防雷检测新方法与电路

（广西广播电视技术中心玉林分中心）

1 引言

等电位连接技术是现代得到广泛应用的现代防雷技术，设备进行等电位连接防雷后本应对等电位连接防雷效果进行检测。但随后的防雷工作多是测试防雷接地电阻，测试防雷接地电阻是传统的防雷测试方法，并不能反映等电位连接的真实效果。 可见等电位连接防雷技术应有更适用的防雷测试方法。其实防止设备不被雷电损坏不必要求设备上的雷电等电位，今天的等电位连接防雷技术实际也达不到让设备的雷电等电位的水平[1],只是让设备雷电位差减少到一定程度之下，雷电位差越小防雷效果越好。如何测试雷电位差？雷电一闪而过很快消失，而测试点还有许多，我们不能同时进行这些测试点的雷电位差测试；我们也不知道雷电什么时候产生，所以测试设备上的雷电位是很困难的。解决的方法是模拟雷电的产生，用模拟雷电对需要防雷的设备进行雷电位差检测。为此需要一个产生模拟雷电流，检测设备模拟雷电位差的电路，以便预见防雷系统的防雷效果。

2 技术说明

防雷电位测试电路包括雷电流模拟发生电路与电位差波形捕捉显示电路,这两部分是独立的。

2.1 雷电流模拟发生电路

如图1所示，C为大容量电容，放电时能提供100安培以上且上升沿很快的模拟雷电流，因为充放电电路要在瞬时释放很大的电流，所以放电导线用载面20—50mm2的铜导线，R1是充电限流电阻、R2是充电电压调节电阻。K为大电流触点镀银防振动开关，D1，D2为放电导线触地端，放电导线电阻很小，当放电导线在触地端短接，开关K合上，图中元件不会被损坏。充电时间10-20秒，K合上几毫秒就放电完。电容C可用并联合成。

图1 雷电流模拟发生电路

2.2 开关K的构造

如图2是开关 K的构造图， 为了消除开关的振动，造成接触电阻变动，影响模拟效果，开关K的动触点用有弹簧的触点，另一触点固定在橡胶上。触点用镀银触点，使用时涂上导电油更好。释放杆释放动触点，让动触点高速接触静触点。

图2 开关K构造图

2.3 电位差波形捕捉显示电路框图

如图3电位差波形捕捉显示电路：由波形显示单元，采集控制单元，高速模数转换单元组成。波形显示单元显示波形的最大值与雷电位差相对应。电位差波形捕捉电路要求，当波形捕捉模块输入电压大于一操作设定值时,波形捕捉模块捕获一段输入电位差波形并显示,所以要求有一定的存贮器容量,供存贮数据显示。

图3 电位差波形捕捉显示单元框图

3 测试方法

测试设备的雷电电位差主要测量从接闪器到设备地，再到接地装置的雷电流在设备上造成的电位差，后面简称为窜地雷电位差。其次还有流过大雷电流导线附近设备上的感应雷电位差，也可进行测试。测试可用雷电流模拟发生电路产生模拟雷电流加在设备接地网络上，用电位差波形捕捉显示单元进行波形显示检测,得到模拟雷电位差有关数据。

3.1 模拟窜地雷电位差测试方法

窜地雷电位差是雷电流通过接地网或设备地线在设备上造成的电位差,是设备损坏的主要原因。测试是将一放电导线触地端连接系统接地网上接地电阻估计较小的一点(真正的雷电流会流向这一点流动)，另一触地端连接接闪器引下线（如铁塔脚或高压避雷器接地端）， 连接要良好。波形捕捉显示单元输入线接防雷设备需要测试的两点。测试中放电电压从最小值（10伏）开始。调节充电电阻，让电容充电10伏，合上开关K测试一次，断开开关K充电，调节R2增大C上电压，循环到合上开关K ，观察波形， 直到得到明显测试电压值。调换其它检测点检测，得到各设备对应的雷电压分布VD。在防雷系统中，对应的检测电压越小，防雷效果越好。雷电位差测试点的选择，选择最可能被雷电损坏的设备上的两点：如有连接的通信设备上的两点，机房内设备中性线点与设备接地点，设备接地点与工作地的外部连接点，还有某同轴电缆在连接口上的两点，屏蔽层与芯线，这些可能发生设备损坏的两点都可选为测试点。

