雷电防护工程的特殊问题分析

2012-11-05许青青

山西建筑 2012年14期

许青青

(山西中创建筑设计有限公司，山西太原 030027)

0 引言

完善的屏蔽方法能对电场感应和磁场感应同时起到屏蔽作用。采用电磁场完善屏蔽措施或特殊结构的线缆实现电磁场完善屏蔽，防止雷电感应(LEMP)损坏设备。完善的屏蔽方法应按BG 50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范5.4.6之4［1］的规定，对信号传输线进行屏蔽线缆的屏蔽层和金属屏蔽管两端连通后，两端同时接地是电磁场完善屏蔽结构。电磁场完善屏蔽结构的规定，没有得到网络工程设计、施工和雷电防护设计、施工单位的理解和足够的重视。

不允许接地的信号传输线路不能直接安装信号SPD，以防止雷电感应(LEMP)损坏设备。而应在传输线缆上安装专用保护器件(摩萨卡)使信号SPD起到保护作用，使通信设备不会因为信号SPD泄放雷电流时对地短路，防止设备主板或接口也遭到短路电流的烧毁。否则，安装在不接地信号传输线路的SPD，在雷击瞬间初始阶段雷击电压达到峰值之前，由于SPD内的瞬态二极管导通近似短路，设备的接口板或主板已经损坏。换言之，通常信号传输线路设备的接口板或主板的耐冲击水平为1.5 kV，而不接地信号传输线路安装工作电压24 V的信号SPD之后，设备对大于36 V的电压(瞬态二极管的启动电压)都无法承受，设备耐冲击水平降低为36 V。而瞬态二极管的启动电压不同，影响也就不相同，这是通常不被理解和重视的特殊问题。

1 电磁场的存在

1.1 电场、磁场同时存在

根据电磁感应定律应用到电与磁的普遍联系方面，得到变动的磁场产生电场;根据安培环路定律应用推广到时变情况，在引入位移电流后，得到电与磁普遍联系的另一方面，即变动的电场产生磁场，这两者关系数学表达式为麦克斯韦方程:

其中，E为电场强度，V/m;H为磁场强度，A/m;B为磁场密度，Wb/m2;D为电位移，C/m2;L为闭合路径长度，m;S为闭合路径内面积，m2;Iv为穿过面积S的运流电流，A;Ic为传导电流，A。

式(1)中的第一和第二方程分别称为麦克斯韦第一方程和麦克斯韦第二方程。

1.2 电磁感应现象

电磁感应现象是由法拉第发现的，当穿过导体回路所界定的面积中的磁通发生变化时，在闭合回路中将产生感应电动势及感应电流。感应电动势及感应电流总是企图阻止闭合回路中磁通的变化，感应电动势及感应电流的方向总是与时变场的方向相反，这是闭合回路起到磁屏蔽作用的基本原理。

1.3 屏蔽的分类

1)电场屏蔽:静电场屏蔽及低频交变电场屏蔽。2)磁场屏蔽:直流磁场屏蔽和低频交流磁场屏蔽。3)电磁场屏蔽:同时存在电场及磁场的高频辐射电磁场的屏蔽。

为了实现不同要求的屏蔽作用，屏蔽体可以是屏蔽室或屏蔽箱(盒)等。非完整的屏蔽体可以是金属网或编制结构的屏蔽层，如屏蔽网、法拉第笼等。

1.4 电磁场完善屏蔽措施

据BG 50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范5.4.6之4［1］的规定，对信号传输线进行屏蔽线缆的屏蔽层和金属屏蔽管两端连通后，两端同时接地是电磁场完善屏蔽结构，利用反向磁通抵消的原理实现电磁场完善屏蔽。利用磁场作用在闭合环路产生反向磁通抵消作用磁场的方法实现完善电磁场屏蔽。

雷电闪击瞬间，在磁场作用下，线缆屏蔽层和金属屏蔽管两端连通同时接地构成的屏蔽结构，在信号传输线的外侧形成无数个闭合回路中，瞬间变化电场产生的感生磁通方向与闪击瞬间产生的磁通方向相反，抵消了雷电闪击瞬间产生的磁通，起到屏蔽磁的作用。同时，金属屏蔽管接地也能屏蔽电场。所以，线缆屏蔽层和金属屏蔽管两端连通后两端同时接地是电磁场完善屏蔽结构。

1.5 不接地信号传输线路屏蔽的新方法

不允许接地信号传输线路屏蔽的新方法是利用损耗型线缆来实现良好的电磁场屏蔽作用。损耗型线缆实质上是一种介质传输线。损耗型线缆结构由绝缘外层、金属护套、绝缘层、外层铁氧体材料、螺旋形导线、内层铁氧体材料和芯线组成。在这种传输线中采用的介质一般为铁氧体材料，当LEMP产生的瞬变的电磁场作用在损耗型线缆时，将会在其周围的铁氧体中产生涡流和磁滞损耗，使雷电产生的瞬变的电磁场能量消耗在铁氧体介质中，此种损耗随瞬变电磁场的变化率增大而增大。由于大部分能量转化为介质中的热能形式消耗掉，能有效抑制LEMP产生的瞬变的电磁场侵入，可达到保护设备的作用。

