發電廠UPS電源系統的雷電防護

摘要：介紹了一種應用電源防雷箱于UPS電源及其終端負載設備，并采用均壓等電位連接實現的發電廠UPS電源系統的雷電防護方案。

關鍵詞：UPS電源；雷電防護

1 引言

發電廠電力專用UPS電源要求高可靠、零間斷，主要為機組監控計算機、機組控制儀表等重要負載提供穩頻、恒壓的交流電源，具有非常重要的作用。一旦UPS電源中斷，后果十分嚴重。但UPS電源及其負載設備的耐壓等級低、抗干擾能力差，另一方面由于其負載設備信號來源路徑增多，系統較以前更容易遭受雷電波的侵入，致使雷電災害頻頻發生。雷擊時所產生的雷電放電電流及電磁脈沖，以及雷電過壓會通過UPS的輸入電源電纜或信號線侵入至UPS電源系統，部分雷電流將由UPS輸入電源線對交流地線進行泄放，最終結果，將擊穿UPS輸出對地線和輸入對地線端，從而影響整個UPS系統的正常運行。為此，必須對UPS電源的輸入輸出對交流地和直流邏輯地進行保護，同時必須對機組監控計算機、服務器等重要終端進行保護，只有堵死一切雷電導入的端口，才能有效的保護設備系統免受雷電的侵害。

2 防雷保護原理

2.1雷擊分類

雷擊一般分為直擊雷擊和感應雷擊。

直擊雷擊——指雷電直接擊在建筑物、構架、樹木、動植物上，由于電效應、熱效應和機械效應等混合力作用，直接摧毀建筑物、構筑物以及引起人員傷亡等。由于直擊雷的電效應，有可能使機房微電子設備遭受浪涌過電壓的危害。

感應雷擊——指雷云之間或雷云對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體上產生感應電壓，該電壓通過傳導體傳送至設備，間接摧毀微電子設備。感應雷擊對微電子設備，特別是通訊設備和電子計算機網絡系統的危害最大，據資料顯示，微電子設備遭雷擊損壞，80％以上是由感應雷引起的。

2.2電源防雷箱作用

電源防雷箱是一種低壓電源的保護設備，主要由過電壓保護器構成。當市電因雷擊或其他因素引致產生高脈沖電壓時，將會損壞電路上的設備。電源防雷箱的功用，就是在最短時間內釋放電路上因感應雷擊而產生的大量脈沖能量到安全地線上，從而保護電路上用戶的設備。

以三相五線制系統為例，過電壓保護器并聯于三火一零對地線之間。在正常情況下，過電壓保護器處于高阻狀態。當電網由于雷擊出現瞬時脈沖電壓時，過電壓保護器在極時間內導通(納秒級)，將脈沖電壓短路到地泄放，從而保護用戶所有設備。當脈沖電壓過后，過電壓保護器又變成高阻狀態，從而不影響用戶設備的供電。

2.3等電位連接

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

等電位的主要做法，是用連接導線或過電壓保護器，將處在需要防雷的空間內防雷裝置、電氣設備、金屬門窗、電梯導軌、電纜橋架、各種金屬管線、及弱電系統的金屬部件(箱體、殼體，機架)等，相互焊接或連接起來，構成統一的導電系統，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，以消除感應過電壓產生，保護設備系統的安全。

3 UPS電源系統的防雷構成

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已由電廠建設時實施完成。因此，對于UPS電源系統的雷電防護，將重點放在UPS電源的輸入輸出及其負載端，電源防雷箱應用方案如圖一

3.1UPS電源的防雷保護

UPS不間斷電源，是為發電廠機組監控計算機、機組控制儀表等重要負載提供穩定、可靠和高質量的電能的重要設備，并且是由380V母線室市電供電輸入的，所以將電源系統防護的重點放在了對UPS不間斷電源的輸入端保護上。

在UPS電源輸入端實施串聯三級防雷保護，其原理如圖二所示。

第一級防護為粗保護，選用雷擊電流放電器，超低壓點火放電，快速響應并且與過電壓保護器直接配合，對直擊雷進行防護，吸收90％的大能量雷電流。第二級為細級保護，選用浪涌電壓雷電放電器，即半導體過電壓保護器，對雷電流進一步吸收；第三級為精細保護，徹底抵御和吸收雷電過電壓，最終全面保護設備。

