Lufft 产品防雷安装指导

Lufft产品的防雷安装指导

路赋德（上海）测控技术有限公司    孙名奎

• 术语

接闪器：接闪器就是专门用来接收直接雷击（雷闪）的金属物体。避雷针是常见的独立接闪器。

引下线：引下线指连接接闪器与接地装置的金属导体。防雷装置的引下线应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定的要求。常见的引下线用40*4mm的镀锌扁铁。

屏蔽线：导体外部有导体包裹的导线叫屏蔽线，包裹的导体叫屏蔽层，一般为编织铜网或铜泊（铝），屏蔽层需要接地，外来的干扰信号可被该层导入大地。

双绞线：双绞线(Twisted Pair Cable)是由两根相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕在一起而成的网络传输介质。双绞线不仅可以抵御一部分来自外界的电磁波干扰,也可以降低多对绞线之间的相互干扰。

• 雷电保护措施

    雷击有直击雷和感应雷。直击雷是雷电直接击中物体，感应雷则是当雷电击中地表物体时，由于闪电电流具有极大的时间变化率，因而可以在雷电通道附近的所有导体上产生强大的过电压和脉冲电流，进而造成损坏。在雷电防护方面，直接雷比较好防护，而感应雷不易被防护，感应雷所产生的强大电荷冲击，易导致设备损坏。

（一）直击雷的防护

        直击雷防护是防止雷闪直接击在建筑物、构筑物、电气网络或电气装置上。直击雷防护技术以避雷针、避雷带、避雷网、避雷线为主要，其中避雷针是zui常见的直击雷防护装置。当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变，在避雷针的顶端，形成局部电场强度集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。避雷针冠以“避雷”二字，仅仅是指其能使被保护物体避免雷害的意思，而其本身恰恰相反，是“引雷”上身。

        良好的直击雷防护措施能将50%以上的雷电流引入大地，释放掉巨大的能量，对感应雷也能起到强大的抑制作用。

        对于Lufft的产品而言，遭受到直接雷zui多的场合就是风机和测风塔，这主要是因为安装的相对位置比较高引起的。同时，需要注意的是：由于位置较高，仅仅通过正上方的避雷针进行引雷放电是没有办法保护设备的。像测风塔一般都70米以上，当雷暴云较低时，雷电会从侧面绕过避雷针从而击毁设备。所以，有必要在测风塔的侧面，每个设备正上方0.5米左右安装横臂接闪杆引雷，横臂必须超出设备1米以上（见图一 红色线所示）。除此之外，还应该给设备安装“避雷环”以保护设备（见图二 所示）。某些场合下,风机上的Ventus或V200A，也是需要加个“避雷环”防雷。

        以上所有的接闪器和避雷环必须要有良好的接地，接闪器必须通过引下线连接到接地装置，这是因为塔体是一段一段拼接起来的，导电的电气特性不佳。避雷环可以通过塔体连接到接地装置（塔体必须要有良好的接地）。

   图一  测风塔                          图二 避雷环

（二）感应雷(又称感应过电压) 保护

        感应雷也称为雷电感应或感应过电压，根据产生的原理不同分为：静电感应雷和电磁感应雷。

        静电感应雷是在带电积云接近地面时，由于单一雷云带电的单极性，总是会在附近的金属导体上感应出大量的反极性束缚电荷。而金属导体远离带电积云端会相应产生与雷电同级性的电荷，从而在金属导体与雷云之间，以及金属导体自身产生出很高的静电电压（感应电压），其电压幅值可达到几万到几十万伏。当电路板或电子元件的电位和附近某一物体的电位之间呈现的电场强度（由其电位差和距离决定）超过二者之间介质的击穿强度时，静电便会突然泄放（即静电荷转移），产生静电放电。这种过电压往往会造成元器件、导线、接地不良的金属物导体放电而引起大电流，并伴随电火花、声、热、电磁辐射等，从而容易引起电击、火灾、爆炸，危及人身安全或对供电系统造成危害。

        电磁感应雷：由麦克斯韦电磁理论可知：变化着的电场伴随变化着的磁场，变化着的磁场也伴随变化着的电场。因此，电磁感应雷是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的。这种电磁感应雷对建筑物内的电子设备造成干扰、破坏，又或者使周围的金属构件产生感应电流，从而产生大量的热而引起火灾。