损耗型线缆是一种常见的线缆，铁氧体材料被加工成柔性介质材料，填充在线缆中间而制成。由于损耗型线缆具有较为理想的暂态衰减特性，所以，只需要较短的一段损耗型线缆就可以获得预期的屏蔽效果。

2 不允许接地的信号传输线路不能直接安装信号SPD的特殊问题

1)信号传输线不接地的设备得到广泛应用。信号传输线不接地的设备在各行各业中得到了广泛应用。水泥厂、水泥搅拌厂、冶炼厂等单位凡是自动填料、自动装袋、温度监控系统的智能传感器至监控室的传输线路均为不接地的信号传输线路。2)信号传输线不接地的设备不能直接安装信号SPD。都江堰河道管理处的监控设备的信号传输线是不接地的。有的防雷施工单位按普通方法安装了信号SPD，但遇到打雷设备都要损坏。因而用户质疑防雷器的作用，目前，某防雷公司正从电磁场完善屏蔽和在不允许接地的信号线路上采取安全措施等方面着手进行修改。

3 不接地的信号传输线路不能直接安装信号SPD的原因分析

3.1 短路电流损坏设备定性分析

众所周知，不接地信号传输线路是不能对地短路的。不接地信号传输线路监控系统正常工作电流为mA级，以网络集线器为例，工作电压为5 V，工作电流为150 mA。在不接地信号传输线上安装信号SPD后，当没有雷击时，不接地信号传输线路对地是开路，即没有电流，设备正常工作。如果出现短路现象，网络集线器工作电压5 V，对地电阻趋近短路，短路电流趋近无穷大，监控系统的智能传感器或接口板、监控系统主板则会被短路电流烧毁。

3.2 雷闪初始阶段短路电流损坏设备定量分析

不接地线路安装信号SPD后，监控室的设备里的组件多次被雷击坏，分析其主要原因是智能传感器到监控室的设备的线路均不接地。当安装信号SPD后，泄放雷击电流的元件是瞬态二极管，导通后本身的电阻很小(近似短路)，启动电压也很低。如果信号SPD的工作电压为24 V，瞬态二极管的启动电压就只有36 V。雷击瞬间电压尚未达到峰值，超过36 V瞬态二极管就导通，接口组件工作电压为15 V相当短路。假如瞬态二极管导通后本身电阻取1 Ω(实际小于1 Ω)，则瞬间电流大于15 A。工作在电流为150 mA级的网络集线器流过大于工作电流100倍电流，就被烧坏了。也就是说，瞬间雷击电压达到最大值之前，网络集线器或接口组件已被短路电流烧坏了。

综上所述，设备损坏的根本原因是被本身工作电压在雷闪初期信号SPD短路所致，而不是雷击电压超过设备耐受冲击能力结果。

3.3 解决办法

1)必须对不接地信号传输线路采取如上述(1.4节)对电磁场完善屏蔽措施，才能达到防LEMP雷电感应的目的。经多方调查了解，BG 50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范5.4.6第4节中关于电磁场完善屏蔽的规定，并没有得到防雷工程设计者们的深刻理解和高度重视。有的人甚至认为只要将信号传输线穿金属管就能起到屏蔽电磁场的作用，这种观点是错误的。2)利用上述(1.5节)损耗型线缆来实现良好的电磁场屏蔽。3)安装具有保护功能的安全卡(摩萨卡)。

当不接地信号传输线路安装有安全卡进行保护时，则可以安装信号SPD。安全卡的作用是在信号SPD遭受雷击瞬间使线路呈开路状态，对不接地信号传输线路实现负载瞬间短路实施保护，以达到防LEMP雷电感应而不致损坏设备的目的。

4 施工不规范的后果

4.1 “安装信号SPD不起作用”的施工原因

在防雷工程施工中，在安装电源 SPD时，要严格按照 BG 50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范规定的电源SPD连接导线长度。因为规范中没有具体规定安装信号SPD的连接导线长度，在有的安装信号SPD施工中，接地线长达几米，甚至十几米。接地线过长将改变信号SPD启动电压的作用，使雷击瞬间启动电压升高。信号SPD本应该启动泄放雷电流，却因启动电压升高而不能启动。因此，即使安装了信号SPD，也不能起到泄放雷电流的保护作用。

4.2 接地线过长使启动电压升高的定量分析

以计算机房信号SPD的接地线宜采用截面积不小于1.5 mm2的多股绝缘铜导线［4］为例。

在防雷施工中，将信号SPD接地导线安装成1.5 mm2BVR导线长度L=3 m(R=0.69×10－3Ω)，土壤电阻率ρ=100 Ω·m，响应时间 t=8 μs，BVR 导线电阻率 ρ1=1.58 ×10－8Ω·m，其电阻为 r=ρ1L/S=4.74 ×10－8/150 ×10－8=0.031 6 Ω，额定放电电流按5 kA计算，分流系数取2，则冲击暂态阻抗Z计算步骤如下:

冲击暂态分布电感量［4］: