隔離式防雷技術(shù)研究與應(yīng)用

在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時代，隨著云計算、人工智能等電子技術(shù)的普及，大規(guī)模集成電路和精密電子器件得到了前所未有的廣泛應(yīng)用，同時也使得城市鄉(xiāng)村中通信信息設(shè)施的抗電磁脈沖干擾能力更趨脆弱。通信信息設(shè)施作為現(xiàn)代化電子技術(shù)的基礎(chǔ)，其安全性和穩(wěn)定性面臨新的挑戰(zhàn)，尤其是以雷電為主的強電磁脈沖對電氣和信息系統(tǒng)的損毀成為目前亟待解決的技術(shù)難題。傳統(tǒng)的防雷措施雖然可以降低雷電對電氣和信息系統(tǒng)的影響，但在實際工程中，由于雷電的不確定性和地質(zhì)、場地、費用等客觀條件限制，導(dǎo)致建筑物特別是通信信息設(shè)施存在設(shè)計、施工、現(xiàn)場測試困難等情況；一些建筑物接地網(wǎng)由于地質(zhì)條件限制,往往達不到規(guī)范所規(guī)定的接地電阻值，或為了達到規(guī)范規(guī)定的接地電阻值而采取大量使用鋼材和降阻劑等措施，造成施工、維護成本過高。針對上述工程實際存在的問題，本文探討一種新的隔離式防雷技術(shù)，主要研究思路為通過阻斷單元，增加雷電傳播通道阻抗、降低被保護設(shè)備的殘流，在不依賴接地網(wǎng)接地電阻值的條件下，有效減少雷電侵入被保護設(shè)備的雷電能量，從而實現(xiàn)對電氣和信息系統(tǒng)的保護。筆者作為湖南省地方標準《建筑物及信息系統(tǒng)智慧隔離防雷技術(shù)規(guī)程》主編，結(jié)合標準編制情況，對該技術(shù)的研究作詳細闡述。1傳統(tǒng)防雷接地技術(shù)存在局限傳統(tǒng)防雷接地技術(shù)主要采用以避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)、避雷線和接地裝置方式實現(xiàn)的直擊雷防護技術(shù)，其工作原理是通過尖端放電，在雷云構(gòu)成的大氣電場環(huán)境下實現(xiàn)接閃將雷電能量導(dǎo)入大地，并將雷電能量以電壓電流、電磁波方式引向自身，從而保護其周圍的設(shè)備。圖1為典型的信息機房感應(yīng)雷電流傳播模型。感應(yīng)雷電流通過電源端口、信號(如金屬電話線、網(wǎng)絡(luò)線、天饋線)端口、接地線端口進入被保護設(shè)備，并通過這些端口形成雷電流的傳播通道。而雷電流入地會導(dǎo)致接地網(wǎng)地電壓抬升，雷電能量經(jīng)接地線入侵至信息系統(tǒng)，形成地電位反擊。圖1典型信息機房感應(yīng)雷電流傳播模型圖2為400V/230V交流電源供電端口的感應(yīng)雷電流防護技術(shù)模型圖。該技術(shù)模型是通過設(shè)置多級SPD實現(xiàn)泄流和級間退耦，最終將殘壓降低到被保護設(shè)備的耐受電壓。該技術(shù)要求各級SPD級間保護不小于5m的退耦距離或增設(shè)退耦器件，同時要求SPD接入電源電路、接地線的總長度不超過2m，這在實際工程中很難實現(xiàn)。圖2泄流式感應(yīng)雷電流防護模型如圖3所示，符合IEC標準的接地模型中，來自接閃器的雷電能量中50%的能量通過接地裝置入地，50%的能量通過接地線進入電源線路、信息金屬管線系統(tǒng)。將接地電阻做小是改變雷電流分配比例的主要措施，但在實際工程中，許多機房、通信基站受地質(zhì)條件限制，小接地電阻難以實現(xiàn)。圖3IEC標準接地模型2隔離式防雷技術(shù)的研究思路阻斷雷電能量傳播是隔離式防雷技術(shù)研究的主要思路，即將單一的鉗壓方法，提高到“鉗壓+分流”混合方式；也就是說將過去單一的強調(diào)電壓幅度(殘壓)指標提高到強調(diào)能量指標，即電壓幅度(殘壓)指標+電流(殘流)指標。通過建立新的雷電防護和模型解決了傳統(tǒng)防雷方式需要在現(xiàn)場實現(xiàn)小接地電阻的工程難題。提高“分組隔離接地裝置”的性能指標可以相應(yīng)降低對接地網(wǎng)接地電阻值的要求，從而將現(xiàn)場制造“小電阻的接地網(wǎng)”轉(zhuǎn)變成為工廠制造“分組隔離接地裝置”的電子產(chǎn)品，使得雷電防護設(shè)備實現(xiàn)產(chǎn)品化、移動化和智慧化。圖4為典型的隔離式雷電防護模型，與圖1典型的信息機房感應(yīng)雷電流傳播模型相比較，主要是在電源、信號、接地等端口增加了隔離單元。圖4典型隔離式雷電防護模型隔離式防雷技術(shù)提出殘流概念，為減少雷電通過電源端口、信號端口侵入，該技術(shù)模型通過阻斷單元增加雷電傳播通道的阻抗，從而大幅度降低進入被保護裝置的殘流；同時，在多級雷電防護演變成為電子產(chǎn)品的條件下，將退耦距離從大于15m減少成為電子設(shè)備寬度,也大幅降低了殘壓水平。這是一種不依賴接地裝置小接地電阻值的方法，在接地端口通過增加隔離單元放寬了對接地電阻的要求。傳統(tǒng)防雷技術(shù)采用聯(lián)合接地方式，其接地電阻要求小于1Ω；而采用隔離式防雷系統(tǒng)，其接地電阻可達到100Ω，這對地質(zhì)條件差的環(huán)境，如建在巖石山區(qū)的電信基站防雷接地系統(tǒng)工程提供了一種有效的解決方法。此外，接地端口增加接地隔離單元，有效解決了雷電入地導(dǎo)致接地網(wǎng)地電壓抬升的問題，消除了地電位反擊現(xiàn)象。

