電氣設(shè)備機(jī)房的電涌防護(hù)分析

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摘要：隨著電子技術(shù)快速發(fā)展，集成電路對(duì)電壓和電流脈沖的敏感程度越來越高，外部電涌過電壓和內(nèi)部電涌已成為電子設(shè)備損壞和工作中斷的主要因素之一。保證精密電子設(shè)備系統(tǒng)能正常工作的基本要求是電涌防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)正確并很好的協(xié)調(diào)配合，以免外部電涌過壓及內(nèi)部電涌所導(dǎo)致的設(shè)備損壞。另外，必須選用合格并且品質(zhì)優(yōu)秀的產(chǎn)品關(guān)鍵字：設(shè)備機(jī)房電涌防護(hù)原理措施分析隨著電子技術(shù)快速發(fā)展，集成電路對(duì)電壓和電流脈沖的敏感程度越來越高，外部電涌過電壓和內(nèi)部電涌已成為電子設(shè)備損壞和工作中斷的主要因素之一。保證精密電子設(shè)備系統(tǒng)能正常工作的基本要求是電涌防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)正確并很好的協(xié)調(diào)配合，以免外部電涌過壓及內(nèi)部電涌所導(dǎo)致的設(shè)備損壞。另外，必須選用合格并且品質(zhì)優(yōu)秀的產(chǎn)品。

　　新建及改擴(kuò)建工程的重要電氣設(shè)備機(jī)房應(yīng)采用高品質(zhì)電源電涌防護(hù)器，對(duì)整個(gè)電氣系統(tǒng)提供完善的電涌防護(hù)措施，同時(shí)語音、數(shù)據(jù)及圖象等金屬導(dǎo)體有線傳輸?shù)娜蹼娋W(wǎng)絡(luò)也應(yīng)做好電涌防護(hù)，這是確保該類設(shè)備正常工作的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。

　　1、電涌的產(chǎn)生電涌是微秒量級(jí)的異常大電流脈沖，其波頭時(shí)間一般在0.25~20μs，其單位能量一般在2.5~10MJ／Ω

　　它可使電子設(shè)備受到瞬態(tài)過電壓的破壞。每年半導(dǎo)體器件的集成化都在提高，元件的間距在減小，半導(dǎo)體的厚度也在變薄。這使得電子設(shè)備受到瞬態(tài)過電壓破壞的可能性越來越大。如果一個(gè)電涌導(dǎo)致的瞬態(tài)過電壓超過一個(gè)電器設(shè)備的承受能力，那么這個(gè)電器元件或設(shè)備或者被完全破壞，或者使用壽命大大縮短。

　　雷電是導(dǎo)致電涌最明顯的原因，雷電擊中輸電線路導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。每一次電力公司切換負(fù)載而引起的電涌都縮短各種計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、儀器儀表和PLC的使用壽命。另外，大型電機(jī)設(shè)備、電梯、發(fā)電機(jī)、空調(diào)、制冷設(shè)備等也會(huì)引發(fā)電涌。UPS也可能被電涌摧毀。

　　建筑物頂部的接閃器在防直擊雷時(shí)可將大部分的放電分流入地，避免建筑物的嚴(yán)重?fù)p壞。UPS不間斷電源處理電壓的嚴(yán)重下降。二者非常有用，但都不能保護(hù)計(jì)算機(jī)免受電涌的破壞，而且UPS本身集中使用了很多微處理器，也有可能被電涌摧毀。

　　27年前，IBM發(fā)現(xiàn)電涌更為常見的來源是電力公司的電網(wǎng)開關(guān)和大型電力設(shè)備（如空調(diào)和電梯）。每天都有這樣的電涌通過配電盤進(jìn)入工作室破壞電子設(shè)備或縮短其使用壽命。因此，在美國(guó)幾乎所有的有計(jì)算機(jī)或其它敏感電氣設(shè)備的建筑都安裝了電涌保護(hù)器。

　　1999年11月15日北京五星級(jí)酒店式管理的高調(diào)大廈寫字樓里的計(jì)算機(jī)被電涌襲擊，一部分計(jì)算機(jī)主板被破壞，一部分計(jì)算機(jī)被反復(fù)啟動(dòng)，有的計(jì)算機(jī)主板被電涌襲擊后使用壽命縮短一半。

　　2、電涌防護(hù)原理電涌防護(hù)采用電涌防護(hù)器，一般電涌防護(hù)器采用MOV技術(shù)，它和火花間隙技術(shù)是不同的

　　電涌不能被阻止，因?yàn)樗哪芰刻珡?qiáng)。正是由于這種原因，保護(hù)敏感電氣設(shè)備免受電涌損壞的策略是把電涌從設(shè)備分流。理想的電涌防護(hù)器在電力線上應(yīng)是覺察不到的，而當(dāng)電壓達(dá)到一定的限值時(shí)，應(yīng)立即動(dòng)作，分流多余的能量入地。

