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淺述 大型變電站《微電子系統(tǒng)》防雷保護設計方案
南京寧翔防雷
◆背景描述
計算機、通信和儀表控制系統(tǒng)（以下統(tǒng)稱“微電子系統(tǒng)”）在工業(yè)化社會得到了廣泛的應用，隨著科學技術的快速發(fā)展，這些系統(tǒng)的微電子器件的集成化和微型化程度愈來愈高，而其元器件的抗電氣沖擊水平卻都很低，因此，防雷問題和元器件間、系統(tǒng)間的電磁兼容問題日顯突出�！洞笮妥冸娬尽肥亲詣踊潭群芨呤褂玫膱鏊�，在氣象條件下微電子系統(tǒng)的雷害事件偶有發(fā)生。
◆挑戰(zhàn)與需求
1、微電子系統(tǒng)設備遭受雷害的途徑和防雷保護措施
1）遭受雷害的途徑：微電子系統(tǒng)設備遭受雷害的途徑有直擊雷的侵害、反擊，由電源線路引入的雷電侵入波、感應雷或雷電電磁脈沖的侵害等。電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的過電壓沖擊或電磁耦合等也會造成設備損壞。在電力網(wǎng)內(nèi)部因系統(tǒng)操作失誤或出現(xiàn)異常工況甚至短路等故障，會引起電力網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)內(nèi)部過電壓或電壓瞬態(tài)降低的現(xiàn)象。過電壓會經(jīng)電源侵入微電子設備，也會因布線不當而通過線路耦合到微電子器件的電路中。
2）防雷保護措施思想：由于微電子系統(tǒng)設備對雷電特有的敏感性和雷害途徑的多樣性，在對微電子系統(tǒng)設備的雷電防護方面，應根據(jù)各微電子系統(tǒng)的重要程度劃分防雷區(qū)域，并針對微電子系統(tǒng)設備的可靠性要求程度確定出相應的雷電防護等級，全方位、多層次地建立一套完整的防護體系，這種防護體系是《大型變電站》采用的縱深雷電防護防御體系。
3）防雷保護具體措施：
a）采用接閃器（接閃針、接閃帶、網(wǎng)）及其構(gòu)成的系統(tǒng)防止直擊雷的侵害。
b）泄流（分流）雷電能量，防止直擊雷反擊。
c）采用對系統(tǒng)設備接地的等電位連接的方法防止直擊雷反擊。
d）采用多層次的電磁屏蔽來降低或限制感應過電壓的產(chǎn)生。這些屏蔽包括建筑物屏蔽、微電子系統(tǒng)設備機房內(nèi)屏蔽、設備外殼屏蔽和信號管線屏蔽等。作為電磁屏蔽，在微電子系統(tǒng)的設備中，除了要具備防雷暴屏蔽外，還要求達到設備間、電子元件間的電磁干擾屏蔽，即系統(tǒng)間、設備間要達到電磁兼容的標準要求。
e）采用過電壓保護器防止元器件損壞，即在微電子系統(tǒng)的電源回路、信號接口等回路安裝過電壓保護器（過電壓限制器或浪涌吸收器），經(jīng)限制器將已產(chǎn)生的過電壓箝制于限制值以下，保證系統(tǒng)設備或元器件免于異常動作或損壞。過電壓保護器的設置或選擇應按其保護系統(tǒng)的重要級別或系統(tǒng)回路接口方式全面、系統(tǒng)地統(tǒng)籌考慮。
4）微電子系統(tǒng)雷電防護基本框架：《大型變電站》微電子系統(tǒng)設備防雷害和過電壓保護的基本框架，由縱深雷電防護防御體系構(gòu)成一個完整的現(xiàn)代雷電防護體系，即全方位、多層次的綜合防護措施，任何單一的防護技術并不能有效地防止雷電的侵害。
2、《大型變電站》微電子系統(tǒng)的防雷需求
1）計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)：作為大型電站的生產(chǎn)管理、生產(chǎn)控制的計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)，在發(fā)電機組安全、穩(wěn)定運行中起著非常重要的作用。電站計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)主要由計算中心（電站計算機輔助隔離系統(tǒng)、國家或部委生產(chǎn)管理系統(tǒng)）、工業(yè)計算機系統(tǒng)和儀表控制計算機系統(tǒng)組成，在氣象條件下計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)是雷電電磁脈沖侵害的主要對象。
2）通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)在生產(chǎn)中的作用是不言而喻的，《大型變電站》采用完全獨立而互為備用的微波中繼通信電路和光纖通信電路，由于雷電存在著隨機性和不可控性，通信系統(tǒng)運行正常并不代表系統(tǒng)設計或運行狀態(tài)符合雷電侵害保護的要求，在氣象條件下易遭雷電流產(chǎn)生的電涌而損壞設備，應在交、直流電源配電設備各側(cè)及交流屏輸入端安裝相應浪涌吸收裝置作以保護。
3）《大型變電站》微電子系統(tǒng)防雷接地裝置：《大型變電站》接地網(wǎng)上連接著全站的高低壓電氣設備的接地線、低壓用電系統(tǒng)接地、電纜屏蔽接地、通信、計算機監(jiān)控系統(tǒng)設備接地，接地是防雷技術最重要的環(huán)節(jié)，不管是直擊雷，感應雷或其它形式的雷，都將通過接地裝置導入大地。接地裝置的作用是把雷電對接閃器閃擊的電荷盡快地泄放到大地，使其與大地的異種電荷中和。
◆方案與解決
1、《大型變電站》微電子系統(tǒng)防雷裝置結(jié)構(gòu)組成：
1）建筑物（體）直擊雷
2）電源系統(tǒng)（高、低壓）配電裝置
3）微電子系統(tǒng)（網(wǎng)絡系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、火災報警裝置、消防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)）
4）均壓（等電位）裝置
5）接地泄流系統(tǒng)
2、《大型變電站》微電子系統(tǒng)雷電防護內(nèi)容：
1）直擊雷裝置
2）雷電電磁脈沖防護裝置
3）均壓（等電位）裝置
4）泄流裝置
3、《大型變電站》微電子系統(tǒng)雷電及過電壓防護措施技術依據(jù)：
1）直擊雷裝置：《大型變電站》微電子系統(tǒng)建筑物直擊雷防護應符合建筑物防雷標準GB50057-2010第4.2.1條、第4.2.4條、第4.3.1條、第4.4.1條、第4.4.8條、第4.5.2條技術要求。
2）微電子系統(tǒng)設備直擊雷防護裝置：依據(jù)建筑物防雷標準GB50057-2010《附錄D：滾球法確定接閃器的保護范圍》第D.0.2條技術參數(shù)確定接閃器高度的計算公式，作為有效保護半徑技術措施。直擊雷防護裝置材料需符合GB11032-89防雷器材指標要求。
