新型浪涌保护器在楼宇控制系统中的应用

1 前言

为避免直接雷击击中建筑时出现危险和恐慌情况，对于学校、剧院或展览馆等公共建筑，国家有关建筑标准规定需安装外部防雷保护系统或将防雷保护系统集成到楼宇智能控制系统之中。虽然有这种措施，但不可能全面保护大楼内敏感的电气系统免遭损坏，因此，在设计和建造这种复杂系统的时候，必须考虑对直击雷电流和感应雷电流的保护措施。
    雷击保护和电涌保护的目标是保护建筑物和个人，必须包含对敏感电气系统的保护。现在，不仅要考虑雷击对建筑物或供电线路的破坏，而且也要考虑电磁感应。雷击放电包括安装回路中能引起高压和电流的电磁感应。为确保楼宇控制系统在这些条件下能安全运行，尤其是易受雷击的总线设备，电涌保护器必须直接安装在终端设备上。为此，本文对新型浪涌保护器技术特征与在建筑内楼宇控制系统中的应用作分析介绍。

2  新的浪涌基本理念

2.1　关于电磁兼容性

电磁兼容性的问题涉及到每一个电力电子设备最大可靠性保护方面的规定。在电子元器件或系统部件之间存在一定的关系，必须提前加以预防以避免干扰的产生。电磁兼容性是一个较新的规定，它始于确保电子设备（尤其是军用及航空系统）的可靠工作和完美无缺。随着电子学的发展和微处理器的普遍使用，电磁兼容性已开始严重影响我们。各国专家开始研究这方面的问题，并预测潜在的危害性以及如何克服其负面影响。电磁兼容性带来的技术和经济影响是无法用数字来衡量的,因为它是由各种原因导致而成。

如今欧盟设立No．89／3 36／EEC法规，其目的是对所有欧盟国家及签署了会员协议的国家推行电磁兼容性条款。例如CSN3 32000—1标准的1 3．6．2段明确规定如下：“人、畜、财产必须避免受到浪涌的危害，浪涌的原因是多种多样，如大气放电、线路过压以及静电等。“

图1表示出电气设备与环境间的接口，它被互感和输入这两个因素所影响，实际上是两个有线或无线设备之间的相互干扰。输入可分为两部分：在线干扰和无线于扰。浪涌是在解决电磁兼容性问题时产生的主要问题之一。在涉及到电能传输时，必须牢记以下品质因素：电压等级、非线性变化、浪涌等级（浪涌的波峰涌）。

2.2　电力线等效电路图应用

图2是一种常使用的电力线等效电路图。 使用该电力线等效电路图的目的是用参数反映电力设备的可靠性和正常运转情况，同时也需得到某些定性方面的参数。其最主要的目的就是创造一种条件，确保所连接在电力系统中的电子设备应具备最高可靠性及最佳利用率。

3  雷击浪涌的危害性及其后果

3.1 浪涌的危害性

⑴　夏季闪电是造成浪涌的最主要原因。但是在电网中有些设备可能被普通的一次开关动作产生的浪涌损坏，如高灵敏度的设备：计算机，EZS，NC控制器等。

⑵　雷击的威胁。雷击会带来巨大的损失和严重的后果，雷击及周围的电磁感应会损坏附近的系统和设备，经常性的雷击及过流会降低输电线路和系统的绝缘指标。

⑶　浪涌的威胁与应对。浪涌对所有的电子设备和数据系统都有潜在的危害。它是隐伏的，不可见的，不可预测的，极端危险并且后果不可想象。实际浪涌的幅值一般较雷击电流小，但前者可能会造成和后者同样的损坏。通过提供高、中、低级浪涌保护产品，可以很好地满足用户的需求。为防雷击而设计的模块成本较低，可以方便地安装在总配电箱、分配电箱中。为电源设计的雷击电流抑制器使其可以避免直击雷和电源雷击的损害。高品质的变阻器可将雷电导人接地系统。对低级保护也有一套适用的浪涌防护产品可以使用，如FUGO公司可提供多个系列的浪涌防护产品，可以满足客户的最大需要。

3.2浪涌的原因与后果

⑴　浪涌的原因可能是大气放电、开关操作、静电放电，以及高电压下的导体接触或上面提及的电磁脉冲危害（NEMP）。静电放电是在维护过程中人们意外接触系统某个地方而导致的。

⑵　电力设备的损坏。干扰信号和浪涌对电路的不利影响是每一个电力工程师都不能忽视的问题。在过去继电器的短时间过载输入可能是没有危险的，但是在使用半导体电路的时代里，即使是低能量脉冲也能造成损坏或操作失败，其损坏见图3所示。

在将来，由于种种原因浪涌防护产品将变得越来越普及。即：集成密度的提高必然伴随着电路中元器件(集成电路，三极管，二极管，电阻等)临界载荷值的降低；由于使用先进的生产机械，有必要增加生产过程的安全性；电子设备的应用中，要注意露天设备(如带有智能传感器的设备)的保护；核爆炸产生的电磁脉冲危害(NEMP)，这是核爆炸产生的不可避免的次要结果，它能损坏所有电子设备。