圖二三相三級串聯保護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器7只組成第一級間隙放電回路，在V_DC1000伏時啟動工作，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，同時還可以抵御脈寬8×20μS波形，單相100KA雷害沖擊，總相700KA的雷電流。在第二級對應安裝JA-VAL230過電壓保護器7只，用來吸收FLT超低壓火花放電間隙型雷擊電源保護器的殘余電壓，每相抵御殘余雷電流40KA，總相280KA。在第一級與第二級防雷器件之間采用LT-120解耦器4只，延遲電路系統進行級間解耦，以達到在瞬態雷電流沖擊之下各級防雷器件分級啟動，使能量逐級衰減的目的。同理，在第二級保護之后，安裝第三級JA-VAL230過電壓保護器，在第二級與第三級防雷器件之間采用LT-120解耦器4只，延遲電路系統進行級間解耦。三級保護之后可以徹底吸收和全面抵御雷電過電壓對UPS電源的破壞。

解耦器是一種高頻抗飽和濾波器，主要對雷電波進行前衛濾波，并保證前級防雷系統與后繼系統進行有效的合理配合。解耦器在沒有雷電時候，對工頻電壓、電流均不產生損耗，當雷電侵襲時產生無限的阻尼作用，當雷電過后立即恢復。

3.2UPS電源負載設備的防雷保護

考慮從UPS電源至其終端負載設備有一定距離，而感應雷害又無孔不入，同時因考慮到電網的浪涌可能帶來對設備的沖擊，采用與以上相同的防護機理，在機組監控計算機等每一臺終端設備電源輸入端，分別安裝一臺FLX-3KVA電源防雷箱，實施對終端用電設備的防雷保護，以確保UPS電源負載設備的安全運行。

3.3信號線的防雷

由戶外架空傳輸線路直接引入熱控室的信號專線，與機組監控計算機相連。通常這部分信號線路是最易將雷擊引入室內擊壞設備的，是機組監控計算機等設備防護的重點，因此在與這些信號進線相連接的設備進口處，采用數據信號防雷模塊作為保護器件，采用兩級保護，具有插損小，殘壓低，響應速度快的優點，可有效地對戶外信號線路引入的雷擊起到攔截作用。

3.4接地系統

防雷器件首先起到的作用是對雷電流的吸收和泄放作用，同時也是一種“等電位連接器”。所有的防雷產品器件的防護原理均是在雷擊發生的瞬間，迅速啟動響應，保證設備、建筑物和大地之間構成一等電位體，從而避免過電壓的破壞，實現均壓等電位的關鍵就是整個機房的地線系統，它在系統防雷中非常重要。

據IEC1024標準，機房交流工作接地、安全保護接地、直流工作按地、防雷接地等四種接地宜共用一組接地裝置。由于某些計算機設備的工作狀態差異不同，接地系統共地很難實現時，應該采用等電位理論，達到瞬間等電位方式，常態獨立接地方式，即機房接地系統與其他交流地、安全保護地、防雷地進行軟連接。

3.4.1接地裝置與均壓等電位連接

采用串聯三級防雷箱，要求UPS電源輸入為三相四線制，輸出為三相五線制，可保證中線對地線電壓小于1V，地線與大樓避雷系統接地網相連，計算機監控機房應做等電位連接，安裝均壓等電位帶。

計算機監控機房的各種地線問及地線與熱控室建筑結構的主鋼筋之間，必須進行有效的連接，即全部采用共用接地系統，當雷電引起地電位高壓反擊時，整個大樓及機房呈現系統等電位，防雷系統呈現工作狀態，保證UPS電源系統的安全。均壓等電位帶的實施，是在計算機監控機房的地板下設均壓等電位地線帶，以30mm×3mm的紫銅帶，在各室內分別形成網型(M型)結構的均壓等電位帶。且作好此帶的絕緣支撐，最終以星形(S型)形式與計算機監控機房的直流邏輯地線接通，另外熱控室UPS供電系統電源插座及信號地均在最近的距離內與均壓等電位帶相連，避免因設備之間產生電勢差而造成設備損壞。

3.4.2線路屏蔽與均壓等電位連接

由于感應雷擊很多是由于傳輸線路在磁場中切割磁力線產生感應高壓，使計算機系統遭到破壞，對傳輸線路采取屏蔽措施，是降低感應雷擊破壞的有效方法。但計算機監控機房內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，使每根護管兩端有效接地，并與均壓等電位帶連接，最大限度的減少感應雷擊侵入的渠道。

4 結束語

采用三相三級串聯電源防雷箱和均壓等電位連接的方法，對UPS電源及其終端負載設備進行雷電防護，較好地解決了發電廠UPS電源系統的防雷問題，具有很好的應用前景。

參考文獻：

[1]《電磁兼容原理與設計》，王定華，電子科技大學出版社，1995

[2]《智能建筑的接地技術》，王佳.電氣＆智能建筑雜志，2002年6月

[3]《雷電防護是系統工程》，張力欣.電氣設計與設備2002年第4期