3）微電子系統(tǒng)設備雷電電磁脈沖防護裝置：根據(jù)GB50057-2010建筑物防雷設計規(guī)范和GB50343-2012建筑物電子信息系統(tǒng)的防雷設計規(guī)范（第5.4.條規(guī)定，參照5.4.1-1圖、5.4.1-1表和5.4.1-2表、5.4.2條、5.4.2-1表、5.4.2-2表、5.4.3條、5.4.4條、5.4.5條、5.4.6條、5.4.7條、5.4.8條、5.4.9條之技術參數(shù)）的要求，在電源系統(tǒng)輸入/出控制端、微電子（信號）系統(tǒng)的線路終端設備、網(wǎng)絡系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、火災自動報警裝置、消防聯(lián)動控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的終端設備加裝相對應的防雷器（SPD）防止傳輸線路中感應雷的雷電波/流侵害智能電子設備及人員的操作安全。
4）均壓（等電位）裝置：根據(jù)GB50343-2012 建筑物電子信息系統(tǒng)的防雷設計規(guī)范的要求，參照規(guī)范第5.2.1條、第5.2.2條、第5.2.3條、第5.2.4條、第5.2.5條、第5.2.6條、第5.2.7條、第5.2.8條、第5.2.9條、第5.2.10條之規(guī)定設計（電源系統(tǒng)、微電子信號設備）等電位（均壓環(huán)）保護措施。
5）泄流裝置：依據(jù)防雷規(guī)范GB50057-2010/GB50343-2012要求設計接地裝置的阻抗值，接地裝置安裝實施流程參照接地裝置示意圖D501-1～4建筑物防雷設施安裝規(guī)范要求施行。
3、《大型變電站》微電子系統(tǒng)雷電及過電壓防護措施具體要求：
1）防雷措施分類：《大型變電站》微電子系統(tǒng)防雷措施總體分為二種（避免雷電波的進入和利用保護裝置將雷電波引入接地網(wǎng)）。
2）直擊雷防護裝置：直擊雷防護（接閃桿或接閃線）裝置防護雷擊是通過攔截導引措施改變其入地路徑。
3）雷電電磁脈沖防護裝置：采用防雷器將侵入微電子系統(tǒng)傳輸線路中的雷電波降低到微電子設備絕緣強度允許值以內(nèi)（采用過壓保護限制雷電電涌值，通過電涌模塊提高微電子設備自身的防護能力，防止微電子設備、電子元件被擊壞，在微電子設備電源端和信號控制端口、線纜接口處加裝浪涌限壓保護器）。
4）均壓（等電位）裝置在微電子設備的控制室內(nèi)敷設等電位裝置，所有微電子設備的外殼均與等電位匯流排連接，微電子設備的接地點盡量遠離接閃桿（接閃線）接地引下線的入地點，接閃桿接地引下線盡量遠離微電子設備接地連接點防止引下泄流的雷電流反擊微電子設備。
5）泄流裝置：采用矩形接地網(wǎng)絡裝置或法拉第籠保護模式（接地裝置體的引導線連接被保護或屏蔽設施的連接線，可設主接地裝置體、等電位連接體和分接地體，防雷接地裝置的接地線即防雷接閃裝置的引下線可采用圓鋼或扁鋼，兩端按規(guī)定的搭接長度焊接達到電連接并與泄流主體可靠連接），《大型變電站》微電子系統(tǒng)的防雷接地電阻值設計值為≤1Ω。
6）縱深防御體系總要求：《大型變電站》微電子系統(tǒng)設備的防雷保護是一項系統(tǒng)工程，必須以雷電防護原理為基礎對《大型變電站》微電子系統(tǒng)作概要分析，對實際運行的各個微電子系統(tǒng)在保護配置上應根據(jù)保護原則具體問題具體分析，即根據(jù)系統(tǒng)設備的重要程度和防雷保護的要求等級進行多層次、全方位的綜合防御，建立完善的縱深防御體系。
◆方案實施（產(chǎn)品選型）
1、直擊雷防護裝置
1）GFL系列接閃塔
2）普通接閃器
3）優(yōu)化接閃器
4）提前放電接閃器
2、雷電電磁脈沖防護裝置（SPD）
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序號
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材料名稱
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規(guī)格型號
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安裝位置
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1
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電源防雷器
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電源浪涌第一級
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供電電源配電室低壓端總開關
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2
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電源防雷器
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電源浪涌第二級
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供電電源配電室低壓端支回路
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3
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電源防雷器
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電源浪涌第二級
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總配電箱
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4
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電源防雷器
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電源浪涌第三級
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分配電箱(UPS電源)
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5
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電源防雷器
