摘要：介紹了一種應(yīng)用電源防雷箱于UPS電源及其終端負(fù)載設(shè)備，并采用均壓等電位連接實(shí)現(xiàn)的發(fā)電廠UPS電源系統(tǒng)的雷電防護(hù)方案。

關(guān)鍵詞：UPS電源；雷電防護(hù)

1 引言

發(fā)電廠電力專用UPS電源要求高可靠、零間斷，主要為機(jī)組監(jiān)控計(jì)算機(jī)、機(jī)組控制儀表等重要負(fù)載提供穩(wěn)頻、恒壓的交流電源，具有非常重要的作用。一旦UPS電源中斷，后果十分嚴(yán)重。但UPS電源及其負(fù)載設(shè)備的耐壓等級(jí)低、抗干擾能力差，另一方面由于其負(fù)載設(shè)備信號(hào)來源路徑增多，系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波的侵入，致使雷電災(zāi)害頻頻發(fā)生。雷擊時(shí)所產(chǎn)生的雷電放電電流及電磁脈沖，以及雷電過壓會(huì)通過UPS的輸入電源電纜或信號(hào)線侵入至UPS電源系統(tǒng)，部分雷電流將由UPS輸入電源線對(duì)交流地線進(jìn)行泄放，最終結(jié)果，將擊穿UPS輸出對(duì)地線和輸入對(duì)地線端，從而影響整個(gè)UPS系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為此，必須對(duì)UPS電源的輸入輸出對(duì)交流地和直流邏輯地進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)必須對(duì)機(jī)組監(jiān)控計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等重要終端進(jìn)行保護(hù)，只有堵死一切雷電導(dǎo)入的端口，才能有效的保護(hù)設(shè)備系統(tǒng)免受雷電的侵害。

2 防雷保護(hù)原理

2.1雷擊分類

雷擊一般分為直擊雷擊和感應(yīng)雷擊。

直擊雷擊——指雷電直接擊在建筑物、構(gòu)架、樹木、動(dòng)植物上，由于電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等混合力作用，直接摧毀建筑物、構(gòu)筑物以及引起人員傷亡等。由于直擊雷的電效應(yīng)，有可能使機(jī)房微電子設(shè)備遭受浪涌過電壓的危害。

感應(yīng)雷擊——指雷云之間或雷云對(duì)地之間的放電而在附近的架空線路、埋地線路、金屬管線或類似的傳導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓通過傳導(dǎo)體傳送至設(shè)備，間接摧毀微電子設(shè)備。感應(yīng)雷擊對(duì)微電子設(shè)備，特別是通訊設(shè)備和電子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的危害最大，據(jù)資料顯示，微電子設(shè)備遭雷擊損壞，80％以上是由感應(yīng)雷引起的。

2.2電源防雷箱作用

電源防雷箱是一種低壓電源的保護(hù)設(shè)備，主要由過電壓保護(hù)器構(gòu)成。當(dāng)市電因雷擊或其他因素引致產(chǎn)生高脈沖電壓時(shí)，將會(huì)損壞電路上的設(shè)備。電源防雷箱的功用，就是在最短時(shí)間內(nèi)釋放電路上因感應(yīng)雷擊而產(chǎn)生的大量脈沖能量到安全地線上，從而保護(hù)電路上用戶的設(shè)備。

以三相五線制系統(tǒng)為例，過電壓保護(hù)器并聯(lián)于三火一零對(duì)地線之間。在正常情況下，過電壓保護(hù)器處于高阻狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)由于雷擊出現(xiàn)瞬時(shí)脈沖電壓時(shí)，過電壓保護(hù)器在極時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通(納秒級(jí))，將脈沖電壓短路到地泄放，從而保護(hù)用戶所有設(shè)備。當(dāng)脈沖電壓過后，過電壓保護(hù)器又變成高阻狀態(tài)，從而不影響用戶設(shè)備的供電。

2.3等電位連接

建筑物內(nèi)的等電位連接，其目的在于減少需要防雷的空間內(nèi)，各種金屬部件和各種系統(tǒng)之間的電位差。在雷擊發(fā)生的瞬間內(nèi)，迅速響應(yīng)，保證設(shè)備、大地、建筑物及其附屬設(shè)備之間構(gòu)成一等電位體，從而避免過電壓引起設(shè)備損壞。

