雷电对设备的危害和预防措施
发布时间：2019-08-05 10:05:01来源：
雷电对设备的危害和预防措施
1 雷电的产生雷电是自然界中一种常见的放电现象?雷击是一种自然现象,它能释放出巨大的能量?具有极强大的破坏能力?几个世纪来,人类通过对雷击破坏性的研究?探索,对雷电的危害采取了一定的预防措施,有效地降低了雷害? 2 雷电危害的种类
雷击的危害主要有三方面:第一是直击雷?是指雷云对大地某点发生的强烈放电?它可以直接击中设备,雷电击中架空线,如电力线,电话线等?雷电流便沿着导线进入设备,从而造成损坏?第二是感应雷?它可以分为静电感应及电磁感应?当带电雷云(一般带负电)出现在导线上空时,由于静电感应作用,导线上束缚了大量的相反电荷?一旦雷云对某目标放电,雷云上的负电荷便瞬间消失,此时导线上的大量正电荷依然存在,并以雷电波的形式沿着导线经设备入地,引起设备损坏?当雷电流沿着导体流入大地时,由于频率高,强度大,在导体的附近便产生很强的交变电磁场,如果设备在这个场中,便会感应出很高的电压,以致损坏?对于灵敏的电子设备,尤需注意?第三是地电位提高?当10kA的雷电流通过下导体入地时,我们假设接地电阻为10Ω,根据欧姆定律,我们可知在入地点A处电压为100kV?因A点与B?C?D点相连,所以这几点电压都为100kV?而E点接地,其电压值为0,设备的D点与E点间有100kV的电压差,足以将设备损坏?据有关统计表明:直击雷的损坏仅占15%,感应雷与地电位提高的损坏占85%?目前,直击雷造成的灾害已明显减少,而随着城市经济的发展,感应雷和雷电波侵入造成的危害却大大增加?一般建筑物上的避雷针只能预防直击雷,而强大的电磁场产生的感应雷和脉冲电压却能潜入室内危及电视?电话及联网微机等弱电设备?
3 防雷的方法和技术
在科学技术日益发展的今天,虽然人类不可能完全控制暴烈的雷电,但是经过长期的摸索与实践,已积累起很多有关防雷的知识和经验,形成一系列对防雷行之有效的方法和技术? (1)接闪 接闪就是让在一定范围内出现的闪电能量按照人们设计的通道泄放到大地中去?把一定保护范围的闪电放电捕获到,纳入预先设计的对地泄放的合理途径之中?避雷针是一种主动式接闪装置,其功能就是把闪电电流引导入大地?避雷线和避雷带是在避雷针基础上发展起来的?采用避雷针是比较首要?比较基本的防雷措施? (2)接地 接地就是让已经纳入防雷系统的闪电能量泄放入大地,良好的接地才能有效地降低引下线上的电压,避免发生反击?过去有些规范要求电子设备单独接地,目的是防止电网中杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作?接地是防雷系统中比较基础的环节?接地不好,所有防雷措施的防雷效果都不能发挥出来?防雷接地是防雷设施安装验收规范中比较基本的安全要求? (3)均压连接 接闪装置在捕获雷电时,引下线立即升至高电位,会对防雷系统周围的尚处于地电位的导体产生旁侧闪络,并使其电位升高,进而对人员和设备构成危害?为了减少这种闪络危险,比较简单的办法是采用均压环,将处于地电位的导体等电位连接起来,一直到接地装置?金属设施?电气装置和电子设备,如果其与防雷系统的导体,特别是接闪装置的距离达不到规定的安全要求时,则应该用较粗的导线把它们与防雷系统进行等电位连接?这样在闪电电流通过时,所有设施立即形成一个“等电位岛”,保证导电部件之间不产生有害的电位差,不发生旁侧闪络放电?完善的等电位连接还可以防止闪电电流入地造成的地电位升高所产生的反击? (4)分流 分流就是在一切从室外来的导线与接地线之间并联一种适当的避雷器?当直接雷或感应雷在线路上产生的过电压波沿着这些导线进入室内或设备时,避雷器的电阻突然降到低值,近于短路状态,将闪电电流分流入地?分流是现代防雷技术中迅猛发展的重点,是防护各种电气电子设备的关键措施?由于雷电流在分流之后,仍会有少部分沿导线进入设备,这对于不耐高压的微电子设备来说仍是很危险的,所以对于这类设备在导线进入机壳前应进行多级分流?采用分流这一防雷措施时,应特别注意避雷器性能参数的选择,因为附加设施的安装或多或少地会影响系统的性能? (5)屏蔽 屏蔽就是用金属网?箔?壳?管等导体把需要保护的对象包围起来,阻隔闪电的脉冲电磁场从空间入侵的通道?屏蔽是防止雷电电磁脉冲辐射对电子设备影响的比较有效方法?