4  多种新型浪涌保护器选用与技术特征

4.1  电源浪涌保护器的选用

⑴　1级电源浪涌保护器

在雷击高发区，或架空线直接进户的情况下，具有超大能量的直击雷往往会对设备造成毁灭性损坏。值此以FUGO公司的浪涌保护器为典例作说明。

如今己有间隙型(即开关型)和压敏型(即限压型)浪涌保护器两种方案，使用户能自由地选择最合适的直击雷防护措施。它应用于建筑物入户端，低压配电系统的第一级保护。间隙型(10／350μs)，其型号为MES一50B／230与MES 一50B／440；限压型(8／20μs)，其型号为MES一160DST。其主要指标为：额定电压（Un）220／385V；最大持续运行电压（Uc）385／660V；标称放电电流（Isn）25kA（间隙型）与80kA（限压型）；最大放电电流（Imax）50kA（间隙型）与 160kA（限压型）；保护水平(Up)2kV（间隙型）与2.5kV（限压型）；响应时间(Ta)<25ns；保护级别(IP)为20;外形尺寸 142mmX76mmX35mm（间隙型）与90mmX72mmX66mm（限压型）；工作温度,-40℃--+85℃。

⑵　2级与3 级电源浪涌保护器

单片(单极)设计、用于防止电源系统因雷击过压或操作过电压对设备造成损坏。适用于低配电系统的第二级保护。依据不同的配电系统(T T／T N／I T)的选择多种组合方式。图4所示为2级电源浪涌保护器原理图。

4.2  低压电源电源浪涌保护器的选用

适用于低压供电系统的精细保护，依据不同的交直流电源电压可选择各种相应的规格。由于终端设备离前级浪涌保护器距离较大，从而使得该线路上容易产生振荡过电压或感应到其他过电压，则低压电源电源浪涌保护器适用于终端设备的精细电源浪涌保护，与前级浪涌保护器配合使用，则保护效果更好。

4.3  网络信号浪涌保护器的选用

BAx系列信号浪涌保护器是专为通过双绞线进行信号传输的设备而设计，以保护其避免遭受感应过电压和操作过电压的损害。该浪涌保护器输入、输出采用RJ45公／母于接头串联保护。网络信号浪涌保护器原理图见图5所示。

以产品型号BAX-RJ45／UTP(／24)与BAX—RJ45／UTP—K(／24)为例，其主要指标是：接口／保护脚为RJ45/STP8线(24口)；额定电压Un为8V；最大持续运行电压Uc为12V;标称放电电流Isn(8／20μs) 为 5kA;最大放电电流Imax(8／20u s) 为10kA;保护水平Up线-线／线-地：40V／150V与44V／90V；响应时间ta为 1 ns；传输速率为155Mbit／s与1000Mbit／s；外壳防护级别为IP20；插入损耗DB为<0．2dB；工作温度 -40～+85℃。

4.4  通讯信号浪涌保护器选用

MET系列产品是专门用于双绞线传输线路中的过电压信号浪涌保护器，产品广泛适用于通信系统和工业自动化控制回路系统(比如RS232、RS422、RS485等等)的过电压保护。产品包括2线式(1对线)和4线式(2对线)各种系统。图6为原理图。

4.5  通讯D型信号浪涌保护器选用

DET系列产品是为D型接口连接方式的信号传输设备而设计的，用于防止感应过电压对设备造成的损坏，传输系统包括EIA／DS485、V．24／RS232、V．11／RS422 等，保护方式采用全护方式，更适用于工业自动化和计算机通信的应用保护。

4.6  天馈信号浪涌保护器选用

高频馈线浪涌保护器是专为保护微波、移动基站，以及卫星信号接收器和有线电视设备而设计的，以防止因馈线感应过电压而对接收设备造成损坏。

以产品型号CET-DNT／CATV与CET-DSP为例，其主要指标是：接口为F、  F／F与N 、 FLl0；阻抗为75Ω 与50 Ω；传输功率Po为≤100W；工作频率（MHz）为45-870与DC-2000；驻波比为1.2；标称放电电流Isn(8／20us) 为 5kA；最大放电电流Imax（8／20 us ) 为10kA；保护水平Up为≤600V；插入损耗DB为0.5dB；防护级别为IP20；工作温度 -40—十85℃。

5  新型浪涌保护器在建筑内楼宇控制系统的中的应用

值此，仅以新型多种浪涌保护器在金融电子设备防雷应用中的设计为例作分析说明。

如今电子设备被广泛应用于金融网络的运行系统中。其系统电子设备雷电过电压及电磁干扰防护是保护通信线路、设备及人身安全的重要技术手段，也是确保通信线路、设备运行必不可缺少的技术环节，是银行系统金融电子化建设及运行管理工作的重要组成部分。为此，需制定供出一套完整而易于操作防雷设计和运行解决方案，从而达到使金融网络系统安全运行的效果。
设计依据 VDE675《过电压保护器》、GA73—1998《计算机信息系统防雷保安器》及IEC1312《雷电电磁脉冲的防护》等。

