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淺述 大型變電站《微電子系統(tǒng)》防雷保護(hù)設(shè)計(jì)方案
南京寧翔防雷
◆背景描述
計(jì)算機(jī)、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(huì)得到了廣泛的應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)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。《大型變電站》是自動(dòng)化程度很高使用的場所之一，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(shè)備遭受雷害的途徑和防雷保護(hù)措施
1）遭受雷害的途徑：微電子系統(tǒng)設(shè)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(yīng)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(huì)造成設(shè)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(huì)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(huì)經(jīng)電源侵入微電子設(shè)備，也會(huì)因布線不當(dāng)而通過線路耦合到微電子器件的電路中。
2）防雷保護(hù)措施思想：由于微電子系統(tǒng)設(shè)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(shè)備的雷電防護(hù)方面，應(yīng)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(shè)備的可靠性要求程度確定出相應(yīng)的雷電防護(hù)等級，全方位、多層次地建立一套完整的防護(hù)體系，這種防護(hù)體系是《大型變電站》采用的縱深雷電防護(hù)防御體系。
3）防雷保護(hù)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(shè)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(yīng)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(shè)備機(jī)房內(nèi)屏蔽、設(shè)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(shè)備中，除了要具備防雷暴屏蔽外，還要求達(dá)到設(shè)備間、電子元件間的電磁干擾屏蔽，即系統(tǒng)間、設(shè)備間要達(dá)到電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)要求。
e）采用過電壓保護(hù)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(hù)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(shè)備或元器件免于異常動(dòng)作或損壞。過電壓保護(hù)器的設(shè)置或選擇應(yīng)按其保護(hù)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(hù)基本框架：《大型變電站》微電子系統(tǒng)設(shè)備防雷害和過電壓保護(hù)的基本框架，由縱深雷電防護(hù)防御體系構(gòu)成一個(gè)完整的現(xiàn)代雷電防護(hù)體系，即全方位、多層次的綜合防護(hù)措施，任何單一的防護(hù)技術(shù)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：作為大型電站的生產(chǎn)管理、生產(chǎn)控制的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行中起著非常重要的作用。電站計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由計(jì)算中心（電站計(jì)算機(jī)輔助隔離系統(tǒng)、國家或部委生產(chǎn)管理系統(tǒng)）、工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和儀表控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，在氣象條件下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(dú)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(jī)性和不可控性，通信系統(tǒng)運(yùn)行正常并不代表系統(tǒng)設(shè)計(jì)或運(yùn)行狀態(tài)符合雷電侵害保護(hù)的要求，在氣象條件下易遭雷電流產(chǎn)生的電涌而損壞設(shè)備，應(yīng)在交、直流電源配電設(shè)備各側(cè)及交流屏輸入端安裝相應(yīng)浪涌吸收裝置作以保護(hù)。
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(shè)備的接地線、低壓用電系統(tǒng)接地、電纜屏蔽接地、通信、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備接地，接地是防雷技術(shù)最重要的環(huán)節(jié)，不管是直擊雷，感應(yīng)雷或其它形式的雷，都將通過接地裝置導(dǎo)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(luò)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)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(hù)內(nèi)容：
1）直擊雷裝置
2）雷電電磁脈沖防護(hù)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(hù)措施技術(shù)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(hù)應(yīng)符合建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)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(shù)要求。
2）微電子系統(tǒng)設(shè)備直擊雷防護(hù)裝置：依據(jù)建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)GB50057-2010《附錄D：滾球法確定接閃器的保護(hù)范圍》第D.0.2條技術(shù)參數(shù)確定接閃器高度的計(jì)算公式，作為有效保護(hù)半徑技術(shù)措施。直擊雷防護(hù)裝置材料需符合GB11032-89防雷器材指標(biāo)要求。
3）微電子系統(tǒng)設(shè)備雷電電磁脈沖防護(hù)裝置：根據(jù)GB50057-2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范和GB50343-2012建筑物電子信息系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)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(shù)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(shè)備、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警裝置、消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的終端設(shè)備加裝相對應(yīng)的防雷器（SPD）防止傳輸線路中感應(yīng)雷的雷電波/流侵害智能電子設(shè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)（電源系統(tǒng)、微電子信號設(shè)備）等電位（均壓環(huán)）保護(hù)措施。
5）泄流裝置：依據(jù)防雷規(guī)范GB50057-2010/GB50343-2012要求設(shè)計(jì)接地裝置的阻抗值，接地裝置安裝實(shí)施流程參照接地裝置示意圖D501-1～4建筑物防雷設(shè)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(hù)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(jìn)入和利用保護(hù)裝置將雷電波引入接地網(wǎng)）。
2）直擊雷防護(hù)裝置：直擊雷防護(hù)（接閃桿或接閃線）裝置防護(hù)雷擊是通過攔截導(dǎo)引措施改變其入地路徑。
3）雷電電磁脈沖防護(hù)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(shè)備絕緣強(qiáng)度允許值以內(nèi)（采用過壓保護(hù)限制雷電電涌值，通過電涌模塊提高微電子設(shè)備自身的防護(hù)能力，防止微電子設(shè)備、電子元件被擊壞，在微電子設(shè)備電源端和信號控制端口、線纜接口處加裝浪涌限壓保護(hù)器）。
4）均壓（等電位）裝置在微電子設(shè)備的控制室內(nèi)敷設(shè)等電位裝置，所有微電子設(shè)備的外殼均與等電位匯流排連接，微電子設(shè)備的接地點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離接閃桿（接閃線）接地引下線的入地點(diǎn)，接閃桿接地引下線盡量遠(yuǎn)離微電子設(shè)備接地連接點(diǎn)防止引下泄流的雷電流反擊微電子設(shè)備。
5）泄流裝置：采用矩形接地網(wǎng)絡(luò)裝置或法拉第籠保護(hù)模式（接地裝置體的引導(dǎo)線連接被保護(hù)或屏蔽設(shè)施的連接線，可設(shè)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(dá)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(shè)計(jì)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(shè)備的防雷保護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須以雷電防護(hù)原理為基礎(chǔ)對《大型變電站》微電子系統(tǒng)作概要分析，對實(shí)際運(yùn)行的各個(gè)微電子系統(tǒng)在保護(hù)配置上應(yīng)根據(jù)保護(hù)原則具體問題具體分析，即根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備的重要程度和防雷保護(hù)的要求等級進(jìn)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(shí)施（產(chǎn)品選型）
1、直擊雷防護(hù)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(hù)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(guān)
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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(shè)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(xì)防護(hù)
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微電子（信號）設(shè)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(hù)
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微電子設(shè)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(hù)
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火災(zāi)報(bào)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(luò)信號單級防護(hù)
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機(jī)房網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)IN端
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10
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信號防雷器
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網(wǎng)絡(luò)信號單級防護(hù)
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機(jī)房路由器、服務(wù)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(hù)
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監(jiān)控?cái)z像機(jī)（定位槍機(jī)）
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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(hù)
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監(jiān)控?cái)z像機(jī)（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(hù)
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程控交換機(jī)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(hù)
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數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hù)
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機(jī)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(diǎn)
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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