4 安装弱电设备的建筑物防雷措施
按照防护范围可将安装弱电设备的建筑物的防雷措施分为两类,外部防护和内部防护? (1) 外部防护 外部防护是指对安装弱电设备的建筑物本体的安全防护,可采用避雷针?分流?屏蔽网?均衡电位?接地等措施,这种防护措施人们比较重视?比较常见,相对来说比较完善?弱电设备的外部防护首先是使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引人大地;其次是在将雷电流引人大地的时候尽量将雷电流分流,避免造成过电压危害设备;第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉第笼,起到一定的屏蔽作用,如果建筑物中的设备是低压电子逻辑系统?遥控?小功率信号电路的电器,则需要加装专门的屏蔽网,在整个屋面组成不大于5m-5m,6m-4m的网格,所有均压环采用避雷带等电位连接;第四是建筑物各点的电位均衡,避免由于电位差危害设备;第五是保障建筑物有良好的接地,降低雷击建筑物时接点电位损坏设备? (2)内部保护 内部防护是指在建筑物内部弱电设备对过电压(雷电或电源系统内部过电压)的防护,其措施有:等电位联结?屏蔽?保护隔离?合理布线和设置过电压保护器等措施.从EMC(电磁兼容)的观点来看,防雷保护由外到内应划分为多级保护区?比较外层为0级,是直接雷击区域,危险性比较高,主要是由外部(建筑)防雷系统保护,越往里则危险程度越低?保护区的界面划分主要通过防雷系统?钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成,从0级保护区到比较内层保护区,必须实行分层多级保护,从而将过电压降到设备能承受的水平?一般而言,雷电流经传统避雷装置后约有50%是直接泄人大地,还有50%将平均流人各电气通道(如电源线,信号线和金属管道等)?
5 电脑通信网络弱电设备的防雷措施
随着电脑通信设备的大规模使用,雷电以及操作瞬间过电压造成的危害越来越严重?以往的防护体系已不能满足电脑通信网络安全的要求?应从单纯一维防护转为三维防护,包括:防直击雷,防感应雷电波侵入,防雷电电磁感应,防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑? 多级分级(类)保护原则:即根据电气?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保护要点作分类保护;根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护? (1)电源部分防护 弱电设备的电源雷电侵害主要是通过线路侵入?高压部分有专用高压避雷装置,电力传输线把对地的电压限制到小于6000V(1EEEEC62.41),而线对线则无法控制?所以,对380V低压线路应进行过电压保护,按国家规范应有三部分:建议在高压变压器后端到二次低压设备的总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器或保护器,作一级保护;在二次低压设备的总配电盘至二次低压设备的配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器保护器,作二级保护;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或保护器,作为三级保护? 目的是用分流(限幅)技术即采用高吸收能量的分流设备(避雷器)将雷电过电压(脉冲)能量分流泄人大地,达到保护目的,所以,分流(限幅)技术中采用防护器的品质?性能的好坏是直接关系网络保护的关键,因此,选择合格优良的避雷器或保护器至关重要? (2)信号部分保护 对于信息系统,应分为粗保护和精细保护?粗保护量级根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? (3)接地处理 一定要求有一个良好的接地系统,因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄人大地,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?另外还有防干扰的屏蔽问题,防静电的问题都需要通过建立良好的接地系统来解决?
6 施工机械的防雷措施
公路施工作业处在露天环境下进行?施工机械的电气控制系统特别是微电子控制装置受雷电直击或雷电感应过电压损害的几率很大?山区公路在雷雨季节是雷电袭击的高发区,雷电往往会对施工机械进行正面的袭击;而有时即使在天空中没有雨云又不下雨的情况下,感应雷也会时有发生,其产生的浪涌电压入侵并损坏路面摊铺机的微电控制装置? (1)在沥青混合料揽拌场安装避雷针装置 由于沥青混合料搅拌设备及其配套机械集中,比较容易进行集中防雷,在拌和场安装避雷针?避雷针的高度高于搅拌楼的比较高点,达到有效的保护半径,防止雷电对任何一台作业机械直击?避雷针接地要可靠,接地网的角钢桩点埋设土坑要求1.0m深左右,角钢在土坑内要露出20cm左右,在土坑内按比例填满木炭和颗粒生盐作为降阻介质,生盐与木炭的重量比例为1:10,即1kg生盐掺合10kg木炭,然后填土复盖?这样可以确保接地电阻值在4欧以下?此外,还对操作控制室进行屏蔽,将操作室内微电子控制系统的工作接地?保护接地与金属结构的控制室外壳用导体连接在一起,再通过接地引线引入地下接地网,使它们保持相等的地电位,预防静电及雷电? (2)对路面摊铺机械电气控制装置装设过电压保护器 由于路面摊铺机械是随时移动作业的,不可能集中避雷,而处在露天环境下的移动机械电气控制装置比较容易受感应雷浪涌电压的入侵,例如沥青沥青摊铺机控制路面平整度和控制机械定位的压力传感器等就深受其害?为了保护这些控制灵敏度极高的机械微电子控制装置免遭感应雷浪涌电压入侵损毁,根据每台机械控制装置的不同构造特点,对其装设过电压保护器?