3標準對隔離式防雷系統(tǒng)相關(guān)規(guī)定《建筑物及信息系統(tǒng)智慧隔離防雷技術(shù)規(guī)程》對于建筑物是否需設(shè)置隔離式防雷系統(tǒng)給出了相關(guān)規(guī)定，同時對該系統(tǒng)的組成及防雷裝置的設(shè)計提出了明確要求。3.1雷電防護等級分級及防雷措施根據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343要求，建筑物雷電防護等級應(yīng)分為A、B、C、D級,具體見表1規(guī)定。根據(jù)表1規(guī)定，各類建筑物雷電防護措施需滿足以下規(guī)定。（1）雷電防護等級為A、B、C級時，宜采用隔離式防雷系統(tǒng)保護。當(dāng)接地網(wǎng)難以滿足規(guī)定接地電阻值時，應(yīng)采用隔離式防雷系統(tǒng)保護。（2）隔離式雷電保護裝置的負荷能力應(yīng)同被保護系統(tǒng)線路、配電設(shè)備的負荷能力一致,宜采用模塊化組件結(jié)構(gòu)。（3）隔離式雷電保護裝置應(yīng)具有運行數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場告警、通信傳輸功能,可實現(xiàn)遠程訪問和管理功能。3.2隔離式防雷系統(tǒng)組成及設(shè)計要求（1）隔離式防雷系統(tǒng)應(yīng)由“雷電通道隔離系統(tǒng)”和“隔離分組接地系統(tǒng)”組成，如圖5所示。圖5隔離式防雷系統(tǒng)示意圖注：1：被保護設(shè)備；2：保護接地線；3：工作接地線；4：隔離式分組接地裝置；5：接地裝置；6：防雷接地線；7：隔離式電源防雷裝置(隔離式信號防雷裝置)（2）電源(信號)引入線應(yīng)分別串接隔離式電源防雷裝置(隔離式信號防雷裝置)，其泄放單元接入接地裝置，如圖6所示。圖6隔離式電源(信號)防雷裝置示意圖注：1：被保護設(shè)備；2：保護接地線；3：工作接地線；4：接地裝置；5：防雷接地線：6：隔離式電源防雷裝置(隔離式信號防雷裝置)（3）防雷接地線直接接入接地裝置，工作接地線、保護接地線應(yīng)分別串接隔離式分組接地裝置再接入接地裝置，如圖7所示。圖7隔離式分組接地裝置示意圖注：1：被保護設(shè)備；2：保護接地線；3：工作接地線；4：隔離式分組接地裝置；5：接地裝置；6：防雷接地線；7：泄放單元（4）變壓器的高壓側(cè)和低壓側(cè)應(yīng)分別采用一端口并聯(lián)型泄放單元接入接地裝置，變壓器中性線應(yīng)串接接地隔離抑制器接入接地裝置。變壓器隔離式防護裝置如圖8所示。圖8變壓器隔離式防護裝置示意圖注：1：變壓器；2：變壓器低壓側(cè)；3：泄放單元(低壓端)；4：變壓器接地裝置；5：接地隔離抑制器(ISDE)；6：保護接地；7：泄放單元(高壓端)；8：變壓器高壓側(cè)（5）隔離式防雷保護裝置的設(shè)計應(yīng)滿足以下規(guī)定。1）隔離式防雷保護裝置的技術(shù)參數(shù)應(yīng)有工作電壓、通流容量、電壓保護水平、雷電抑制比、反擊分流比等，且應(yīng)滿足GB50057、GB50343、GB50689要求。2）隔離式防雷保護裝置的額定負荷容量應(yīng)滿足被保護系統(tǒng)終期最大負荷容量。3）隔離式防雷保護裝置嵌入安裝在配電裝置中時，其額定容量(額定電壓、額定電流)、電壓降、插入衰耗應(yīng)同配電裝置一致。選用的電源線應(yīng)同配電裝置的容量相一致。4）隔離式防雷保護裝置應(yīng)根據(jù)設(shè)備安裝場景選擇室外(室內(nèi))安裝、嵌入(獨立)安裝、落地(壁掛)安裝等形式。5）隔離式雷電保護裝置應(yīng)根據(jù)被保護設(shè)備的位置(LPZOA或LPZOB與LPZ1區(qū)交界處交界區(qū))分別安裝在變壓器低壓端、總配電室進線端、分配電室(箱柜)前端、獨立用電設(shè)備電源輸入端及信號線入室處(雷電防護區(qū)界面)。4結(jié)束語隔離式防雷接地技術(shù)作為一種新型防雷系統(tǒng)，其防護設(shè)備實現(xiàn)了產(chǎn)品化、小型化、移