雷電防護(hù)工程的特殊問(wèn)題分析

許青青

(山西中創(chuàng)建筑設(shè)計(jì)有限公司，山西太原 030027)

0 引言

完善的屏蔽方法能對(duì)電場(chǎng)感應(yīng)和磁場(chǎng)感應(yīng)同時(shí)起到屏蔽作用。采用電磁場(chǎng)完善屏蔽措施或特殊結(jié)構(gòu)的線纜實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)完善屏蔽，防止雷電感應(yīng)(LEMP)損壞設(shè)備。完善的屏蔽方法應(yīng)按BG 50343-2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范5.4.6之4［1］的規(guī)定，對(duì)信號(hào)傳輸線進(jìn)行屏蔽線纜的屏蔽層和金屬屏蔽管兩端連通后，兩端同時(shí)接地是電磁場(chǎng)完善屏蔽結(jié)構(gòu)。電磁場(chǎng)完善屏蔽結(jié)構(gòu)的規(guī)定，沒有得到網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計(jì)、施工和雷電防護(hù)設(shè)計(jì)、施工單位的理解和足夠的重視。

不允許接地的信號(hào)傳輸線路不能直接安裝信號(hào)SPD，以防止雷電感應(yīng)(LEMP)損壞設(shè)備。而應(yīng)在傳輸線纜上安裝專用保護(hù)器件(摩薩卡)使信號(hào)SPD起到保護(hù)作用，使通信設(shè)備不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)SPD泄放雷電流時(shí)對(duì)地短路，防止設(shè)備主板或接口也遭到短路電流的燒毀。否則，安裝在不接地信號(hào)傳輸線路的SPD，在雷擊瞬間初始階段雷擊電壓達(dá)到峰值之前，由于SPD內(nèi)的瞬態(tài)二極管導(dǎo)通近似短路，設(shè)備的接口板或主板已經(jīng)損壞。換言之，通常信號(hào)傳輸線路設(shè)備的接口板或主板的耐沖擊水平為1.5 kV，而不接地信號(hào)傳輸線路安裝工作電壓24 V的信號(hào)SPD之后，設(shè)備對(duì)大于36 V的電壓(瞬態(tài)二極管的啟動(dòng)電壓)都無(wú)法承受，設(shè)備耐沖擊水平降低為36 V。而瞬態(tài)二極管的啟動(dòng)電壓不同，影響也就不相同，這是通常不被理解和重視的特殊問(wèn)題。

1 電磁場(chǎng)的存在

1.1 電場(chǎng)、磁場(chǎng)同時(shí)存在

根據(jù)電磁感應(yīng)定律應(yīng)用到電與磁的普遍聯(lián)系方面，得到變動(dòng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng);根據(jù)安培環(huán)路定律應(yīng)用推廣到時(shí)變情況，在引入位移電流后，得到電與磁普遍聯(lián)系的另一方面，即變動(dòng)的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這兩者關(guān)系數(shù)學(xué)表達(dá)式為麥克斯韋方程:

其中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m;H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m;B為磁場(chǎng)密度，Wb/m2;D為電位移，C/m2;L為閉合路徑長(zhǎng)度，m;S為閉合路徑內(nèi)面積，m2;Iv為穿過(guò)面積S的運(yùn)流電流，A;Ic為傳導(dǎo)電流，A。

式(1)中的第一和第二方程分別稱為麥克斯韋第一方程和麥克斯韋第二方程。

1.2 電磁感應(yīng)現(xiàn)象

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是由法拉第發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)穿過(guò)導(dǎo)體回路所界定的面積中的磁通發(fā)生變化時(shí)，在閉合回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感應(yīng)電流。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感應(yīng)電流總是企圖阻止閉合回路中磁通的變化，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及感應(yīng)電流的方向總是與時(shí)變場(chǎng)的方向相反，這是閉合回路起到磁屏蔽作用的基本原理。

1.3 屏蔽的分類

1)電場(chǎng)屏蔽:靜電場(chǎng)屏蔽及低頻交變電場(chǎng)屏蔽。2)磁場(chǎng)屏蔽:直流磁場(chǎng)屏蔽和低頻交流磁場(chǎng)屏蔽。3)電磁場(chǎng)屏蔽:同時(shí)存在電場(chǎng)及磁場(chǎng)的高頻輻射電磁場(chǎng)的屏蔽。