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電源浪涌第四級
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重要微電子設備電源箱
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6
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PDU電源裝置
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電源末端精細防護
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微電子（信號）設備電源裝置前端
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7
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信號防雷器
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信號線路單級防護
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微電子設備線纜端口
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8
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信號防雷器
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信號單級防護
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火災報警、消防控制、控制器電源
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9
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信號防雷器
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網(wǎng)絡信號單級防護
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機房網(wǎng)絡核心交換機IN端
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10
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信號防雷器
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網(wǎng)絡信號單級防護
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機房路由器、服務器線纜端口
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11
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信號防雷器
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視頻信號單級防護
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監(jiān)控攝像機（定位槍機）
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12
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信號防雷器
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視頻信號單級防護
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監(jiān)控攝像機（高速全球）
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13
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信號防雷器
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音頻信號單級防護
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程控交換機端口
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14
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信號防雷器
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信號線路單級防護
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數(shù)據(jù)存儲器端口
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15
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信號防雷器
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視頻信號單級防護
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機房視頻矩陣IN端
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16
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等電位連接器
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接地泄流系統(tǒng)
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匯流排、引下與法拉第籠連接點
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3、泄流（接地）裝置
1）銅包鋼接地極
2）離子接地極
3）石墨接地模塊
4）等電位連接器
南京寧翔防雷工程科技有限公司
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客服部