1.1 概述

随着经济的发展，高新技术在各行各业的推广应用，电子计算机与各类通讯设备之间已经实现了智能化联网。随着系统的完善，其取得的经济效益和社会效益逐步得到了体现。然而，频繁的雷害也已对许多设备的正常工作造成了一定的影响和危害，并给运行维护工作带来较大的压力，特别是对精密电子设备的损害造成的损失尤为巨大。
雷电对电气设备的影响，主要由以下四个方面造成：
1、 直击雷
直击雷蕴含极大的能量，电压峰值可达5000KV，具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中，巨大的雷电流沿引下线入地，会造成以下三种影响：
u 巨大的雷电流在数微秒时间内流入地下，使地电位迅速抬高，造成反击事故，危害人身和设备安全。
u 雷电流产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。
u 雷电流流经电气设备产生极高的热量，造成火灾或爆炸事故。
2、 传导雷
远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压，由室外电源线路和通信线路传至建筑物内，损坏电气设备。
3、 感应雷
云层之间的频繁放电产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压，峰值可达50KV。
4、 开关过电压
供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等，都能在电源线路上产生高压脉冲，其脉冲电压可达到线电压的3.5倍，从而损坏设备。破坏效果与雷击类似。
随着现代高科技的发展，精密仪器，通讯设备，数据网络的应用越来越广泛，因而由于感应雷造成的雷击事故也越来越多。直接造成了巨大的经济损失，而因重要设备损坏使网络陷入瘫痪后造成间接的损失更是惊人。
某污水处理厂位于新疆乌鲁木齐头屯河区，在生产厂区有用于全厂的仪表控制系统，该系统属于分布式网络，在强雷击情况下强电磁作用于信号通讯线及分布网线上损坏一次仪表设备和数据采集设备因此，本方案将以改污水处理厂仪表控制系统为保护对象，以对从系统外进出的电源、通讯线路、信号线入侵的雷电流进行泄放和拦截为手段，并以等电位连接为保证，从而形成一个多层的完整全面的防护体系。
鉴于信号防雷工程的特殊性，它有较大的难度和风险性，除需具备一定的电气业务知识外，还需具备通信防雷研究和设计方面的专业知识。因此，为了保证这次防雷工程的质量，南京菲尼克斯电气有限公司根据实际情况，提出了该污水处理厂项目保护设计方案。

1.2 项目概况

由于近年来大量采用了高可靠性的先进设备，信息系统的运行可靠性也极大地提高，而现代的通信设备对雷电也越来越敏感，为确保通信设备和人员的安全，使通信系统免受雷电或其它强电磁脉冲的干扰，以保证通信系统安全可靠地运行，需根据实际情况对防雷进行防雷接地改造。