為了實(shí)現(xiàn)不同要求的屏蔽作用，屏蔽體可以是屏蔽室或屏蔽箱(盒)等。非完整的屏蔽體可以是金屬網(wǎng)或編制結(jié)構(gòu)的屏蔽層，如屏蔽網(wǎng)、法拉第籠等。

1.4 電磁場(chǎng)完善屏蔽措施

據(jù)BG 50343-2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范5.4.6之4［1］的規(guī)定，對(duì)信號(hào)傳輸線進(jìn)行屏蔽線纜的屏蔽層和金屬屏蔽管兩端連通后，兩端同時(shí)接地是電磁場(chǎng)完善屏蔽結(jié)構(gòu)，利用反向磁通抵消的原理實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)完善屏蔽。利用磁場(chǎng)作用在閉合環(huán)路產(chǎn)生反向磁通抵消作用磁場(chǎng)的方法實(shí)現(xiàn)完善電磁場(chǎng)屏蔽。

雷電閃擊瞬間，在磁場(chǎng)作用下，線纜屏蔽層和金屬屏蔽管兩端連通同時(shí)接地構(gòu)成的屏蔽結(jié)構(gòu)，在信號(hào)傳輸線的外側(cè)形成無(wú)數(shù)個(gè)閉合回路中，瞬間變化電場(chǎng)產(chǎn)生的感生磁通方向與閃擊瞬間產(chǎn)生的磁通方向相反，抵消了雷電閃擊瞬間產(chǎn)生的磁通，起到屏蔽磁的作用。同時(shí)，金屬屏蔽管接地也能屏蔽電場(chǎng)。所以，線纜屏蔽層和金屬屏蔽管兩端連通后兩端同時(shí)接地是電磁場(chǎng)完善屏蔽結(jié)構(gòu)。

1.5 不接地信號(hào)傳輸線路屏蔽的新方法

不允許接地信號(hào)傳輸線路屏蔽的新方法是利用損耗型線纜來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的電磁場(chǎng)屏蔽作用。損耗型線纜實(shí)質(zhì)上是一種介質(zhì)傳輸線。損耗型線纜結(jié)構(gòu)由絕緣外層、金屬護(hù)套、絕緣層、外層鐵氧體材料、螺旋形導(dǎo)線、內(nèi)層鐵氧體材料和芯線組成。在這種傳輸線中采用的介質(zhì)一般為鐵氧體材料，當(dāng)LEMP產(chǎn)生的瞬變的電磁場(chǎng)作用在損耗型線纜時(shí)，將會(huì)在其周圍的鐵氧體中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，使雷電產(chǎn)生的瞬變的電磁場(chǎng)能量消耗在鐵氧體介質(zhì)中，此種損耗隨瞬變電磁場(chǎng)的變化率增大而增大。由于大部分能量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)中的熱能形式消耗掉，能有效抑制LEMP產(chǎn)生的瞬變的電磁場(chǎng)侵入，可達(dá)到保護(hù)設(shè)備的作用。

損耗型線纜是一種常見的線纜，鐵氧體材料被加工成柔性介質(zhì)材料，填充在線纜中間而制成。由于損耗型線纜具有較為理想的暫態(tài)衰減特性，所以，只需要較短的一段損耗型線纜就可以獲得預(yù)期的屏蔽效果。

2 不允許接地的信號(hào)傳輸線路不能直接安裝信號(hào)SPD的特殊問(wèn)題

1)信號(hào)傳輸線不接地的設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。信號(hào)傳輸線不接地的設(shè)備在各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。水泥廠、水泥攪拌廠、冶煉廠等單位凡是自動(dòng)填料、自動(dòng)裝袋、溫度監(jiān)控系統(tǒng)的智能傳感器至監(jiān)控室的傳輸線路均為不接地的信號(hào)傳輸線路。2)信號(hào)傳輸線不接地的設(shè)備不能直接安裝信號(hào)SPD。都江堰河道管理處的監(jiān)控設(shè)備的信號(hào)傳輸線是不接地的。有的防雷施工單位按普通方法安裝了信號(hào)SPD，但遇到打雷設(shè)備都要損壞。因而用戶質(zhì)疑防雷器的作用，目前，某防雷公司正從電磁場(chǎng)完善屏蔽和在不允許接地的信號(hào)線路上采取安全措施等方面著手進(jìn)行修改。

