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1 引言

等電位連接技術(shù)是現(xiàn)代得到廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代防雷技術(shù)，設(shè)備進(jìn)行等電位連接防雷后本應(yīng)對(duì)等電位連接防雷效果進(jìn)行檢測(cè)。但隨后的防雷工作多是測(cè)試防雷接地電阻，測(cè)試防雷接地電阻是傳統(tǒng)的防雷測(cè)試方法，并不能反映等電位連接的真實(shí)效果。 可見(jiàn)等電位連接防雷技術(shù)應(yīng)有更適用的防雷測(cè)試方法。其實(shí)防止設(shè)備不被雷電損壞不必要求設(shè)備上的雷電等電位，今天的等電位連接防雷技術(shù)實(shí)際也達(dá)不到讓設(shè)備的雷電等電位的水平[1],只是讓設(shè)備雷電位差減少到一定程度之下，雷電位差越小防雷效果越好。如何測(cè)試?yán)纂娢徊睿坷纂娨婚W而過(guò)很快消失，而測(cè)試點(diǎn)還有許多，我們不能同時(shí)進(jìn)行這些測(cè)試點(diǎn)的雷電位差測(cè)試；我們也不知道雷電什么時(shí)候產(chǎn)生，所以測(cè)試設(shè)備上的雷電位是很困難的。解決的方法是模擬雷電的產(chǎn)生，用模擬雷電對(duì)需要防雷的設(shè)備進(jìn)行雷電位差檢測(cè)。為此需要一個(gè)產(chǎn)生模擬雷電流，檢測(cè)設(shè)備模擬雷電位差的電路，以便預(yù)見(jiàn)防雷系統(tǒng)的防雷效果。

2 技術(shù)說(shuō)明

防雷電位測(cè)試電路包括雷電流模擬發(fā)生電路與電位差波形捕捉顯示電路,這兩部分是獨(dú)立的。

2.1 雷電流模擬發(fā)生電路

如圖1所示，C為大容量電容，放電時(shí)能提供100安培以上且上升沿很快的模擬雷電流，因?yàn)槌浞烹婋娐芬谒矔r(shí)釋放很大的電流，所以放電導(dǎo)線用載面20—50mm2的銅導(dǎo)線，R1是充電限流電阻、R2是充電電壓調(diào)節(jié)電阻。K為大電流觸點(diǎn)鍍銀防振動(dòng)開(kāi)關(guān)，D1，D2為放電導(dǎo)線觸地端，放電導(dǎo)線電阻很小，當(dāng)放電導(dǎo)線在觸地端短接，開(kāi)關(guān)K合上，圖中元件不會(huì)被損壞。充電時(shí)間10-20秒，K合上幾毫秒就放電完。電容C可用并聯(lián)合成。

圖1 雷電流模擬發(fā)生電路

2.2 開(kāi)關(guān)K的構(gòu)造

如圖2是開(kāi)關(guān) K的構(gòu)造圖， 為了消除開(kāi)關(guān)的振動(dòng)，造成接觸電阻變動(dòng)，影響模擬效果，開(kāi)關(guān)K的動(dòng)觸點(diǎn)用有彈簧的觸點(diǎn)，另一觸點(diǎn)固定在橡膠上。觸點(diǎn)用鍍銀觸點(diǎn)，使用時(shí)涂上導(dǎo)電油更好。釋放桿釋放動(dòng)觸點(diǎn)，讓動(dòng)觸點(diǎn)高速接觸靜觸點(diǎn)。

圖2 開(kāi)關(guān)K構(gòu)造圖

2.3 電位差波形捕捉顯示電路框圖

如圖3電位差波形捕捉顯示電路：由波形顯示單元，采集控制單元，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換單元組成。波形顯示單元顯示波形的最大值與雷電位差相對(duì)應(yīng)。電位差波形捕捉電路要求，當(dāng)波形捕捉模塊輸入電壓大于一操作設(shè)定值時(shí),波形捕捉模塊捕獲一段輸入電位差波形并顯示,所以要求有一定的存貯器容量,供存貯數(shù)據(jù)顯示。