等電位的主要做法，是用連接導(dǎo)線或過電壓保護(hù)器，將處在需要防雷的空間內(nèi)防雷裝置、電氣設(shè)備、金屬門窗、電梯導(dǎo)軌、電纜橋架、各種金屬管線、及弱電系統(tǒng)的金屬部件(箱體、殼體，機(jī)架)等，相互焊接或連接起來，構(gòu)成統(tǒng)一的導(dǎo)電系統(tǒng)，形成建筑物的法拉第籠，從而避免各接地線之間存在電位差，以消除感應(yīng)過電壓產(chǎn)生，保護(hù)設(shè)備系統(tǒng)的安全。

3 UPS電源系統(tǒng)的防雷構(gòu)成

由于UPS電源的電力供給是由廠用380V母線室引入的，而母線電源高壓端的防雷保護(hù)已由電廠建設(shè)時(shí)實(shí)施完成。因此，對(duì)于UPS電源系統(tǒng)的雷電防護(hù)，將重點(diǎn)放在UPS電源的輸入輸出及其負(fù)載端，電源防雷箱應(yīng)用方案如圖一

3.1UPS電源的防雷保護(hù)

UPS不間斷電源，是為發(fā)電廠機(jī)組監(jiān)控計(jì)算機(jī)、機(jī)組控制儀表等重要負(fù)載提供穩(wěn)定、可靠和高質(zhì)量的電能的重要設(shè)備，并且是由380V母線室市電供電輸入的，所以將電源系統(tǒng)防護(hù)的重點(diǎn)放在了對(duì)UPS不間斷電源的輸入端保護(hù)上。

在UPS電源輸入端實(shí)施串聯(lián)三級(jí)防雷保護(hù)，其原理如圖二所示。

第一級(jí)防護(hù)為粗保護(hù)，選用雷擊電流放電器，超低壓點(diǎn)火放電，快速響應(yīng)并且與過電壓保護(hù)器直接配合，對(duì)直擊雷進(jìn)行防護(hù)，吸收90％的大能量雷電流。第二級(jí)為細(xì)級(jí)保護(hù)，選用浪涌電壓雷電放電器，即半導(dǎo)體過電壓保護(hù)器，對(duì)雷電流進(jìn)一步吸收；第三級(jí)為精細(xì)保護(hù)，徹底抵御和吸收雷電過電壓，最終全面保護(hù)設(shè)備。

圖二三相三級(jí)串聯(lián)保護(hù)電源防雷柜電路原理圖

具體來講，采用FLT超低壓火花放電間隙型雷擊電源保護(hù)器7只組成第一級(jí)間隙放電回路，在V_DC1000伏時(shí)啟動(dòng)工作，用來抵御脈寬10×350μS波形，單相25KA雷害沖擊，總相175KA的雷電流，完成直接行為的間隙放電保護(hù)，同時(shí)還可以抵御脈寬8×20μS波形，單相100KA雷害沖擊，總相700KA的雷電流。在第二級(jí)對(duì)應(yīng)安裝JA-VAL230過電壓保護(hù)器7只，用來吸收FLT超低壓火花放電間隙型雷擊電源保護(hù)器的殘余電壓，每相抵御殘余雷電流40KA，總相280KA。在第一級(jí)與第二級(jí)防雷器件之間采用LT-120解耦器4只，延遲電路系統(tǒng)進(jìn)行級(jí)間解耦，以達(dá)到在瞬態(tài)雷電流沖擊之下各級(jí)防雷器件分級(jí)啟動(dòng)，使能量逐級(jí)衰減的目的。同理，在第二級(jí)保護(hù)之后，安裝第三級(jí)JA-VAL230過電壓保護(hù)器，在第二級(jí)與第三級(jí)防雷器件之間采用LT-120解耦器4只，延遲電路系統(tǒng)進(jìn)行級(jí)間解耦。三級(jí)保護(hù)之后可以徹底吸收和全面抵御雷電過電壓對(duì)UPS電源的破壞。

解耦器是一種高頻抗飽和濾波器，主要對(duì)雷電波進(jìn)行前衛(wèi)濾波，并保證前級(jí)防雷系統(tǒng)與后繼系統(tǒng)進(jìn)行有效的合理配合。解耦器在沒有雷電時(shí)候，對(duì)工頻電壓、電流均不產(chǎn)生損耗，當(dāng)雷電侵襲時(shí)產(chǎn)生無限的阻尼作用，當(dāng)雷電過后立即恢復(fù)。

3.2UPS電源負(fù)載設(shè)備的防雷保護(hù)

考慮從UPS電源至其終端負(fù)載設(shè)備有一定距離，而感應(yīng)雷害又無孔不入，同時(shí)因考慮到電網(wǎng)的浪涌可能帶來對(duì)設(shè)備的沖擊，采用與以上相同的防護(hù)機(jī)理，在機(jī)組監(jiān)控計(jì)算機(jī)等每一臺(tái)終端設(shè)備電源輸入端，分別安裝一臺(tái)FLX-3KVA電源防雷箱，實(shí)施對(duì)終端用電設(shè)備的防雷保護(hù)，以確保UPS電源負(fù)載設(shè)備的安全運(yùn)行。

