- 新型浪涌保護器在樓宇控制系統中的應用
- 使用電涌保護器
- 采用公用接地系統
1 前言
為避免直接雷擊擊中建筑時出現危險和恐慌情況，對于學校、劇院或展覽館等公共建筑，國家有關建筑標準規定需安裝外部防雷保護系統或將防雷保護系統集成到樓宇智能控制系統之中。雖然有這種措施，但不可能全面保護大樓內敏感的電氣系統免遭損壞，因此，在設計和建造這種復雜系統的時候，必須考慮對直擊雷電流和感應雷電流的保護措施。
雷擊保護和電涌保護的目標是保護建筑物和個人，必須包含對敏感電氣系統的保護。現在，不僅要考慮雷擊對建筑物或供電線路的破壞，而且也要考慮電磁感應。雷擊放電包括安裝回路中能引起高壓和電流的電磁感應。為確保樓宇控制系統在這些條件下能安全運行，尤其是易受雷擊的總線設備，電涌保護器必須直接安裝在終端設備上。為此，本文對新型浪涌保護器技術特征與在建筑內樓宇控制系統中的應用作分析介紹。
2 新的浪涌基本理念
2.1 關于電磁兼容性
電磁兼容性的問題涉及到每一個電力電子設備最大可靠性保護方面的規定。在電子元器件或系統部件之間存在一定的關系，必須提前加以預防以避免干擾的產生。電磁兼容性是一個較新的規定，它始于確保電子設備（尤其是軍用及航空系統）的可靠工作和完美無缺。隨著電子學的發展和微處理器的普遍使用，電磁兼容性已開始嚴重影響我們。各國專家開始研究這方面的問題，并預測潛在的危害性以及如何克服其負面影響。電磁兼容性帶來的技術和經濟影響是無法用數字來衡量的,因為它是由各種原因導致而成。
如今歐盟設立No．89／3 36／EEC法規，其目的是對所有歐盟國家及簽署了會員協議的國家推行電磁兼容性條款。例如CSN3 32000—1標準的1 3．6．2段明確規定如下：“人、畜、財產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反映電力設備的可靠性和正常運轉情況，同時也需得到某些定性方面的參數。其最主要的目的就是創造一種條件，確保所連接在電力系統中的電子設備應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。但是在電網中有些設備可能被普通的一次開關動作產生的浪涌損壞，如高靈敏度的設備：計算機，EZS，NC控制器等。
⑵ 雷擊的威脅。雷擊會帶來巨大的損失和嚴重的后果，雷擊及周圍的電磁感應會損壞附近的系統和設備，經常性的雷擊及過流會降低輸電線路和系統的絕緣指標。
⑶ 浪涌的威脅與應對。浪涌對所有的電子設備和數據系統都有潛在的危害。它是隱伏的，不可見的，不可預測的，極端危險并且后果不可想象。實際浪涌的幅值一般較雷擊電流小，但前者可能會造成和后者同樣的損壞。通過提供高、中、低級浪涌保護產品，可以很好地滿足用戶的需求。為防雷擊而設計的模塊成本較低，可以方便地安裝在總配電箱、分配電箱中。為電源設計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。高品質的變阻器可將雷電導人接地系統。對低級保護也有一套適用的浪涌防護產品可以使用，如FUGO公司可提供多個系列的浪涌防護產品，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、開關操作、靜電放電，以及高電壓下的導體接觸或上面提及的電磁脈沖危害（NEMP）。靜電放電是在維護過程中人們意外接觸系統某個地方而導致的。
⑵ 電力設備的損壞。干擾信號和浪涌對電路的不利影響是每一個電力工程師都不能忽視的問題。在過去繼電器的短時間過載輸入可能是沒有危險的，但是在使用半導體電路的時代里，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產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；由于使用先進的生產機械，有必要增加生產過程的安全性；電子設備的應用中，要注意露天設備(如帶有智能傳感器的設備)的保護；核爆炸產生的電磁脈沖危害(NEMP)，這是核爆炸產生的不可避免的次要結果，它能損壞所有電子設備。
4 多種新型浪涌保護器選用與技術特征
4.1 電源浪涌保護器的選用
⑴ 1級電源浪涌保護器
在雷擊高發區，或架空線直接進戶的情況下，具有超大能量的直擊雷往往會對設備造成毀滅性損壞。值此以FUGO公司的浪涌保護器為典例作說明。