 1、雷电屏蔽

        为了降低雷电中电磁脉冲对设备带来的损害，应该将所有的线缆换成屏蔽线缆。同时，所有线缆从控制箱到设备都要经金属穿线管走线，穿线管应该沿着测风塔的内部敷设，而针对两穿线管的连接处理则应该使用跨接处理，跨接处理将使用16mm以上的铜芯线来进行使用，进而保障穿线管具有良好的电气连通效能。WS系列传感器设备传输线屏蔽层仅在控制箱端制作可靠的电气接地处理（单点接地）。此外，我们还应该注意在穿线管或屏蔽槽每隔20m的位置就进行一次可靠电气连接处理（多点接地）。

2、线路的浪涌防护措施

　　为了尽可能降低雷电过电压对设备造成的损坏度，必须在设备传输线上安装质量过硬的涌浪保护装置，进而对雷电的过电压进行规避防护。建议采用Lufft的浪涌保护器，它可以同时提供电源和信号的浪涌保护。

3、机箱的布局

　　所有的设备供电电源、开关、浪涌保护装置、数据采集器等都放置在机箱内，所以对于机箱的内部布局除了考虑走线方便外，还要从降低人为制造噪声干扰方面考虑。下图是常见的“四区域”布局图示。

图三 四区域布局

    四区域布局遵循以下原则：

• 所有进出机箱的线必须要进行保护；
• 将线缆分为：高电压和低电压；
• 机箱的底板必须良好接地；
• 将机箱划分为：受/未受保护的高电压，受/未受保护的低电压，4个区域。

　　机箱底板接地可以通过16mm2的线就近接到风塔或立杆，此时要求风塔或立杆有着良好的接地！如果风塔或立杆本身没有良好的接地措施，机箱底板可以通过引下线接到接地装置！

（三）接地装置

　　接地装置是指埋设在地下的接地电极与由该接地电极到设备之间的连接导线的总称。接地装置也称接地一体化装置，是把电气设备或其他物件和地之间构成电气连接的设备。接地网的布局可以参考下图四。接地装置与引下线和塔体或立杆的连接要做防锈处理，并连接牢固，采用焊接或螺丝对敲的方式。

图四 接地网布局

• 屏蔽双绞线的使用

　　在一些场合，由于设备自带的线缆不够长，就需要延长。在选择延长线时，尽量选择屏蔽双绞线，并且延长线屏蔽层要与自带线的屏蔽层连接。下图展示的是各种线缆抗干扰的能力。

图五 不同线束抗*力比较

（一）屏蔽和双绞线的原理

　　屏蔽布线系统源于欧洲，它是在普通非屏蔽布线系统的外面加上金属屏蔽层，利用金属屏蔽层的反射、吸收及趋肤效应实现防止电磁干扰及电磁辐射的功能，屏蔽系统综合利用了双绞线的平衡原理及屏蔽层的屏蔽作用，因而具有非常好的电磁兼容（EMC）特性。

　　电磁兼容（EMC）是指电子设备或网络系统具有一定的抵抗电磁干扰的能力，同时不能产生过量的电磁辐射。也就是说，要求该设备或网络系统能够在比较恶劣的电磁环境中正常工作，同时又不能辐射过量的电磁波干扰周围其它设备及网络的正常工作。

屏蔽电缆的屏蔽原理：不同于双绞的平衡抵消原理，屏蔽电缆是在线的外面加多一层或两层铝箔，利用金属对电磁波的反射、吸收和趋肤效应原理（所谓趋肤效应是指电流在导体截面的分布随频率的升高而趋于导体表面分布，频率越高，趋肤深度越小，即频率越高，电磁波的穿透能力越弱），有效的防止外部电磁干扰进入电缆，同时也阻止内部信号辐射出去，干扰其它设备的工作。实验表明，频率超过5MHz的电磁波只能透过38μm厚的铝箔。如果让屏蔽层的厚度超过38μm，就使能够控制透过屏蔽层进入电缆内部的电磁干扰的频率主要在5MHz以下。而对于5MHz以下的低频干扰可应用双绞线的平衡原理有效的抵消。

