防雷措施
公路施工作業處在露天環境下進行?施工機械的電氣控制系統特別是微電子控制裝置受雷電直擊或雷電感應過電壓損害的幾率很大?山區公路在雷雨季節是雷電襲擊的高發區,雷電往往會對施工機械進行正面的襲擊;而有時即使在天空中沒有雨云又不下雨的情況下,感應雷也會時有發生,其產生的浪涌電壓入侵并損壞路面攤鋪機的微電控制裝置? (1)在瀝青混合料攬拌場安裝避雷針裝置 由于瀝青混合料攪拌設備及其配套機械集中,比較容易進行集中防雷,在拌和場安裝避雷針?避雷針的高度高于攪拌樓的比較高點,達到有效的保護半徑,防止雷電對任何一臺作業機械直擊?避雷針接地要可靠,接地網的角鋼樁點埋設土坑要求1.0m深左右,角鋼在土坑內要露出20cm左右,在土坑內按比例填滿木炭和顆粒生鹽作為降阻介質,生鹽與木炭的重量比例為1:10,即1kg生鹽摻合10kg木炭,然后填土復蓋?這樣可以確保接地電阻值在4歐以下?此外,還對操作控制室進行屏蔽,將操作室內微電子控制系統的工作接地?保護接地與金屬結構的控制室外殼用導體連接在一起,再通過接地引線引入地下接地網,使它們保持相等的地電位,預防靜電及雷電? (2)對路面攤鋪機械電氣控制裝置裝設過電壓保護器 由于路面攤鋪機械是隨時移動作業的,不可能集中避雷,而處在露天環境下的移動機械電氣控制裝置比較容易受感應雷浪涌電壓的入侵,例如瀝青瀝青攤鋪機控制路面平整度和控制機械定位的壓力傳感器等就深受其害?為了保護這些控制靈敏度極高的機械微電子控制裝置免遭感應雷浪涌電壓入侵損毀,根據每臺機械控制裝置的不同構造特點,對其裝設過電壓保護器?
7 控制系統及控制室防雷主要措施
控制室如果和生產設備在同一建筑物內,其防直擊雷設施應根據生產設備的特點綜合確定和設計?如果控制室是獨立的建筑物,應按該標準規定的三類防雷建筑物的標準設防??將控制室的墻和層面內鋼筋?金屬門窗等進行等電位聯接,并與防直擊雷的接地裝置相聯,使控制室形成一個法拉第籠,可減少雷電磁脈沖的影響?控制室有許多電纜和外部相聯,因此要對從室外進入控制室的各種電纜采取屏蔽措施,對容易被雷電波侵入的地方更應重視,只有堵死一切雷電導入的端口,才能有效保護熱工控制系統設備免受雷電的侵害?控制系統及控制室防雷保護的三道防線為: ①外部保護:將絕大部分雷電流直接引入大地泄散; ③ 內部保護:阻塞沿電源線或數據線?信號線侵入的雷電波危害設備; ③過電壓保護:限制被保護設備上的雷電過電壓幅值? (1)保護接地:控制系統均有一個保護地,該保護地一般在機柜和其它設備設計加工時已在內部接好,有的系統已將該保護地在內部同電源進線的保護地(三芯插頭的中間頭)連在一起,有的不允許將保護地同該線相連,用戶一定要仔細閱讀廠家提供的接地安裝說明書?不管哪種方式,保護接地必須將一臺設備上所有的外設或系統的保護接地連在一起,然后用較粗的絕緣銅導線將各站的保護接地連在一起,再從一點上與大地接地系統相連? (2)屏蔽地(模擬地):是所有接地中要求比較高的一種?幾乎所有的控制系統都提出屏蔽地一點接地,且接地電阻小于1Ω?在控制系統機柜內部都安置了屏蔽地匯流排,用戶在接線時將屏蔽線分別接到屏蔽地匯流排上,在機柜底部,用紙緣的銅辮連到一點,然后將各機柜的匯流點再用絕緣的銅辮或銅條以輻射狀連到接地點上?大多數的控制系統不僅要求各機柜屏蔽地對地電阻小于1Ω,且各機柜間的電阻也要小于1Ω? (3)從防雷角度看 走線槽及穿線金屬管應選擇金屬材質而不應選用環氧樹脂等絕緣材料??要將控制系統的接地系統和防雷電系統的接地系統進行等地位聯接,即使受到雷電反擊,由于它們之間不存在電位差,所以不可能通過雷電反擊構成對電子元件的威脅? (4)接地電阻值的要求 一種觀點則認為雷擊事故與接地電阻值有關,因此要求接地電阻值盡可能小?從“引雷入地”的觀點出發,較小的接地電阻值顯然有利于加速雷電能量的對地釋放?再則,對控制系統而言,接地也不僅僅是為了防雷?因此不少行業標準對控制系統的接地電阻要求也不同,如電力部門對熱工控制系統接地電阻的要求:采用獨立接地時接地電阻小于4Ω;采用與電氣網共地時接地電阻應小于1Ω;采用防雷地?電氣地?熱工控制系統地三者共地時應小于0.5Ω? (5)防雷浪涌保護 浪涌保護器(SPD)是一種限制瞬態過電壓和分走浪涌電流的器件,可分為強電和弱電SPD?在正常情況下,SPD不對電路產生影響;當浪涌電流侵入時,SPD將所有連接部分與地線短路,使線路中的浪涌電流迅速釋放入地,從而使線路所連接的設備不受浪涌的侵害;浪涌終止后,使SPD恢復正常?
8 結束語
雷電災害對電氣控制裝置的侵害是一種常見的自然災害,為避免雷電對其侵害,應根據機械電氣控制設備的不同構造特點而采用不同的防雷方法?只要合理地選用防雷設備,應定期由專業防雷公司檢測防雷設施,評估防雷設施是否符合國家規范要求,設立防范雷電災害責任人,負責防雷安全工作,建立各項防雷安全工作,建立各項防雷設施的定期檢測,雷雨后的檢查和日常的維護?在防雷設施的設計和建設時,應根據地質?土壤?氣象?環境?被保護物的特點,雷電活動規律等因素綜合考慮,采用安全可靠?技術先進?經濟合理的設計施工?就會大大降低雷電災害帶來的損失?