1.3 设计依据

1） GB50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》
2） GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》
3） GB 18802.1-2002《低压配电系统的电涌保护器（SPD） 第一部分：性能要求和试验方法》
4） GBJ79-85 《工业企业通信接地设计规范》
5） GB50174-93《计算机房防雷设计规范》
6） GB9361-88 《计算机场站安全要求》
7） 现场勘查资料及建设单位提供的资料。
在设计过程中，我们主要考虑并应用了如下防护措施：
概括的说，当今电子设备的防雷手段，主要采用分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护五种方法。
分流：用避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地，防止雷电直接击在建筑物和设备上。
屏蔽：通信系统所有的金属导线,包括电力电缆、通信电缆和信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽，在信息系统建设中，利用建筑物钢筋网和其他金属材料，使机房形成一个屏蔽笼。用以防止外来电磁波（含雷电的电磁波和静电感应）干扰机房内设备。
等电位连接：机房内所有金属物体，包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳等金属构件进行电气连接，以均衡电位。
接地：在通信系统中，为保证其稳定可靠的工作、保护通信设备和人身安全，解决环境电磁干扰及静电危害，需要一个良好的接地系统。
过电压保护：电子设备的信号线、电源线上安装相应的过电压保护器，利用其非线性效应，将线路上过高的脉冲电压滤除，保护设备不被过电压破坏。主要的保护器件为氧化锌压敏电阻、二极或三极放电管、快速箝位二极管等，根据需要进行组合，形成完整的防雷保护器。
防雷设备的正确选择和应用，将直接关系到设备系统防雷的质量。如果选择不当，不但难于起到防雷的作用，甚至还会对通信造成不必要的影响，因此，设备的选型和应用将是至关重要。
1、 电源防雷器的选择和应用原则
考虑到设备电源负荷电流容量不大，为了安全起见及使用和维护方便，电源系统的多级防雷，原则上均选用并联型电源防雷器。
残压特性是电源防雷器的重要特性，残压越低，保护效果就越好。但考虑到我国电网电压普遍不稳定、波动范围大的实际情况，在尽量选择残压较低的电源防雷器的同时；还必须考虑防雷器有足够高的最大连续工作电压。如果最大连续工作电压偏低，则易造成防雷器自毁。
通信系统低压侧有不同的保护级别，应根据保护级别的不同，选择合适通流容量和电压保护水平的电源防雷器，并保证防雷器有足够的耐雷电冲击能力。原则上，每一级的交流电源之间连接导线超过25m以上，都应做该级相应的保护。
通信电源低压侧保护用的电源防雷器，应该选择有失效警告指示、并能提供遥测端口功能的电源防雷器，以方便监控、管理和日后维护。
电源防雷器必须具有阻燃功能，在失效、或自毁时不能起火；且必须具有失效分离装置，在失效时，能自动与电源系统断开，而不影响通信电源系统的正常供电。
电源防雷器的连接端子，必须至少能适应25mm²的导线连接。安装防雷器时的引线应采用截面积不小于25mm²的多股铜导线，建议使用 25mm²的多股铜导线，并尽可能短（引线长度不宜超过0.5m）。当引线长度超过0.5m时，应加大引线的截面积。引线应紧凑并排或绑扎布放。
电源防雷器的接地：接地线应使用不小于25～35mm²的多股铜导线，并尽可能就近与交流保护地汇流排、或总汇流排、接地网直接可靠连接。
根据防雷区的划分、雷击能量分布的状况、实际情况合理地设计各级电源防雷体系，并选择适当的防雷器。
附注：
l 防雷区的划分
根据IEC1312-1雷电电磁脉冲的防护标准，信息系统的防雷保护区分为四个区域，各区交界处应作相应的防雷处理。各区划分如下：
LPZ0_A区：直击雷作用区，处于建筑物避雷针系统保护区以外的区域，由于本区内所有物体均有可能遭受直接雷击，并可能导走全部雷电流；另外本区内所有物体均处于雷电电磁场强处，故对于雷电的感应强。
LPZ0_B区：感应雷主作用区，处于建筑物避雷针系统保护区内，但未经空间电磁屏蔽，雷电作用电磁场并不衰减，处于此空间的所用可导电物体均可感应较强雷电电磁脉冲。
LPZ1区：建筑物屏蔽区，本区内各物体不可能遭受直击雷，流往各导体的雷电流比0_B区进一步减小，本区内电磁场也可能会衰减，取决于建筑物的屏蔽措施。
LPZ2区：房间屏蔽区，对于计算机主机房所处空间，应采取屏蔽措施，以进一步减小空间电磁场的干扰。
当金属导线（电源线、信号线等）穿越不同的保护分区时，因电磁感应的作用，会产生较高的过电压，影响室内设备的安全。因此，需安装相应的过电压保护器，对设备进行保护。在不同的保护分区，所采用的防雷器级别是不同的。同时，需要作相应的等电位处理。
防雷保护分区和防雷器的分级应用如下图所示：


l 直击雷电流在电源系统的分配：
根据GB50057-94的标准对直击雷电流分类：
第一类 200KA 10/350μS
第二类 150KA 10/350μS
第三类 100KA 10/350μS

如图所示：
一个能量为200KA的直击雷，由整个系统的电源、管线、地网、通信网络线来分担。
由于雷击时的能量的本质部分集中在首次雷击波（10/350μS）对应的库仑量和焦耳量，是大量雷电荷的泄放，所以强制性国标GB50057-94(2000) 《建筑物防雷设计规范》的附录中把首次雷击波的参数（10/350μS）做为了雷击电流的参数，而8/20μS波形并非自然界具有的波形，它是一个测试波形。
IEC和IEEE的会员国包括了全世界大多数国家，现在可以明确建筑物的外部防雷装置遭到直击雷击和邻近雷击时，建筑物入口处选择的防雷器参数必须考虑雷击冲击电流Iimp(10/350μS),而在建筑物内的防雷器才可选择8/20μS的产品。
2、 通信设备接口保护器的选择和应用原则
通讯及信号防雷器的要求较高，为了不影响数据传输，选择的通讯及信号防雷器必须有国家或信息产业部认可的检验机构出具的检验合格报告。无检验合格报告的防雷器一律不准用在数据通信设备接口上作保护装置用。
通讯及信号接口防雷器通常串联在通讯线路中，选择和应用信号防雷器，必须以不影响数据传输为基本原则。
通讯设备接口种类繁多，传输速率各不相同。应根据接口速率，选择工作速率合适、物理接口合适的数据设备接口保护用防雷器。尽量少通过接口转接的方式来达到与通讯设备物理接口的相连，以免增加插损，影响信号传输。
对于速率较高的数据设备接口，应选择极间电容、漏电流、插损、驻波比尽可能小，响应时间尽可能快的信号防雷器。
通讯接口信号工作电压差异较大，为确保信号防雷器真正起到保护作用，应根据信号工作电压的不同，选择动作电压和限制电压合适的保护防雷器。
根据设备接口的抗雷电要求，应选择有足够大的耐雷电冲击能力的信号防雷器。信号防雷器的接地必须有可靠的接地连接线，该接地线应与被保护的通讯设备的地线就近可靠连接，接地线不应小于2.5mm²。

