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时间:2018-05-02
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1、雷电防护及等电位接地的探讨与应用摘要:目前,防雷接地工程五花八门,计算机及电子设备受雷击损坏逐年增多。本文依据IEC有关防雷标准(如IEC1312-1)和国家有关防雷标准(如GB50057-94),结合笔者多年来在防雷理论及防雷工程研究、实践经验,论述雷电防护等电位接地系统中迫切需要解决的有关问题。 关键词:等电位接地接地汇集环雷电先导阻抗变换 1、线路过电压、过电流损坏设备的原因分析及防护方法 1.1雷击避雷针、避雷带、电源线、信号线产生感应过电压(过电流)的现象是经常发生的。 1.2图1中的电子
2、设备A和B是两台互相传输数据的设备,假设电源线上传输进来5kA雷电电流波(10/350μS),按图2所示的等效电路,设备是否会被损坏? 图1独立接地系统的设备电位差图 1.2.1假设:电源避雷器P性能优良,其响应时间和导通后的残压不会损坏电子设备A,雷电流IP=5kA全部流经避雷器P进入接地点G1入地; 接地电阻R1=1Ω、R2=1Ω、R3=1Ω,且互为独立接地。 雷电流IP流过接地电阻R1时,接地点G1的地电位将抬升为UG1=Ip.R1=5kV. 1.2.2该电位UG1此时会加到电源的输入端a1
3、,而设备A的接地点G2为零电位,则电源输入端与入地点G2之间的电位差Va1G2=5kV. 电子设备开关电源能耐受的最高电压为800~1500V(10/350μS波),若5kV的电压波加到a1─G2两端,则设备A的电源端将被过电压损坏。 1.2.3为了避免设备A的电源端免受雷击损坏,应将接地点G1与G2相连接(如图2所示)。 图2用避雷器防雷的等电位接地图 1.2.4从1.2.3项看,G2电位变为5kV,此时,信号传输线另一端设备B的接地点G3为零电位,而信号接口a2与接地点G2之间的电位差VG2a2
4、变成了5kV,从而使信号接口a2损坏。 1.2.5要保护信号接口a2,应在信号接口a2和接地点G2之间安装残压小的信号避雷器PA,且接地点必须与G2相连。 1.2.6由1.2.4项可以看出,设备信号接口被雷击损坏,该雷电不一定是由信号传输线产生的感应过电压所致。 1.2.7由1.2.5项可以发现,虽然设备A的信号接口a2并未损坏,但5kV的电压已加到a2与G3端,那么信号接口b2会损坏吗?理论计算与实验结果表明:a2至b2的信号传输线,如果线径≤1mm,长度大于100m,则线阻加上导线的分布电感所形成
5、的电抗分压,使得加到b2与G3的电压Vb2G3小于100V,但如果传输线小于100m,则有可能使Vb2G3>100V而使设备B受到雷击损坏。 1.2.8为使设备B得完好保护,应同设备A一样按1.2.3和1.2.5项的要求去做。 假设雷电从信号线上产生,其分析方法,防护手段同1.2.1至1.2.8. 2、直击雷损坏设备的原因分析和防护方法 2.1图3是建筑物受直击雷后室内设备受损坏的示意图,图中A、B、C是处在不同楼层的电子设备;SA、SB、SC为各设备之间互相通信的信号线;S是与建筑物外的设备通信信
6、号线;G1、G2、G3为不同楼层建筑物内部钢筋引下线;L、LA、LB、LC为设备供电线路;RS为设备工作接地,RG为建筑物防雷接地,GA、GB、GC为设备工作接地在主杆线上的接地点;PL、PS分别为电源避雷器和信号避雷器。 图3建筑物内设备受雷击分析示意图 2.2假设雷电直接打在建筑物楼顶避雷带上,入地雷电流I=100kA,RG=1Ω、RS=1Ω。此时,G1、G2、G3所处的各楼层的电位都将抬升100kV,如果GA、GB、GC与防雷地不相连接,就会发生设备工作地线与建筑物楼板到处打火的现象(反击),因为
7、100kV的电位差可击穿的空气距离达300~500mm(由当时的空气绝缘程度而定)。 2.3如果RG与RS相距较远(如20m以上),设备工作接地线与楼板、墙壁绝缘较好,地电位的抬升不足以击穿设备工作地线。但雷击时,工作人员刚好与设备机壳相接触,人身体上的某一部位又与地板或墙壁相接触,雷电将会流过人体进入设备工作接地,人身安全必将受到伤害(作者本人亲眼看到此类事故的发生)。 2.4当2.2项和2.3项的事故发生后,高电位进入设备击穿设备的电源端或信号端口,雷电从电源线或信号线流出,构成了雷电流回路,使设备
8、受到损坏,造成雷电电流波的低电位引入现象。 2.4.1为了避免2.2项和2.3项事故的发生,RG与RS必须是同一个接地体,即设备工作地和防雷地必须联合接地;联合接地后,人身安全了。 2.4.2联合接地后,设备就安全了吗?不,雷击时,设备机壳通过工作地线流入接地体,由于地线的分布电感及线电阻产生的线电压降很大(分布电感产生的线电压将在下一节讨论),很难保证设备A与B与C之间的地电位是相等的,当电位差大于100V
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