　　屏蔽电缆抵抗外界干扰主要体现在：信号传输的完整性可以通过屏蔽系统得到一定的保证。屏蔽布线系统可以防止传输数据受到外界电磁干扰和射频干扰的影响。电磁干扰（EMI）主要是低频干扰，马达、荧光灯以及电源线是通常的电磁干扰源。射频干扰（RFI）是高频干扰，主要是无线频率干扰，包括无线电、电视转播、雷达及其他无线通信。

　　对于抵抗电磁干扰，选择编织层屏蔽zui为有效，也就是金属网屏蔽，因其具有较低的临界电阻（Lufft的产品大都使用在电磁干扰较多的地方，这也是为什么Lufft都使用了金属网屏蔽层的原因）。而对于射频干扰，金属箔层屏蔽zui有效，因为金属网屏蔽所产生的缝隙可使得高频信号自由地进出。对于高低频混合的干扰场，则要采用金属箔层加金属网的组合屏蔽方式，这样可使得金属网屏蔽适用于低频范围的干扰，金属箔屏蔽适用于高频范围的干扰。

双绞线的原理：把两根绝缘的导线互相绞在一起，干扰信号作用在这两根相互绞缠在一起的导线上是一致的（这个干扰信号叫做共模信号），在接收信号的差分电路中可以将共模信号消除，从而提取出有用信号（差模信号）。双绞线的作用就是使外部干扰在两根导线上产生的噪声相同，以便后续的差分电路提取出有用信号，差分电路是一个减法电路，两个输入端同相的信号（共模信号）相互抵消（m-n），反相的信号相当于x-（-y），得到增强。理论上，在双绞线及差分电路中m=n，x=y，相当于干扰信号被*消除，有用信号加倍，但在实际运行中是有一定差异的。

（二）屏蔽线的连接方法

1、单层屏蔽线

　　一般情况下，单层屏蔽线的一端接地，另一端悬空 。因为当信号线传输距离比较远的时候，由于两端的接地电阻不同或PEN线有电流，可能会导致两个接地点电位不同，此时如果两端接地，屏蔽层就有电流行成，反而对信号形成干扰，因此这种情况下一般采取一点接地，另一端悬空的办法，能避免此种干扰形成。

2、双层屏蔽线

　　zui外层屏蔽两端接地是由于引入的电位差而感应出电流，因此产生降低源磁场强度的磁通，从而基本上抵消掉没有外屏蔽层时所感应的电压；而zui内层屏蔽一端接地，由于没有电位差，仅用于一般防静电感应。下面的规范是的佐证！

    《GB 50217-1994电力工程电缆设计规范》——3.6.8 控制电缆金属屏蔽的接地方式，应符合下列规定：

　 （1）计算机监控系统的模拟信号回路控制电缆屏蔽层，不得构成两点或多点接地，宜用集中式一点接地。

　 （2）除（1）项等需要一点接地情况外的控制电缆屏蔽层，当电磁感应的干扰较大，宜采用两点接地；静电感应的干扰较大，可用一点接地。双重屏蔽或复合式屏蔽，宜对内、外屏蔽分别用一点、两点接地。

   （3）两点接地的选择，还宜考虑在暂态电流作用下屏蔽层不致被烧熔。

3、提高单层屏蔽线的防护能力

    《GB50057-2000建筑物防雷设计规范》——第6.3.1条规定：……当采用屏蔽电缆时其屏蔽层应至少在两端等电位连接，当系统要求只在一端做等电位连接时，应采用两层屏蔽，外层屏蔽按前述要求处理。其原理是：一、单层屏蔽一端接地，不形成电位差，一般用于防静电感应。二、双层屏蔽，zui外层屏蔽两端接地，内层屏蔽一端等电位接地。此时，外层屏蔽由于电位差而感应出电流，因此产生降低源磁场强度的磁通，从而基本上抵消掉没有外屏蔽层时所感应的电压。

这也是前面“雷电屏蔽”章节中讲到的，为什么传输线要穿管的原因！？金属穿线管相当于给传输线人为加一层屏蔽层（外层）。

4、Lufft系列产品屏蔽层的接法

• 结束语

　　气象传感器，通常安装在室外，一些容易受雷击的地方，因此防雷措施极为关键，两种不同的雷击方式应该采取针对性的防护措施，进而大大提高设备的防雷能力。

　　同时，我们也要尽量从客户那里了解设备的使用环境，为客户提供有价值的、有针对性的指导和建议！