圖3 電位差波形捕捉顯示單元框圖

3 測(cè)試方法

測(cè)試設(shè)備的雷電電位差主要測(cè)量從接閃器到設(shè)備地，再到接地裝置的雷電流在設(shè)備上造成的電位差，后面簡(jiǎn)稱為竄地雷電位差。其次還有流過(guò)大雷電流導(dǎo)線附近設(shè)備上的感應(yīng)雷電位差，也可進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試可用雷電流模擬發(fā)生電路產(chǎn)生模擬雷電流加在設(shè)備接地網(wǎng)絡(luò)上，用電位差波形捕捉顯示單元進(jìn)行波形顯示檢測(cè),得到模擬雷電位差有關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1 模擬竄地雷電位差測(cè)試方法

竄地雷電位差是雷電流通過(guò)接地網(wǎng)或設(shè)備地線在設(shè)備上造成的電位差,是設(shè)備損壞的主要原因。測(cè)試是將一放電導(dǎo)線觸地端連接系統(tǒng)接地網(wǎng)上接地電阻估計(jì)較小的一點(diǎn)(真正的雷電流會(huì)流向這一點(diǎn)流動(dòng))，另一觸地端連接接閃器引下線（如鐵塔腳或高壓避雷器接地端）， 連接要良好。波形捕捉顯示單元輸入線接防雷設(shè)備需要測(cè)試的兩點(diǎn)。測(cè)試中放電電壓從最小值（10伏）開(kāi)始。調(diào)節(jié)充電電阻，讓電容充電10伏，合上開(kāi)關(guān)K測(cè)試一次，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)K充電，調(diào)節(jié)R2增大C上電壓，循環(huán)到合上開(kāi)關(guān)K ，觀察波形， 直到得到明顯測(cè)試電壓值。調(diào)換其它檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)，得到各設(shè)備對(duì)應(yīng)的雷電壓分布VD。在防雷系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電壓越小，防雷效果越好。雷電位差測(cè)試點(diǎn)的選擇，選擇最可能被雷電損壞的設(shè)備上的兩點(diǎn)：如有連接的通信設(shè)備上的兩點(diǎn)，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備中性線點(diǎn)與設(shè)備接地點(diǎn)，設(shè)備接地點(diǎn)與工作地的外部連接點(diǎn)，還有某同軸電纜在連接口上的兩點(diǎn)，屏蔽層與芯線，這些可能發(fā)生設(shè)備損壞的兩點(diǎn)都可選為測(cè)試點(diǎn)。

如圖4是一種高頻頭容易被雷電損壞的衛(wèi)星信號(hào)接收電路，可用實(shí)驗(yàn)證明在Q、P 間加300 V 的觸碰瞬態(tài)電壓就可使高頻頭損壞。圖5是進(jìn)行了改造，斷開(kāi)了Q與接地連接，并充分絕緣的一種電路。兩種電路在相同的Q、P點(diǎn)測(cè)得的電位差差別是很大的。圖3測(cè)得Q、P間的電位差不是0，可預(yù)知接收電路可能會(huì)被竄地雷電損壞。在改造電路圖5中測(cè)得Q、P的電位差是0，可預(yù)知接收電路不會(huì)被竄地雷電損壞。