　　MOV工作原理正是如此，直到電涌出現(xiàn)，它才動(dòng)作，否則就靜止地掛在電源線上，充當(dāng)電源正常運(yùn)行時(shí)的“守護(hù)神”。當(dāng)電壓升高達(dá)到頂先設(shè)定的水平時(shí)，MOV立即動(dòng)作，響應(yīng)時(shí)間為1~3毫微秒。MOV中的“V”是變阻器，在響應(yīng)的一瞬間，MOV的電阻從完全值降到近乎零歐姆。MOV使瞬態(tài)高電壓找到了入地的通路。吸引過電流遠(yuǎn)離敏感的電氣設(shè)備。MOV把過電壓漏泄掉。電氣設(shè)備繼續(xù)在正常的工作電壓下運(yùn)行。

　　火花間隙技術(shù)的意圖是同樣的，該技術(shù)的核心是兩個(gè)電極，形狀象牛角，由絕緣材料分開，彼此間有很短的距離?；鸹ㄩg隙的工作原理和雷電的工作原理一樣，當(dāng)兩個(gè)角型的電極間電位差達(dá)到一定程度時(shí)，電荷穿過兩個(gè)角型的空間打火放電，并給放電提供了人地的通路。

　　使用火花間隙技術(shù)對(duì)付電涌猶如用火來對(duì)付火。來自世界著名的采用火花間隙技術(shù)的生產(chǎn)廠家的安裝指南中提醒使用者“每當(dāng)使用火花間隙技術(shù)的電涌防護(hù)器動(dòng)作時(shí)，熱量和壓力從防護(hù)器的尾部釋放出來”。并提醒用戶：由此產(chǎn)生的熱量和壓力可能產(chǎn)生短路或火災(zāi)。由于該原因和其它原因，IEC61643—1安全規(guī)范要求采用火花間隙技術(shù)的電涌防護(hù)器配有一個(gè)限制保險(xiǎn)（F2），在系統(tǒng)保險(xiǎn)（F1）工作前，F(xiàn)2將熔斷。這種增加的保險(xiǎn)極大地降低了火花間隙技術(shù)的電涌防護(hù)器可能處理過電流的能力。實(shí)際上，增加該保險(xiǎn)的容量決定了火花間隙技術(shù)電涌防護(hù)器的電流處理能力。

　　3、電氣設(shè)備機(jī)房電涌防護(hù)措施分析

　　3.1、安裝了直擊雷防雷設(shè)備的電涌防護(hù)不可忽視直擊雷防雷設(shè)備的作用是接閃，即防止雷電直接擊中機(jī)房所在建筑物以及接閃器保護(hù)范圍內(nèi)的各種金屬管線和用電設(shè)備。對(duì)于在接閃器保護(hù)范圍外的各種金屬導(dǎo)線以及由直擊雷所產(chǎn)生的感應(yīng)雷電和建筑物內(nèi)所產(chǎn)生的內(nèi)部電涌是不能保護(hù)的。對(duì)于由電力故障所產(chǎn)生的部分外部電涌也是不能保護(hù)的。這包括：高壓／低壓動(dòng)力電源線、部分網(wǎng)絡(luò)和專用數(shù)據(jù)通信線被雷電直接擊中，建筑物內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、備用發(fā)電機(jī)、中央空調(diào)、電梯等產(chǎn)生的內(nèi)部電涌，電力故障所產(chǎn)生的各種外部電涌，因?yàn)殪o電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、電位反擊等所造成的各種感應(yīng)雷電等等。因此必須要加裝電涌保護(hù)器以保護(hù)電源線和數(shù)據(jù)線。

　　3.2、機(jī)房接地不可等同于設(shè)備的電涌防護(hù)機(jī)房接地是計(jì)算機(jī)設(shè)備和精密電子設(shè)備正常工作的需要。機(jī)房接地主要是可以防止靜電（如靜電荷出現(xiàn)積累，可以從地線泄放掉），這樣可以保護(hù)機(jī)器和人員的安全；另外有些設(shè)備接地后才可以正常的工作（不接地會(huì)受到電磁干擾、以及無基準(zhǔn)點(diǎn)）。所以機(jī)房接地并不是用來防止雷電，也是防止不了雷電的，必須要加裝電涌保護(hù)器才可以防止雷電和內(nèi)部、外部電涌。

