浅谈系统防雷工程

    防雷是一个系统工程，从防雷设计到与系统配合，从关联试验到现场运行，存在着许多需要试验验证问题，只有进行了充分的可靠性评估，才能保证系统在雷击和恶劣的供电条件下正常运行，将故障率降到最低。但是，对系统防雷的可靠性评估，是一项复杂、繁琐的工作，需要通过许多试验来进行验证，甚至需要对现场雷击损坏的产品进行剖析，才能获取产品存在的缺陷。所以，对于系统防雷的可靠性评估，需要从系统设计方案开始就提前介入，这样可以全面考虑系统将面临的雷击问题。下面，就如何进行系统防雷的可靠性评估谈谈个人的看法。

    1、对系统的应用场景进行评估

    需要对系统应用场景进行详细的评估，了解系统前端的防雷配置和接地情况，分析系统可能遭受雷击的原因；

    2、对将要采用的保护电路进行评估

    针对不同防雷要求的系统，应该采用不同的保护电路。需要对保护电路的保护效果、关联影响等各种因素进行评估；

    3、对选择的防雷元器件进行评估

    如何选择合适的防雷元器件，是实现可靠防雷保护的关键。首先所选的防雷元器件应该满足布板面积、高度的要求；其次在通流能力、残压等方面需要满足系统的判据要求；最后需要对使用的防雷元器件，在高温、高湿（系统运行条件）方面，失效保护方面进行全面评估，从而保证系统的正常运行；

    4、对防雷与系统整体配合的评估

    对于防雷与系统整体的配合，需要进行相应的试验验证，可以重点关注下面各项试验验证的要求。

    对防雷元器件和系统进行试验验证，是保证系统防雷安全可靠的一个重要环节。试验验证将一一对应防雷元器件和系统的关键技术指标进行测试。下面是试验验证需要进行的验证项目：

    1、防雷元器件的通流能力

    根据不同系统的防雷等级要求，选择的防雷元器件也有所不同，例如：在浪涌4kV以下的系统，防雷元件可以选择TVS，就能够满足系统的测试要求；6kV/3kA以上可选20D的压敏电阻或TMOV（包括简易TMOV）；5kA以上应选用脱扣模块、TMOV、多间隙放电管等。

    2、防雷元器件的耐高低温、高湿特性

    按照目前系统运行的实际环境，根据各系统不同的要求，对在其系统中使用的防雷元器件进行相应的高低温、湿度的试验。例如：在RRU的环境试验中，系统内部的实际运行温度已经达到了90°左右，这就要求安装在系统内部的防雷元器件能够在90°温度的条件下正常运行。根据高温试验的要求，防雷元器件需要进行1000小时的高温试验，才能确定防雷元器件在高温条件下的使用寿命。

    3、防雷元器件的抗雷电冲击能力

    在系统内部使用的防雷元器件，如果没有特殊要求，应该重点关注防雷元器件的额定通流能力，并且需要留出一定的余量，只有这样才能保证系统在遇到雷击和过电压时，只要不出现强雷击等状况，系统都能够正常运行。例如：系统电源端口的防雷能力要求满足20kA时，我们在选择防雷元器件时，首先要求防雷元器件需要满足系统的试验冲击次数，现在提出的要求是20次，这对防雷元器件的标准额定冲击次数15次（国标、行标都是按照15次的要求制定的）的要求本身就提高了，也就是说防雷元器件必须提高耐冲击能力才能满足要求，所以防雷元器件的额定通流能力就必须提高，并且有一定的余量。

    4、防雷元器件的安全性评估

    防雷元器件除了需要保护系统免遭雷击、过电压的损坏，还需确保在自身损坏时，能够安全脱离电源系统，避免发生因防雷元器件失效引起燃烧、爆炸等导致系统损坏的故障。所以，对所选用的防雷元器件一定要进行热稳定试验、大电流脱扣试验、工频耐受试验和阻燃试验等等。例如：当系统额定工作电流为63A时，在考虑系统短路电流＞63A的前提，对所选用的防雷元器件做大电流脱扣试验时，应该选择75A、100A的电流等级上进行。如果电源输入端口配置有空开的话，大电流脱扣试验的电流需要大于等于空开的额定电流。

    5、防雷元器件外形结构的评估

    安装在系统内部PCB板上的防雷元器件，外形结构将直接影响占板面积、安装空间和通流能力等等，应尽量避免防雷元件采用平铺叠层的安装模式，因为采用平铺叠层安装，很容易造成单只防雷元件击穿损坏起弧时，将叠在一起的其他防雷元件烧坏，出现短路燃烧损坏系统。所以应尽量选择独立带有失效保护的防雷元器件。例如：在通流能力要求比较大的系统中，由于受到高度限制，不能够采用脱扣模块或TMOV，就选择压敏电阻元件进行多个并联方式，平铺叠层安装在系统的电源板上，来满足高度和通流的要求。这种保护模式存在主要问题是上面描述的状况，另外在失效保护方面也存在保险丝的匹配问题。所以，在这种情况下，应尽量考虑选择能够满足要求的模块化防雷元器件。