7 控制系统及控制室防雷主要措施
控制室如果和生产设备在同一建筑物内,其防直击雷设施应根据生产设备的特点综合确定和设计?如果控制室是独立的建筑物,应按该标准规定的三类防雷建筑物的标准设防??将控制室的墙和层面内钢筋?金属门窗等进行等电位联接,并与防直击雷的接地装置相联,使控制室形成一个法拉第笼,可减少雷电磁脉冲的影响?控制室有许多电缆和外部相联,因此要对从室外进入控制室的各种电缆采取屏蔽措施,对容易被雷电波侵入的地方更应重视,只有堵死一切雷电导入的端口,才能有效保护热工控制系统设备免受雷电的侵害?控制系统及控制室防雷保护的三道防线为: ①外部保护:将绝大部分雷电流直接引入大地泄散; ③ 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; ③过电压保护:限制被保护设备上的雷电过电压幅值? (1)保护接地:控制系统均有一个保护地,该保护地一般在机柜和其它设备设计加工时已在内部接好,有的系统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,保护接地必须将一台设备上所有的外设或系统的保护接地连在一起,然后用较粗的绝缘铜导线将各站的保护接地连在一起,再从一点上与大地接地系统相连? (2)屏蔽地(模拟地):是所有接地中要求比较高的一种?几乎所有的控制系统都提出屏蔽地一点接地,且接地电阻小于1Ω?在控制系统机柜内部都安置了屏蔽地汇流排,用户在接线时将屏蔽线分别接到屏蔽地汇流排上,在机柜底部,用纸缘的铜辫连到一点,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上?大多数的控制系统不仅要求各机柜屏蔽地对地电阻小于1Ω,且各机柜间的电阻也要小于1Ω? (3)从防雷角度看 走线槽及穿线金属管应选择金属材质而不应选用环氧树脂等绝缘材料??要将控制系统的接地系统和防雷电系统的接地系统进行等地位联接,即使受到雷电反击,由于它们之间不存在电位差,所以不可能通过雷电反击构成对电子元件的威胁? (4)接地电阻值的要求 一种观点则认为雷击事故与接地电阻值有关,因此要求接地电阻值尽可能小?从“引雷入地”的观点出发,较小的接地电阻值显然有利于加速雷电能量的对地释放?再则,对控制系统而言,接地也不仅仅是为了防雷?因此不少行业标准对控制系统的接地电阻要求也不同,如电力部门对热工控制系统接地电阻的要求:采用独立接地时接地电阻小于4Ω;采用与电气网共地时接地电阻应小于1Ω;采用防雷地?电气地?热工控制系统地三者共地时应小于0.5Ω? (5)防雷浪涌保护 浪涌保护器(SPD)是一种限制瞬态过电压和分走浪涌电流的器件,可分为强电和弱电SPD?在正常情况下,SPD不对电路产生影响;当浪涌电流侵入时,SPD将所有连接部分与地线短路,使线路中的浪涌电流迅速释放入地,从而使线路所连接的设备不受浪涌的侵害;浪涌终止后,使SPD恢复正常?
8 结束语
雷电灾害对电气控制装置的侵害是一种常见的自然灾害,为避免雷电对其侵害,应根据机械电气控制设备的不同构造特点而采用不同的防雷方法?只要合理地选用防雷设备,应定期由专业防雷公司检测防雷设施,评估防雷设施是否符合国家规范要求,设立防范雷电灾害责任人,负责防雷安全工作,建立各项防雷安全工作,建立各项防雷设施的定期检测,雷雨后的检查和日常的维护?在防雷设施的设计和建设时,应根据地质?土壤?气象?环境?被保护物的特点,雷电活动规律等因素综合考虑,采用安全可靠?技术先进?经济合理的设计施工?就会大大降低雷电灾害带来的损失?