　　3.3、采用UPS供電的設(shè)備仍需要做電涌防護(hù)UPS的作用是對(duì)供電系統(tǒng)突然停電或電壓不足提供支持，在突然斷電時(shí)，UPS保護(hù)電氣和電子系統(tǒng)、處理控制器和數(shù)據(jù)免受部分或全部的損壞。有些UPS帶有低能的電涌抑制器。這種內(nèi)置的低能抑制器只能用來保護(hù)和UPS相連的負(fù)載免受能量有限的弱電涌的襲擊，因此，不能作為專門的解決電涌問題的方案。更重要的是：有研究表明UPS設(shè)備中的敏感電氣控制線路極易受到電涌的破壞。而這些線路經(jīng)常是監(jiān)視UPS的工作狀態(tài)以及UPS的交流電源的輸入、輸出狀態(tài)的。1884年成立的電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（1EEE），是世界最大的技術(shù)專業(yè)團(tuán)體，曾十分關(guān)注UPS可能受到的破壞，并在IEEE標(biāo)準(zhǔn)1100一1992中專門編寫了一章9.11.3：UPS電涌防護(hù)。其中指出：雷電和其它產(chǎn)生瞬態(tài)電壓的現(xiàn)象，對(duì)大部分UPS設(shè)備和敏感的電氣負(fù)載設(shè)備是有害的。因此，建議UPS的整流器輸入系統(tǒng)和輔助的UPS旁路系統(tǒng)（包括人工保養(yǎng)的旁路系統(tǒng)）都應(yīng)加裝IEEE.41—1991標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的有效電涌防護(hù)裝置。

　　4、電涌保護(hù)分級(jí)我國(guó)在機(jī)房建設(shè)的電涌防護(hù)方面有明確的要求，要求所有機(jī)房必須要做直擊雷電防護(hù)和接地網(wǎng)的建設(shè)；要求有條件的機(jī)房和比較重要的機(jī)房必須進(jìn)行感應(yīng)雷電的防護(hù)

　　對(duì)于最新的計(jì)算機(jī)機(jī)房和通訊機(jī)房的建設(shè)規(guī)范中都明確要求要進(jìn)行感應(yīng)雷電的防護(hù)；《氣象法》中明確要求政府機(jī)關(guān)和有條件的單位在建設(shè)機(jī)房時(shí)要考慮雷電電涌防護(hù)問題；在最新的建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范中，明確要求進(jìn)行感應(yīng)雷電的防護(hù)；在許多行業(yè)的機(jī)房建設(shè)規(guī)范中都有明確的要求（如銀行、金融、電信、稅務(wù)、政府機(jī)關(guān)、法院、公共市政設(shè)施等），必須進(jìn)行機(jī)房的電涌防護(hù)。

　　5、所有敏感電氣設(shè)備的運(yùn)行都是在嚴(yán)格的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行的，超過1kV的高速過電壓對(duì)電氣設(shè)備都非常危險(xiǎn)

　　任何雷電保護(hù)措施的目的，都是要把過電壓限制在1kV以下。電涌保護(hù)一般分三級(jí)，其目的是把過電壓鉗制到安全的范圍內(nèi)。

　　6、電涌防護(hù)器的選擇應(yīng)選擇一個(gè)技術(shù)先進(jìn)的制造商，產(chǎn)品應(yīng)具有詳細(xì)的說明書、技術(shù)指標(biāo)、產(chǎn)地、符合各方面的標(biāo)準(zhǔn)證書及有銷售許可證書等

　　1）設(shè)計(jì)是否有利于用戶并且容易安裝。理想的產(chǎn)品應(yīng)該是一個(gè)小型、緊湊并且能夠安裝在現(xiàn)有的空間內(nèi)，同時(shí)易于安裝。電涌防護(hù)器本身的體積尺寸越大，它固有的內(nèi)部線路電感就越大；防護(hù)器本身體積小，電感也小，防護(hù)效果就更好；小體積防護(hù)器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以安裝在近配電箱處，因?yàn)檫B線本身也有電感，連線長(zhǎng)，對(duì)防護(hù)系統(tǒng)的限制水平的不良影響也就越大，因此在安裝電涌防護(hù)器時(shí)越近配電箱越好，最好是在15cm以內(nèi)。在電氣設(shè)備狹小的空間內(nèi)不可能安裝大體積的防護(hù)器。

　　2）反應(yīng)時(shí)間。電涌防護(hù)器的反應(yīng)時(shí)間必須比電涌的速度快。反應(yīng)時(shí)間在毫微秒（納秒）級(jí)均符合技術(shù)要求。