    6、不同防雷元器件的选型

    防雷元器件的选型是按照安全、可靠、经济、适用的原则，根据系统对防雷的不同要求来选择不同的防雷元器件。从安全可靠的角度出发，在系统内部使用的防雷元器件尽量选用自带失效保护功能的防雷元器件。例如：带脱扣功能的防雷模块、带温度保险丝的TMOV或简易TMOV、带脱扣功能的多间隙放电管等。

    7、系统防雷的试验验证

    系统防雷的试验验证是一项针对性、关联性很强的工作。试验主要针对系统可能遭受雷击各种环境条件和雷击强度。进行试验时，需要尽量模拟现场可能遇到的各种情况，按照系统能够承受的额定通流能力进行冲击，从冲击试验中出现的问题查找原因，确定改进方案。例如：系统进行通电和断电、接地与不接地等等的雷击试验，用以检验系统可能发生的雷击故障。

    1、高温、高湿的加载试验

    防雷元器件在完成规定试验后，需要对防雷元器件的基本参数进行测试，要求防雷元器件的基本电气参数不发生变化或变化的数据不超过限定的范围。例如：压敏电阻的压敏电压变化率不超过±10%、陶瓷气体放电管的直流点火电压不超过±20%以及外形不发生变形等等。

    2、雷电的冲击试验

    根据防雷元器件的额定通流能力，按照相关标准，对其实施规定次数的冲击试验，冲击试验完成后对防雷元器件基本参数进行测试，要求防雷元器件的基本电气参数不发生变化或变化的数据不超过限定的范围。例如：压敏电阻的压敏电压变化率不超过±10%，如果出现个别样品（根据试验样品数量而定）超标，或者出现个别样品损坏，则需对产品加倍抽样进行试验；第二次试验再发生上述情况则判定产品不合格。

    3、热稳定和大电流试验

    防雷元器件进行热稳定和大电流试验，主要考核防雷元器件的安全性，热稳定试验主要针对防雷元器件在运行使用过程中发生劣化时，能否安全与系统脱离；大电流试验主要针对防雷元器件在系统发生电力故障时，如果出现损坏能否安全与电源系统安全脱离。所以，在进行热稳定和大电流试验中，只要防雷元器件出现燃烧、爆炸等现象，就可以判定产品不合格。对测试结果有疑问的，可以采用加倍抽样来进行试验验证。

    4、系统的雷击试验

    系统进行雷击试验，是根据系统运行状况来判定是否满足要求，在试验过程中，只要不出现超过判据要求的故障现象，即可认定为满足要求。但是，在系统做雷击试验时，会存在许多不确定因素，需要进行试验验证来进行确认。例如：系统在进行10kA以上的雷击试验时，由于防雷部分没有采取屏蔽措施，当实施大电流冲击时产生的电磁感应，可能会造成系统的部分控制电路误动作，导致试验失败。可以采用分步试验的方式排除故障。

    防雷是系统工程，需要关联到方方面面，从防雷元器件的选型、防雷元器件的安装位置、防雷元器件的安全可靠性、防雷保护级数的配置、防雷元器件的应用环境等等，再到系统的防雷要求、系统的应用场景、雷击引入系统的模式、雷击电流对系统的影响等等，如果已经发生过系统的雷击事故，则需将雷击事故的发生原因和相关信息进行整合，结合以上各方面，通过试验验证来确认在系统上的防雷配置是否合理、安全，以及整改方案是否有效。综合上述数据，对系统防雷进行可靠性评估。

    系统防雷的风险评估主要根据以下几个方面：

    1、防雷元器件的使用寿命：使用环境的变化、雷暴日的多少等等，都会导致防雷元器件的使用寿命缩短；

    2、防雷元器件的安全可靠性：生产工艺的改变、产品批次的不同等等，也会导致防雷元器件的安全可靠性下降；

    3、系统的供电环境：恶劣的供电环境和电力故障会直接损坏防雷元器件；

    4、系统的运行环境：山区、郊区等地区，架空明线、小水电等供电，接地条件很差或无接地等等，都可能造成系统故障；

    5、 雷击可能引入系统的通道：地电位反击、直击雷等等造成系统损坏。

    保护元器件在遭受雷击损坏后，对系统会产生不良影响。特别是独立的保护元件（没有任何保护措施）发生失效后，必定会造成系统故障，下表对可能发生的问题和解决方案进行了归纳：

保护元件	失效模式	失效影响分析	失效原因	解决方法
MOV	短路失效80%	空开跳闸，元件燃烧损坏PCB或系统	雷击、电力故障等	增加热保护和短路保护
	开路失效10%	后续雷击损坏系统	雷击、操作过电压能量大	提高通讯能力，增强短路告警
	劣化失效10%	元件燃烧损坏PCB或系统	参数选择缩小，遭受雷击频繁，使用时间过长	合理选择参数，提高元件等级和测试
TVS	短路失效80%	元件燃烧损坏PCB或系统，后续雷击损坏系统	雷击、电力故障等，参数选择缩小，遭受雷击频繁	提高元件等级，增加短路保护
	开路失效20%
GDT	短路失效10%	元件发生高热损坏PCB或系统	雷击、电力故障等原因导致GDT产生续流，交流系统可能导致GDT短路	增加热保护和短路保护
	开路失效90%