3 不接地的信號(hào)傳輸線路不能直接安裝信號(hào)SPD的原因分析

3.1 短路電流損壞設(shè)備定性分析

眾所周知，不接地信號(hào)傳輸線路是不能對(duì)地短路的。不接地信號(hào)傳輸線路監(jiān)控系統(tǒng)正常工作電流為mA級(jí)，以網(wǎng)絡(luò)集線器為例，工作電壓為5 V，工作電流為150 mA。在不接地信號(hào)傳輸線上安裝信號(hào)SPD后，當(dāng)沒有雷擊時(shí)，不接地信號(hào)傳輸線路對(duì)地是開路，即沒有電流，設(shè)備正常工作。如果出現(xiàn)短路現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)集線器工作電壓5 V，對(duì)地電阻趨近短路，短路電流趨近無(wú)窮大，監(jiān)控系統(tǒng)的智能傳感器或接口板、監(jiān)控系統(tǒng)主板則會(huì)被短路電流燒毀。

3.2 雷閃初始階段短路電流損壞設(shè)備定量分析

不接地線路安裝信號(hào)SPD后，監(jiān)控室的設(shè)備里的組件多次被雷擊壞，分析其主要原因是智能傳感器到監(jiān)控室的設(shè)備的線路均不接地。當(dāng)安裝信號(hào)SPD后，泄放雷擊電流的元件是瞬態(tài)二極管，導(dǎo)通后本身的電阻很小(近似短路)，啟動(dòng)電壓也很低。如果信號(hào)SPD的工作電壓為24 V，瞬態(tài)二極管的啟動(dòng)電壓就只有36 V。雷擊瞬間電壓尚未達(dá)到峰值，超過(guò)36 V瞬態(tài)二極管就導(dǎo)通，接口組件工作電壓為15 V相當(dāng)短路。假如瞬態(tài)二極管導(dǎo)通后本身電阻取1 Ω(實(shí)際小于1 Ω)，則瞬間電流大于15 A。工作在電流為150 mA級(jí)的網(wǎng)絡(luò)集線器流過(guò)大于工作電流100倍電流，就被燒壞了。也就是說(shuō)，瞬間雷擊電壓達(dá)到最大值之前，網(wǎng)絡(luò)集線器或接口組件已被短路電流燒壞了。

綜上所述，設(shè)備損壞的根本原因是被本身工作電壓在雷閃初期信號(hào)SPD短路所致，而不是雷擊電壓超過(guò)設(shè)備耐受沖擊能力結(jié)果。

3.3 解決辦法

1)必須對(duì)不接地信號(hào)傳輸線路采取如上述(1.4節(jié))對(duì)電磁場(chǎng)完善屏蔽措施，才能達(dá)到防LEMP雷電感應(yīng)的目的。經(jīng)多方調(diào)查了解，BG 50343-2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范5.4.6第4節(jié)中關(guān)于電磁場(chǎng)完善屏蔽的規(guī)定，并沒有得到防雷工程設(shè)計(jì)者們的深刻理解和高度重視。有的人甚至認(rèn)為只要將信號(hào)傳輸線穿金屬管就能起到屏蔽電磁場(chǎng)的作用，這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。2)利用上述(1.5節(jié))損耗型線纜來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的電磁場(chǎng)屏蔽。3)安裝具有保護(hù)功能的安全卡(摩薩卡)。

當(dāng)不接地信號(hào)傳輸線路安裝有安全卡進(jìn)行保護(hù)時(shí)，則可以安裝信號(hào)SPD。安全卡的作用是在信號(hào)SPD遭受雷擊瞬間使線路呈開路狀態(tài)，對(duì)不接地信號(hào)傳輸線路實(shí)現(xiàn)負(fù)載瞬間短路實(shí)施保護(hù)，以達(dá)到防LEMP雷電感應(yīng)而不致?lián)p壞設(shè)備的目的。