3.3信號(hào)線的防雷

由戶外架空傳輸線路直接引入熱控室的信號(hào)專線，與機(jī)組監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連。通常這部分信號(hào)線路是最易將雷擊引入室內(nèi)擊壞設(shè)備的，是機(jī)組監(jiān)控計(jì)算機(jī)等設(shè)備防護(hù)的重點(diǎn)，因此在與這些信號(hào)進(jìn)線相連接的設(shè)備進(jìn)口處，采用數(shù)據(jù)信號(hào)防雷模塊作為保護(hù)器件，采用兩級(jí)保護(hù)，具有插損小，殘壓低，響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，可有效地對(duì)戶外信號(hào)線路引入的雷擊起到攔截作用。

3.4接地系統(tǒng)

防雷器件首先起到的作用是對(duì)雷電流的吸收和泄放作用，同時(shí)也是一種“等電位連接器”。所有的防雷產(chǎn)品器件的防護(hù)原理均是在雷擊發(fā)生的瞬間，迅速啟動(dòng)響應(yīng)，保證設(shè)備、建筑物和大地之間構(gòu)成一等電位體，從而避免過電壓的破壞，實(shí)現(xiàn)均壓等電位的關(guān)鍵就是整個(gè)機(jī)房的地線系統(tǒng)，它在系統(tǒng)防雷中非常重要。

據(jù)IEC1024標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)房交流工作接地、安全保護(hù)接地、直流工作按地、防雷接地等四種接地宜共用一組接地裝置。由于某些計(jì)算機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)差異不同，接地系統(tǒng)共地很難實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)該采用等電位理論，達(dá)到瞬間等電位方式，常態(tài)獨(dú)立接地方式，即機(jī)房接地系統(tǒng)與其他交流地、安全保護(hù)地、防雷地進(jìn)行軟連接。

3.4.1接地裝置與均壓等電位連接

采用串聯(lián)三級(jí)防雷箱，要求UPS電源輸入為三相四線制，輸出為三相五線制，可保證中線對(duì)地線電壓小于1V，地線與大樓避雷系統(tǒng)接地網(wǎng)相連，計(jì)算機(jī)監(jiān)控機(jī)房應(yīng)做等電位連接，安裝均壓等電位帶。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控機(jī)房的各種地線問及地線與熱控室建筑結(jié)構(gòu)的主鋼筋之間，必須進(jìn)行有效的連接，即全部采用共用接地系統(tǒng)，當(dāng)雷電引起地電位高壓反擊時(shí)，整個(gè)大樓及機(jī)房呈現(xiàn)系統(tǒng)等電位，防雷系統(tǒng)呈現(xiàn)工作狀態(tài)，保證UPS電源系統(tǒng)的安全。均壓等電位帶的實(shí)施，是在計(jì)算機(jī)監(jiān)控機(jī)房的地板下設(shè)均壓等電位地線帶，以30mm×3mm的紫銅帶，在各室內(nèi)分別形成網(wǎng)型(M型)結(jié)構(gòu)的均壓等電位帶。且作好此帶的絕緣支撐，最終以星形(S型)形式與計(jì)算機(jī)監(jiān)控機(jī)房的直流邏輯地線接通，另外熱控室UPS供電系統(tǒng)電源插座及信號(hào)地均在最近的距離內(nèi)與均壓等電位帶相連，避免因設(shè)備之間產(chǎn)生電勢(shì)差而造成設(shè)備損壞。

3.4.2線路屏蔽與均壓等電位連接

由于感應(yīng)雷擊很多是由于傳輸線路在磁場(chǎng)中切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)高壓，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)遭到破壞，對(duì)傳輸線路采取屏蔽措施，是降低感應(yīng)雷擊破壞的有效方法。但計(jì)算機(jī)監(jiān)控機(jī)房?jī)?nèi)的大部分線路采用穿管布線(金屬軟管或硬管)，其屏蔽接地需改進(jìn)，使每根護(hù)管兩端有效接地，并與均壓等電位帶連接，最大限度的減少感應(yīng)雷擊侵入的渠道。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用三相三級(jí)串聯(lián)電源防雷箱和均壓等電位連接的方法，對(duì)UPS電源及其終端負(fù)載設(shè)備進(jìn)行雷電防護(hù)，較好地解決了發(fā)電廠UPS電源系統(tǒng)的防雷問題，具有很好的應(yīng)用前景。

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