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雷电对UPS电源的危害及避雷器选型

发布于：2015-06-17 13:26:17 来自：电气工程/防雷减灾 [复制转发]

　　计算机信息系统和其它信息系统在各行各业的应用越来越广，越来越多的重要数据、文字和图像要由信息系统来处理和存储，而信息系统的电气电子设备都离不开可靠的电源，如果在工作中突然停电，则会导致所存储数据和程序的丢失或损坏，从而造成巨大的经济损失。因此，可以提供高质量不间断的交流电源的UPS（UninterruptiblePowerSystem），逐渐成为大型微电子关键设备的必备设备。UPS电源被广泛用于为通信系统，计算机信息网络系统及电力电子设备等提供可靠安全的不间断供电电源，比如象金融系统网络数据中心机房，安全监控系统机房等都配备了UPS电源。当雷电来临时，UPS电源能否在正常运行的同时又可确保其所处系统的防雷安全。本文基于UPS电源的基本工作原理及其特点，对雷电对UPS电源的侵害进行分析，并提出UPS电源系统的雷电防护措施。
　　
　　二、UPS电源概述
　　
　　1、UPS电源的基本工作原理
　　
　　UPS电源的主要工作过程是滤波—整流—逆变，另外还包括像充电器及蓄电池、锁相同步网络、交流旁路供电通道、微处理器、通信接口等一些辅助工作的单元。
　　
　　2、UPS的类型及其特点。从主电路结构和不间断供电的运行机制来看，目前技术成熟并已形成产品的各种UPS主要有3大类：（1）后备式UPS；后备式UPS的特点是转换效率高，当市电供电正常时，逆变器处于停止工作状态，负载上得到的是经过简易稳压处理的市电，只有在市电供电不正常时，逆变器启动，向负载供电。其噪声低、价格比较低廉。（2）在线互动式UPS；在线互动式产品属UPS的中间型产品，具有稳压精密、运行稳定、智能化和安全保护等特点。因此它既具有后备式转换率高、可靠性高的优点，又具有在线式供电质量高、转换时间短的优点，且价格适中。（3）在线式UPS（又可分为：双变换在线式UPS和双向变换串并联补偿在线式UPS两种）；在线式UPS的特点是在正常情况下无论有无市电，它总是由UPS的逆变器对负载供电，这样就避免了所有由市电电网电压波动及干扰带来的影响，真正实现了对负载的无干扰、稳压、稳频供电，且在由市电供电转换到蓄电池供电时，无转换时间。因此，其供电输出的电源品质高，保护性能最好，但是结构复杂，成本相对较高。
　　
　　当今的UPS已在大量引进微处理器监控技术的基础上发展成为一种智能化UPS。同时，为更好地适应网络环境的要求，UPS的智能网络功能正向以简单网路管理协议为标准的广域管理结构发展。这样，微电子设备在UPS上的应用愈来愈广泛。
　　
　　三、雷电对UPS电源的危害
　　
　　由2讨论可知，UPS是强电与弱电相结合的精密电子设备，其构成中除大功率的电力元件外，还包括CPU板、逻辑控制板、整流器控制板、逆变器控制板等微电子控制部件。UPS微电子控制部件的主要元器件是各种集成电路(IC)，而IC对电磁环境的要求较高，当IC处于幅度为0.3GS(高斯)的电磁脉冲环境下，会使机器发生误动作，电磁脉冲幅度为0.75GS时，IC元件会出现假性损坏，幅度为2.4GS时，IC元件将出现不可逆永久性损坏。对于微电子设备来讲，危害最大的是雷电电磁脉冲，它无孔不入，隐含杀机。
　　
　　UPS电源不能阻挡雷电流的侵害，原因有以下三个方面：
　　
　　1、UPS安装在重要设备的前端，所以当雷电直击到低压电源线或在电缆上产生感应雷电时，电源导线上的过电流过电压经过配电系统，首先冲击UPS，而UPS稳压范围一般单相在160~260V，三相在320V~460V之间。要防止瞬间10~20kV的雷电冲击波的过电压幅值是不可能的，因此当雷击来临时，它最先受到雷电流的冲击。
　　
　　2、内部安装有防雷器件的UPS分为两种类型：1）装有不合标准的防雷器件的UPS。这类是生产厂家为了节省成本，只是象征性地装一组小功率的金属氧化锌压敏电阻MOV，只能对很小的感应雷电有一定的防护作用。2）部分进口UPS及国内著名UPS厂生产的UPS，是根据国际IEC801-5的标准（抑制吸收电源供电线路输入端的雷电电压及电流的强浪涌，其冲击电流为20kA，冲击电压为6kV，波形为8/20μs），安装有标准的防雷器件。而这一类UPS是否能完好的保护UPS本身，并达到保护其它后续电源及设备免遭雷电侵害的目的，经长期的监测的统计资料表明，直击雷在一般低压架空线路产生的过电压幅值高达100kV，电信线路高达40~60kV。感应雷电过电压幅值在无屏蔽架空线上最高幅值达到20kV，无屏蔽地下电缆可达10kV，由此可知，即使装有标准防雷器件的UPS，在其电源线路前端（配电室、房、柜及箱）没有加装有效的高能量防雷器件，这类UPS同样会遭到雷击损坏。