4 施工不規(guī)范的后果

4.1 “安裝信號(hào)SPD不起作用”的施工原因

在防雷工程施工中，在安裝電源 SPD時(shí)，要嚴(yán)格按照 BG 50343-2004建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范規(guī)定的電源SPD連接導(dǎo)線長(zhǎng)度。因?yàn)橐?guī)范中沒有具體規(guī)定安裝信號(hào)SPD的連接導(dǎo)線長(zhǎng)度，在有的安裝信號(hào)SPD施工中，接地線長(zhǎng)達(dá)幾米，甚至十幾米。接地線過(guò)長(zhǎng)將改變信號(hào)SPD啟動(dòng)電壓的作用，使雷擊瞬間啟動(dòng)電壓升高。信號(hào)SPD本應(yīng)該啟動(dòng)泄放雷電流，卻因啟動(dòng)電壓升高而不能啟動(dòng)。因此，即使安裝了信號(hào)SPD，也不能起到泄放雷電流的保護(hù)作用。

4.2 接地線過(guò)長(zhǎng)使啟動(dòng)電壓升高的定量分析

以計(jì)算機(jī)房信號(hào)SPD的接地線宜采用截面積不小于1.5 mm2的多股絕緣銅導(dǎo)線［4］為例。

在防雷施工中，將信號(hào)SPD接地導(dǎo)線安裝成1.5 mm2BVR導(dǎo)線長(zhǎng)度L=3 m(R=0.69×10－3Ω)，土壤電阻率ρ=100 Ω·m，響應(yīng)時(shí)間 t=8 μs，BVR 導(dǎo)線電阻率 ρ1=1.58 ×10－8Ω·m，其電阻為 r=ρ1L/S=4.74 ×10－8/150 ×10－8=0.031 6 Ω，額定放電電流按5 kA計(jì)算，分流系數(shù)取2，則沖擊暫態(tài)阻抗Z計(jì)算步驟如下:

沖擊暫態(tài)分布電感量［4］:

沖擊暫態(tài)電阻量:

沖擊暫態(tài)阻抗Z:

在1.5 mm2BVR長(zhǎng)度L=3 m的導(dǎo)線上產(chǎn)生的瞬間脈沖幅度u的表達(dá)式為:

可見，雷擊瞬間由于接地導(dǎo)線為3 m產(chǎn)生瞬間沖擊暫態(tài)阻抗增加1.67 Ω，其結(jié)果使信號(hào) SPD啟動(dòng)電壓升高4.17 kV，導(dǎo)致信號(hào)SPD根本無(wú)法啟動(dòng)。所以，當(dāng)雷電感應(yīng)電流侵入設(shè)備時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致被保護(hù)設(shè)備損壞。

5 結(jié)語(yǔ)

在討論雷電感應(yīng)(LEMP)防護(hù)的同時(shí)，應(yīng)該重視直擊雷的防護(hù)，只有進(jìn)行雷電的綜合防護(hù)才能達(dá)到良好的防護(hù)效果。

不接地信號(hào)傳輸線路不能直接安裝信號(hào)SPD來(lái)防止LEMP在信號(hào)傳輸線路的雷電感應(yīng)。否則，安裝信號(hào)SPD的不接地信號(hào)傳輸線路遭受雷擊瞬間，被保護(hù)對(duì)象損壞的更快。

不接地信號(hào)傳輸線路上直接安裝信號(hào)SPD及電磁場(chǎng)的不完善屏蔽，是“安裝信號(hào)SPD不起作用”的重要原因之一，應(yīng)該引起防雷專業(yè)人員的足夠重視。

［1］BG 50343-2004，建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］馬守山.淺析電磁場(chǎng)理論在防雷領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.雷電防護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2005(12):4.

［3］張小青.建筑物內(nèi)電子設(shè)備的雷電保護(hù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2000:6.

［4］四川石油管理局.防雷接地及保安技術(shù)［Z］.1994.