2.1设计范围

本设计包括：
l 电源防雷；
l 信号防雷；
l 信号防雷；
l 信号防雷；

2.2防电涌保护配置原则

浪涌保护器的配置应参照国家机械行业标准JB/T5894－91“交流无间隙金属氧化物避雷器使用导则”执行和国标“交流无间隙金属氧化物避雷器”相关要求；防雷器件的选择，应具有高通流容量，残压低，响应速度快，带浪涌识别，便于维护等优点。

2.3 防电涌保护配置说明

2.3.1电源保护

l 电源电涌保护器选用如下：
电源避雷器选用德国PHOENIX CONTACT公司的PT 2-PE/S-230AC-ST组合防雷器。


满足DINVDE0675-6：1989-11/草案的要求等级D
额定电压Un： 230 VAC
放电器设定电压Uc：253VAC
额定电流In/30℃：26 A
额定放电冲击电流Isn(8/20)µs： 5[kA]　
最大放电冲击电流Is　max(8/20)µs：10[kA]　
保护电平：1.5[kV]　
响应时间ta≤150ns
所需前置保险装置最大值：25A gL
温度范围：-40℃~+85℃
满足IEC529/EN60529的保护等级：IP20

2.3.2 信号避雷器

1. 4～20mA模拟量信号避雷器
采用PHONIX CONTACT PT 1*2-24VDC-ST

最大允许的工作电压Umax：28 V DC
额定电流In：450 mA
额定放电冲击电流Isn(8/20)：10 kA
在1kV/µs时的输出电压极限：　40 [V]-
时间响应ta：1[ns]-
每个通道中的电阻:2.2[Ω]
温度范围：-40℃至+85℃


2.Profibus避雷器
采用PHONIX CONTACT PT3-PB-ST(根据实际通讯总线确定)

C1, C2, C3, D1
5.2 V DC/3.6 V AC
450 Ma
10 kA/10 kA
20 kA<=15 V/<=15 V
- 40 °C至+ 85 °C
IP 20
3.视频信号防雷器
采用PHOENIX CONTACT C-UFB-5DC/E 75

IEC类别/VDE 规格等级 C2、C3
防雷器设定电压(最大持续工作电压)UC：5VDC
残余电压，在In时 ≤10V
在40℃时的标称电流IN 185mA/25°C
额定放电电流In(8/20)μs 10kA/10kA
保护等级，符合IEC60529/EN60529 IP20
残余浪涌电流(8/20μs) 10kA
切断频率fg(3dB)，在50Ω系统中（典型） 170MHz
输出电压阈值：在1kV/μs时 ≤13V/≤500V
输入衰减aI，在50Ω系统中（典型） 1.7dB至20MHz
响应时间ta ≤500ns/≤100ns
温度范围 -40°C至+80°C


4.控制信号防雷器
采用PHOENIX CONTACT PT 5-HF-5DC

额定工作电压 Un 5.2V
通频带 fG RL=100Ω/150 ≥70MHZ ★
冲击通流容量 Isn 8/20μs 10kA ★
插入损耗 Ae RL=100Ω ≤0.2dB
响应时间 Ta ≤500ns

2.3.3网络避雷器

最大允可工作电压Uc：11VDC
额定电流In：1.5A
额定放电冲击电流in(8/20)：2.5kA
1kV/µs时的输出电压限位：30V　对称/非对称（地）20V
响应时间ta：500ns
极限频率fg(3dB)： 100/150Ω系统中对称（典型）100MHz
温度范围：-40℃~80℃
符合IEC529/EN60529的保护等级：IP20

2.3.3信号隔离器

A:单片厚度6.2mm,
B:采用底部桥接供电,T-bus供电系统.
C:使用环境温度:-25到65度
D:隔离电压:1500V/1min
E:三端隔离:供电侧,输入侧,输出侧
F:传输误差:0.1%
G: 低功耗设计,单片只有40mW.

2.4 配置清单

序号	名称	型号
1	电源避雷器	PT 2-PE/S-230AC-ST
		PT-BE/FM
		25A前置熔短器
2	信号避雷器	PT 1*2-24VDC-ST
		PT 1*2+F-BE
3	网络避雷器	D-LAN-A/RJ45-BS1)
4	Profibus避雷器	PT3-PB-ST
		PT 1*2-BE
4	视频信号避雷器	C-UFB-5DC/E 75
5	控制信号避雷器	PT 5-HF-5DC-ST
		PT 2*2+F-BE
6	隔离器	MINI MCR-SL-I-I
		T-BUS