3.2 模擬雷電電磁感應(yīng)電位差的測(cè)試方法

圖4 高頻頭接地 Q、P 間電位差檢測(cè)電路

圖5 高頻頭不接地 Q、P 間電位差檢測(cè)電路

設(shè)備靠近大雷電電流導(dǎo)線時(shí),瞬間變大的雷電流會(huì)在附近的導(dǎo)體環(huán)路感生出很大感應(yīng)電壓，檢測(cè)設(shè)備可能產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，可用外絕緣的放電導(dǎo)線在長(zhǎng)度與形狀上模擬距設(shè)備20米以內(nèi)的大雷電流導(dǎo)線（貼近大雷電流導(dǎo)線走線）如圖6所示。將觸地端緊密短接，讓電容充電到一定值，合上開(kāi)關(guān)就進(jìn)行了一次模擬雷電放電試驗(yàn)，合上K瞬間，（V1最大可接近充電電壓）。檢測(cè)模擬雷電放電導(dǎo)線的電壓V1，檢測(cè)導(dǎo)體環(huán)路感應(yīng)的電壓V2，設(shè)實(shí)際雷電在雷電電流線上的電壓為V雷，導(dǎo)體環(huán)路感應(yīng)的電壓V感，則有V感/V雷=V2/V1，估計(jì)V雷,就可得V感。但若設(shè)備距離雷電流20米以上時(shí)，感應(yīng)的電壓可不計(jì)?？捎猛饨^緣的測(cè)試引線與放電導(dǎo)線在一測(cè)試點(diǎn)連接后,沿放電方向雙絞在一起走線到另一測(cè)試點(diǎn)與電纜輸入進(jìn)行連接,減小測(cè)試干擾。

3.3 真實(shí)雷電位差測(cè)試方法

在測(cè)試圖4、圖6 中，將波形捕捉顯示電路在輸入加衰減器并進(jìn)行限壓保護(hù)，可在有雷電時(shí)獲得真實(shí)的雷電位差測(cè)試數(shù)據(jù)；但電路有被雷電損壞可能，并必需要用絕緣工具進(jìn)行測(cè)試操作。

3.4 防雷能力分析評(píng)價(jià)方法

圖6 電磁感應(yīng)電位差的測(cè)試電路

從雷電位差模擬值就可初步對(duì)防雷能力進(jìn)行評(píng)估。對(duì)那些不被雷電損壞的設(shè)備對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)模擬值與那些常被雷電損壞設(shè)備對(duì)應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)模擬值，進(jìn)行比較分析就可進(jìn)行評(píng)價(jià)（如圖4，圖5的測(cè)試評(píng)價(jià)）。當(dāng)然測(cè)試真實(shí)的雷電電位差進(jìn)行評(píng)價(jià)分析也行。

4 波形捕捉顯示電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)

波形捕捉顯示電路主要由現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA處理器EP2C8Q208C8N[2], 8位高速AD轉(zhuǎn)換模塊ADC9280構(gòu)成，EP2C8Q208C8N有4,608個(gè)編程邏輯單元，片上RAM有119,808bits，可供高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。圖5是ep2c8q208c8N與ADC9280連接圖示, ADC9280采樣速率達(dá)8位 32M MSPS。

圖7 A/D轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)電路

ADC9280AD轉(zhuǎn)換控制原理：根據(jù)AD9280的采樣時(shí)序圖8， AD9280在收到第4個(gè)時(shí)鐘開(kāi)始，以后在每一時(shí)鐘(INPUT CLOCK)控制下, 在時(shí)鐘上升沿啟動(dòng)采樣并在時(shí)鐘高電平時(shí)間內(nèi)完成AD轉(zhuǎn)換,并輸出一個(gè)數(shù)據(jù),時(shí)鐘高電平時(shí)間要大于AD9280采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間.(FPGA處理器)在時(shí)鐘下降沿可取數(shù)據(jù)。FPGA處理器的并行工作機(jī)制可以快速完成存貯這個(gè)數(shù)據(jù)的工作。

實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)流程：ADC9280實(shí)時(shí)采集1個(gè)數(shù)據(jù)后即存到內(nèi)存，一直循環(huán)存貯在高速內(nèi)存（RAM內(nèi)）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到200個(gè)數(shù)據(jù)單元，若無(wú)大于設(shè)定閾值數(shù)據(jù)就循環(huán)存儲(chǔ)著200個(gè)數(shù)據(jù)，若有大于設(shè)定閾值數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)500---1K個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，供顯示輸出。

圖8 AD9280工作時(shí)序圖

[1]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50343-2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S]，北京 ：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012年：第3頁(yè)

[2]董星.基于FPGA的存儲(chǔ)控制器及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].浙江大學(xué).2016：第2頁(yè)