所采用的过电压保护产品可选FUGO公司制造的电源及通信信号的过电压保护器(SPD)。

5.2  防雷设计方案的基本架构

电涌保护器（SPD）是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手段。

系统的瞬态过电压保护设计,系统过电压保护必须运用电磁兼容原理将银行系统局部的防护归结到银行系统的整体雷电过电压保护；电子设备所处的建筑物作为一个欲保护的空间区域，从电磁兼容的角度出发，可由外到内分为几个雷电保护区，以规定各部分空间不同的雷电磁脉冲的严重程度；依据雷电保护区的划分要求，银行建筑物外部是直接雷的区域，在这个区域内的设备最容易遭受损害，危险性最高，是暴露区，为0区；建筑物内部及计算机房所处的位置为非暴露区，可将其分为1区、2区，越往内部，危险程度越低，雷电过电压对内部电子设备的损害主要是沿线路引入。保护区的界面通过外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成的屏蔽层而形成。电气通道以及金属管则通过这些界面，穿过各级雷电保护区的金属构件必须在每一穿过点做等电位连接。

进入银行大楼的电源线和通讯线应在建筑物内部及计算机房所处的位置为各安全区交界处，以及终端设备的前端。根据IECl3 12(雷电电磁脉冲防护标准)安装不同类别的电源类SPD，以及通讯网络类SPD。

5.3  选用和使用SPD注意事项

⑴　应在不同使用范围内选用不 同性能的SPD。在选用电源SPD时要考虑供电系统的形式、额定电压等因素，LPZ 0与LPZ 1区交界处的SPD必须是经过10／350us波形冲击试验达标的产品。对于信号SPD在选型时应考虑SPD与电子设备的相容性，SPD保护必须是多级的。例如对银行电子设备电源部分雷电保护而言，至少应采取泄流型SPD与限压型SPD前后两级进行保护。为各级SPD之间做到有效配合，当两级SPD之间电源线或通讯线距离未达规定要求时，应在两级SPD间采用适当退耦措施。建在城市、郊区、山区不同环境下银行营业网点，设计选用过压型SPD时，必须考虑网点供电电源不稳定因素，选用合适工作电压的SPD。

⑵　信号SPD应满足信号传输带率、工作电平、网络类型的需要，同时接口应与被保护设备兼容。信号SPD由于串接在线路中，在选用时应选取损耗较小的SPD。

⑶　为了保护网关，避免系统故障，应该使用电涌保护器。电涌保护器可安全地保护接口，防止电涌产生(由间接雷电流引起)，而且需安装在最接近被保护设备的地方。如为了保护ISDNS，总线、保护设备直接装在接近电子设备的DIN轨处，连接线直接在网关和NTBA连接，最后与等电位带联结(EB)。

⑷　供电系统的电涌保护

金融网络系统的供电系统通常位于配电板中间并且由低压电气装置提供电流。2级电涌保护器，应安装在配电板的供电区域。在这种装置内，这些位于230／400V电源的SPD为供电提拱了电涌保护。如果配电盘中的供电区域没有SPD，或仅仅是电源被保护，2级SPD必须直接安装在电源上端。

5.4金融网络设备的外部与内部防护措施

⑴　网络设备的外部防护首先是使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引人大地；其次是在将雷电流引入大地的时候尽量将雷电流分流，避免造成过电压危害设备；第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋作为不规则的法拉第笼，起到一定的屏蔽作用；第四是建筑物各点的电位均衡，避免由于电位差危害设备；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷击建筑物时接地点电位升高而损坏设备。

⑵　金融网络设备的内部防护，除了电源部分防护外应建立良好的接地系统,所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄人大地。所以，良好的接地系统是设备和人身安全的保障，也是限制地电位升高的手段。另外系统防干扰的屏蔽问题、防静电感应等都需要通过建立良好的接地系统来解决。网络系统设备接地电阻除另有规定外一般不宜大于4Ω，当采用公用接地系统时阻值不应大于1Ω。选择合适的<<S型等电位联结并接地>>联结方式，如图7所示。

这种接法中，PE线不仅保护接地，还是设备的信号接地线。因网络设备的工作频率高于工频，所以PE线具有较大阻抗，使得设备间信号线的噪声较高。此方法简单易行，常用于设备本身抗干扰能力较强而工作频率较低的场合。

6  结束语

设计和安装任何类型的信号系统时，设计师和建筑师不可避免地要为系统正常运行采取适当的措施，为了使大楼更舒适、安全，设备的高可靠性是一个前提条件。因此，必须安装电涌保护设备以避免雷击。在筹划阶段与专业安装时，从技术上和经济上考虑，这些设备能够以节约的方式保护建筑装置。