如今己有間隙型(即開關型)和壓敏型(即限壓型)浪涌保護器兩種方案，使用戶能自由地選擇最合適的直擊雷防護措施。它應用于建筑物入戶端，低壓配電系統的第一級保護。間隙型(10／350μs)，其型號為MES一50B／230與MES一50B／440；限壓型(8／20μs)，其型號為MES一160DST。其主要指標為：額定電壓（Un）220／385V；最大持續運行電壓（Uc）385／660V；標稱放電電流（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）；保護水平(Up)2kV（間隙型）與2.5kV（限壓型）；響應時間(Ta)<25ns；保護級別(IP)為20;外形尺寸142mmX76mmX35mm（間隙型）與90mmX72mmX66mm（限壓型）；工作溫度,-40℃--+85℃。
⑵ 2級與3級電源浪涌保護器
單片(單極)設計、用于防止電源系統因雷擊過壓或操作過電壓對設備造成損壞。適用于低配電系統的第二級保護。依據不同的配電系統(T T／T N／I T)的選擇多種組合方式。圖4所示為2級電源浪涌保護器原理圖。
適用于低壓供電系統的精細保護，依據不同的交直流電源電壓可選擇各種相應的規格。由于終端設備離前級浪涌保護器距離較大，從而使得該線路上容易產生振蕩過電壓或感應到其他過電壓，則低壓電源電源浪涌保護器適用于終端設備的精細電源浪涌保護，與前級浪涌保護器配合使用，則保護效果更好。
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4.3 網絡信號浪涌保護器的選用
BAx系列信號浪涌保護器是專為通過雙絞線進行信號傳輸的設備而設計，以保護其避免遭受感應過電壓和操作過電壓的損害。該浪涌保護器輸入、輸出采用RJ45公／母于接頭串聯保護。網絡信號浪涌保護器原理圖見圖5所示。
以產品型號BAX-RJ45／UTP(／24)與BAX—RJ45／UTP—K(／24)為例，其主要指標是：接口／保護腳為RJ45/STP8線(24口)；額定電壓Un為8V；最大持續運行電壓Uc為12V;標稱放電電流Isn(8／20μs) 為5kA;最大放電電流Imax(8／20u s) 為10kA;保護水平Up線-線／線-地：40V／150V與44V／90V；響應時間ta為1 ns；傳輸速率為155Mbit／s與1000Mbit／s；外殼防護級別為IP20；插入損耗DB為<0．2dB；工作溫度-40～+85℃。
4.4 通訊信號浪涌保護器選用
MET系列產品是專門用于雙絞線傳輸線路中的過電壓信號浪涌保護器，產品廣泛適用于通信系統和工業自動化控制回路系統(比如RS232、RS422、RS485等等)的過電壓保護。產品包括2線式(1對線)和4線式(2對線)各種系統。圖6為原理圖。
DET系列產品是為D型接口連接方式的信號傳輸設備而設計的，用于防止感應過電壓對設備造成的損壞，傳輸系統包括EIA／DS485、V．24／RS232、V．11／RS422等，保護方式采用全護方式，更適用于工業自動化和計算機通信的應用保護。
4.6 天饋信號浪涌保護器選用
高頻饋線浪涌保護器是專為保護微波、移動基站，以及衛星信號接收器和有線電視設備而設計的，以防止因饋線感應過電壓而對接收設備造成損壞。
以產品型號CET-DNT／CATV與CET-DSP為例，其主要指標是：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；標稱放電電流Isn(8／20us) 為5kA；最大放電電流Imax（8／20 us ) 為10kA；保護水平Up為≤600V；插入損耗DB為0.5dB；防護級別為IP20；工作溫度-40—十85℃。
5 新型浪涌保護器在建筑內樓宇控制系統的中的應用
值此，僅以新型多種浪涌保護器在金融電子設備防雷應用中的設計為例作分析說明。
如今電子設備被廣泛應用于金融網絡的運行系統中。其系統電子設備雷電過電壓及電磁干擾防護是保護通信線路、設備及人身安全的重要技術手段，也是確保通信線路、設備運行必不可缺少的技術環節，是銀行系統金融電子化建設及運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計和運行解決方案，從而達到使金融網絡系統安全運行的效果。
設計依據 VDE675《過電壓保護器》、GA73—1998《計算機信息系統防雷保安器》及IEC1312《雷電電磁脈沖的防護》等。
所采用的過電壓保護產品可選FUGO公司制造的電源及通信信號的過電壓保護器(SPD)。
5.2 防雷設計方案的基本架構