如图4是一种高频头容易被雷电损坏的卫星信号接收电路，可用实验证明在Q、P 间加300 V 的触碰瞬态电压就可使高频头损坏。图5是进行了改造，断开了Q与接地连接，并充分绝缘的一种电路。两种电路在相同的Q、P点测得的电位差差别是很大的。图3测得Q、P间的电位差不是0，可预知接收电路可能会被窜地雷电损坏。在改造电路图5中测得Q、P的电位差是0，可预知接收电路不会被窜地雷电损坏。

3.2 模拟雷电电磁感应电位差的测试方法

图4 高频头接地 Q、P 间电位差检测电路

图5 高频头不接地 Q、P 间电位差检测电路

设备靠近大雷电电流导线时,瞬间变大的雷电流会在附近的导体环路感生出很大感应电压，检测设备可能产生的感应电压，可用外绝缘的放电导线在长度与形状上模拟距设备20米以内的大雷电流导线（贴近大雷电流导线走线）如图6所示。将触地端紧密短接，让电容充电到一定值，合上开关就进行了一次模拟雷电放电试验，合上K瞬间，（V1最大可接近充电电压）。检测模拟雷电放电导线的电压V1，检测导体环路感应的电压V2，设实际雷电在雷电电流线上的电压为V雷，导体环路感应的电压V感，则有V感/V雷=V2/V1，估计V雷,就可得V感。但若设备距离雷电流20米以上时，感应的电压可不计。可用外绝缘的测试引线与放电导线在一测试点连接后,沿放电方向双绞在一起走线到另一测试点与电缆输入进行连接,减小测试干扰。

3.3 真实雷电位差测试方法

在测试图4、图6 中，将波形捕捉显示电路在输入加衰减器并进行限压保护，可在有雷电时获得真实的雷电位差测试数据；但电路有被雷电损坏可能，并必需要用绝缘工具进行测试操作。

3.4 防雷能力分析评价方法

图6 电磁感应电位差的测试电路

从雷电位差模拟值就可初步对防雷能力进行评估。对那些不被雷电损坏的设备对应检测点模拟值与那些常被雷电损坏设备对应的检测点模拟值，进行比较分析就可进行评价（如图4，图5的测试评价）。当然测试真实的雷电电位差进行评价分析也行。

4 波形捕捉显示电路实现技术

波形捕捉显示电路主要由现场可编程门阵列FPGA处理器EP2C8Q208C8N[2], 8位高速AD转换模块ADC9280构成，EP2C8Q208C8N有4,608个编程逻辑单元，片上RAM有119,808bits，可供高速数据存储。图5是ep2c8q208c8N与ADC9280连接图示, ADC9280采样速率达8位 32M MSPS。

图7 A/D转换存储电路

ADC9280AD转换控制原理：根据AD9280的采样时序图8， AD9280在收到第4个时钟开始，以后在每一时钟(INPUT CLOCK)控制下, 在时钟上升沿启动采样并在时钟高电平时间内完成AD转换,并输出一个数据,时钟高电平时间要大于AD9280采样转换时间.(FPGA处理器)在时钟下降沿可取数据。FPGA处理器的并行工作机制可以快速完成存贮这个数据的工作。

实时采集数据流程：ADC9280实时采集1个数据后即存到内存，一直循环存贮在高速内存（RAM内）存储数据到200个数据单元，若无大于设定阈值数据就循环存储着200个数据，若有大于设定阈值数据就存储500---1K个字节数据，供显示输出。

图8 AD9280工作时序图

[1]住房和城乡建设部.GB50343-2012建筑物电子信息系统防雷技术规范[S]，北京 ：中国标准出版社，2012年：第3页

[2]董星.基于FPGA的存储控制器及相关系统设计技术研究[D].浙江大学.2016：第2页