　　
　　3、智能化的UPS中，信号接口或远程控制用通信线接口，有的没有装浪涌电路，有的仅装有小功率的浪涌抑制电路，均无法防止感应雷击，因此其信号或通信线接口也成为雷电波侵入的主要渠道。
　　
　　综上分析，没有安装防雷器件的UPS，可以说是没有防雷功能，只能对市电网过电压或很小的杂散电流起到电源净化和保护的作用。当雷击来临时，它本身首先被击坏；内装防雷器件的UPS，也不能完善地保护其自身，并达到保护其它设备的电源免遭雷电侵害；从架空电源线和信号线上侵入的直击雷过电压和感应雷过电压，是造成智能型UPS损害的主要原因。因此，加强对UPS电源的雷电防护措施是十分必要的，同时也具有重要的现实意义。
　　
　　四.UPS电源的雷电防护
　　
　　直击雷、感应雷和雷电电磁脉冲等都有可能对UPS电源造成损害，因此要做好UPS的防雷就必须严格遵守《建筑物电子信息系统防雷技术规范》综合防雷系统的要求，做好以下几点：
　　1、要将外部防雷措施和内部防雷措施统筹兼顾，全面规划，切实做好接地和等电位连接。完善设备所在建筑物外部防雷系统，按照国标《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94（2000年版）），安装接闪器，引下线以及防雷接地网等设施。做好机房接地，根据国标《电子计算机房设计规范》（GB50174-1993），交流工作地、直流工作地、安全保护地、防雷接地宜共用一组接地装置，其接地电阻按其中最小值要求确定；如果必须分设接地，则必须于两地之间加装等电位共地联结器。
　　
　　2、要采取多级防护措施。所谓多级防护就是按照电磁兼容的原理，分层次地对雷电流进行削弱，在动力线进户配电柜、楼层配电柜以及机房进户配电盒，安装适配的避雷器。对于有信号或通信接口的UPS，为防止雷电波从信号或通信线引入，必须在信号或通信线接口处加装相应的信号避雷器。雷电防护的中心内容是泄放和均衡，泄放将雷电流尽可能多的、尽可能远的是泄放于地，而拒之于通信系统之外。均衡是减小雷电流在诸导电物体上产生的电位差，防止雷电流的反击。
　　
　　3、UPS电源的安装位置要讲究。依据国际电工委员会ICE1312一1((雷电电磁脉冲的防护》的建筑物分区方法，UPS电源机房属LPZ1区，在本区内的物体不可能遭受直接雷击，在本区内的电磁场有可能衰减。就是UPS电源应安装在LPZ1区内，同时，为防范雷电流产生的强电磁场干扰，UPS电源放置离墙应有一定的距离，与外墙立柱钢筋引下线的距离≥0.83m，即设备处在雷电流磁场的安全区内。并把机器外壳屏蔽接地，机柜门用导线与地加强连接，机柜内成为LPZ2区。
　　
　　4、避雷器（SPD）的选型与安装
　　
　　避雷器应选用质量可靠，性能优良，并经相关部门备案的产品。
　　
　　1、选择SPD，要满足以下三条基本要求：1）安装SPD之后，在无电涌发生时，SPD不应对电气（电子）系统正常运行产生影响。2）安装SPD之后，在有电涌发生的情况下，SPD能承受预期通过的雷电流而不损坏，并能箝制电涌电压和分走电涌电流。3）在电涌电流通过后，SPD应迅速恢复高阻状态，切断工频续流。
　　
　　2、一般，将SPD安装在被保护设备以及UPS前端，SPD所有连接导线应尽可能短，特别是接地线，其长度不宜大于0.5m。所有连线应规整，平直，线径应符合表4-1的要求：
　　

保护级别	SPD的类型	导线截面（mm2）
SPD连接相线铜导线	SPD接地端连接铜导线
第一级	开关型或限压型	16	25
第二级	限压型	10	16
第三级	限压型	6	10
第四级	限压型	4	6

　　　　注：混合型SPD参照相应保护级别的截面积选择。
　　
　　 五、结语
　　
　　随着UPS电源智能化程度的不断提高，UPS电源已不仅仅是一台电网断电后可以继续为负载供电的整机产品，而是一个局部的高度可靠，性能齐全、高智能化的供电中心，对于保证信息网络的数据安全和畅通有着非常重要的作用，做好UPS电源的雷电防护工作则具有重要的现实意义。
　　
　　UPS电源系统的雷电防护，是一项技术性、专业性很强的工作，最好在相关部门和专业技术人员的指导下进行。要注意全面系统地考虑问题，接闪、屏蔽、接地、等电位、分区防雷等各项因素应综合考虑。随着UPS技术的不断发展，必将对UPS电源系统的防雷提出更高的要求。

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