　　3）一次能夠處理的最大電流。最大電流即峰流是一個(gè)電涌防護(hù)器的處理最大電流的能力。Bellcore實(shí)驗(yàn)室（AT&T—Bell實(shí)驗(yàn)室的研究機(jī)構(gòu)）為了保護(hù)它高度計(jì)算機(jī)化的實(shí)驗(yàn)中心，進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，明確了電涌防護(hù)器處理最大電流的能力和所需的技術(shù)參數(shù)，一個(gè)20kA的電涌防護(hù)器即可滿足要求。由此可見，在任何建筑物內(nèi)的分支線供電箱處安裝一個(gè)80kA的電涌防護(hù)器，便足以解決任何可能出現(xiàn)的電涌問題。對(duì)多雷擊區(qū)的貴重電氣設(shè)備，應(yīng)在建筑物人口的交流配電箱處安裝一個(gè)較大的防護(hù)器，型號(hào)從65kA到l60kA.

　　4）吸收能量的能力。電涌防護(hù)器吸收能量的能力以焦耳來衡量，焦耳值越高，電涌防護(hù)器的使用壽命越長(zhǎng)。

　　5）鉗制電壓的能力。也就是將過電壓鉗制到電氣設(shè)備所能承受的安全范圍之內(nèi)的能力。計(jì)算機(jī)被設(shè)計(jì)在一定電壓范圍內(nèi)使用，如果超出了這個(gè)范圍就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的損壞。因此電涌防護(hù)器必須把過電壓鉗制到安全水平。1998年6月1開始實(shí)施的GAl73—1998標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：用于220／380V電力系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)防雷保安器（電涌防護(hù)器）的鉗制電壓應(yīng)小于或等于2kV.

　　6）符合國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，包括UL449、IEEE、NEMA和IEC.在我國(guó)同樣有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，公安部公共信息網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)察局要求：所有用于保護(hù)計(jì)算機(jī)的防雷保安器（本文稱為電涌防護(hù)器），都必須根據(jù)GAl73—1998的標(biāo)準(zhǔn)通過檢測(cè)并獲得銷售許可證后，方可銷售。

　　7）產(chǎn)品的可行性及制造商的客戶單。了解制造商的客戶單以及廠家從事產(chǎn)品生產(chǎn)的歷史有助于了解廠家的信譽(yù)和其產(chǎn)品的可行性。

　　8）質(zhì)量保證。保質(zhì)期限的長(zhǎng)短體現(xiàn)了制造商對(duì)其產(chǎn)品是否不出問題、并長(zhǎng)久的保護(hù)設(shè)備的自信心。一旦產(chǎn)品出現(xiàn)問題，客戶是否能得到快速免費(fèi)的服務(wù)，也是用戶必須考慮的因素之一。

　　7、電涌防護(hù)器設(shè)置最大的電涌產(chǎn)生在建筑物外，由雷電和電力公司切換負(fù)載所致，這種感應(yīng)電涌可沿電力線傳輸，進(jìn)入建筑物內(nèi)

　　電源系統(tǒng)電涌防護(hù)器的具體配置應(yīng)根據(jù)供電系統(tǒng)接地型式選擇。220／380V供電系統(tǒng)接地型式常采用的有TN—S、IN—C—S、TT、IT四種，各接地型式地供電系統(tǒng)配電箱電涌防護(hù)器設(shè)置見圖1—圖4.設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)電源裝置所處區(qū)域按通流能力三級(jí)配置電涌防護(hù)器：一級(jí)（總配電柜，不低于LPZl區(qū)內(nèi)），Up＝2.0kV，Imax＝65kA（8／20μs）；二級(jí)（分配電柜，不低于LPZ1區(qū)內(nèi)），Up＝1.2／1.8kV，Imax＝40kA（8／20μs）；三級(jí)（設(shè)備處，不低于LPzl區(qū)內(nèi)），Ures<1kV，Imax＝6.5kA（8／20μs）。

　　交流電源與計(jì)算機(jī)的電源相連，數(shù)據(jù)線把計(jì)算機(jī)與電話線或局域網(wǎng)連接在一起；給計(jì)算機(jī)提供電源的交流電源線路、將計(jì)算機(jī)與電話通信網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)或其他局域網(wǎng)連接在一起的數(shù)據(jù)線路，電涌可以通過這些線路破壞性地干擾計(jì)算機(jī)。因此，與計(jì)算機(jī)相連的電源和數(shù)據(jù)線都需要安裝電涌防護(hù)器。

　　8、結(jié)語

　　電氣設(shè)備機(jī)房的電涌過壓及電磁干擾的防護(hù)，是保證正常辦公、生產(chǎn)、電氣設(shè)備及人身安全的重要技術(shù)手段，是確保精密電子設(shè)備運(yùn)行和信息網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)。在日常辦公和經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中的重要作用變得越來越突出和重要。