電涌保護器（SPD）是用以防護電子設備遭受雷電閃擊及其它干擾造成的傳導電涌過電壓的有效手段。
系統的瞬態過電壓保護設計,系統過電壓保護必須運用電磁兼容原理將銀行系統局部的防護歸結到銀行系統的整體雷電過電壓保護；電子設備所處的建筑物作為一個欲保護的空間區域，從電磁兼容的角度出發，可由外到內分為幾個雷電保護區，以規定各部分空間不同的雷電磁脈沖的嚴重程度；依據雷電保護區的劃分要求，銀行建筑物外部是直接雷的區域，在這個區域內的設備最容易遭受損害，危險性最高，是暴露區，為0區；建筑物內部及計算機房所處的位置為非暴露區，可將其分為1區、2區，越往內部，危險程度越低，雷電過電壓對內部電子設備的損害主要是沿線路引入。保護區的界面通過外部的防雷系統、建筑物的鋼筋混凝土及金屬外殼等構成的屏蔽層而形成。電氣通道以及金屬管則通過這些界面，穿過各級雷電保護區的金屬構件必須在每一穿過點做等電位連接。
進入銀行大樓的電源線和通訊線應在建筑物內部及計算機房所處的位置為各安全區交界處，以及終端設備的前端。根據IECl3 12(雷電電磁脈沖防護標準)安裝不同類別的電源類SPD，以及通訊網絡類SPD。
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5.3 選用和使用SPD注意事項
⑴ 應在不同使用范圍內選用不 同性能的SPD。在選用電源SPD時要考慮供電系統的形式、額定電壓等因素，LPZ 0與LPZ 1區交界處的SPD必須是經過10／350us波形沖擊試驗達標的產品。對于信號SPD在選型時應考慮SPD與電子設備的相容性，SPD保護必須是多級的。例如對銀行電子設備電源部分雷電保護而言，至少應采取泄流型SPD與限壓型SPD前后兩級進行保護。為各級SPD之間做到有效配合，當兩級SPD之間電源線或通訊線距離未達規定要求時，應在兩級SPD間采用適當退耦措施。建在城市、郊區、山區不同環境下銀行營業網點，設計選用過壓型SPD時，必須考慮網點供電電源不穩定因素，選用合適工作電壓的SPD。
⑵ 信號SPD應滿足信號傳輸帶率、工作電平、網絡類型的需要，同時接口應與被保護設備兼容。信號SPD由于串接在線路中，在選用時應選取損耗較小的SPD。
⑶ 為了保護網關，避免系統故障，應該使用電涌保護器。電涌保護器可安全地保護接口，防止電涌產生(由間接雷電流引起)，而且需安裝在最接近被保護設備的地方。如為了保護ISDNS，總線、保護設備直接裝在接近電子設備的DIN軌處，連接線直接在網關和NTBA連接，最后與等電位帶聯結(EB)。
⑷ 供電系統的電涌保護
金融網絡系統的供電系統通常位于配電板中間并且由低壓電氣裝置提供電流。2級電涌保護器，應安裝在配電板的供電區域。在這種裝置內，這些位于230／400V電源的SPD為供電提拱了電涌保護。如果配電盤中的供電區域沒有SPD，或僅僅是電源被保護，2級SPD必須直接安裝在電源上端。
5.4金融網絡設備的外部與內部防護措施
⑴ 網絡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入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作為不規則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作用；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地點電位升高而損壞設備。
⑵ 金融網絡設備的內部防護，除了電源部分防護外應建立良好的接地系統,所有防雷系統都需要通過接地系統把雷電流泄人大地。所以，良好的接地系統是設備和人身安全的保障，也是限制地電位升高的手段。另外系統防干擾的屏蔽問題、防靜電感應等都需要通過建立良好的接地系統來解決。網絡系統設備接地電阻除另有規定外一般不宜大于4Ω，當采用公用接地系統時阻值不應大于1Ω。選擇合適的<<S型等電位聯結并接地>>聯結方式，如圖7所示。
這種接法中，PE線不僅保護接地，還是設備的信號接地線。因網絡設備的工作頻率高于工頻，所以PE線具有較大阻抗，使得設備間信號線的噪聲較高。此方法簡單易行，常用于設備本身抗干擾能力較強而工作頻率較低的場合。
6 結束語
設計和安裝任何類型的信號系統時，設計師和建筑師不可避免地要為系統正常運行采取適當的措施，為了使大樓更舒適、安全，設備的高可靠性是一個前提條件。因此，必須安裝電涌保護設備以避免雷擊。在籌劃階段與專業安裝時，從技術上和經濟上考慮，這些設備能夠以節約的方式保護建筑裝置。
