雷電對UPS電源的危害及避雷器的選型
UPS電源、防雷：133 4371 3384（岑）
本文摘自河南梓清電氣設(shè)備有限公司 作者：駐馬店UPS電源廠家
UPS電源被廣泛用于為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其它信息系統(tǒng)提供可靠安全的供電電源。本文通過對UPS電源工作原理及特性的分析，討論了雷電對于UPS電源的危害，強(qiáng)調(diào)了UPS電源系統(tǒng)雷電防護(hù)的重要性并提出了防護(hù)措施。
一、引言
計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)和其它信息系統(tǒng)在各行各業(yè)的應(yīng)用越來越廣，越來越多的重要數(shù)據(jù)、文字和圖像要由信息系統(tǒng)來處理和存儲，而信息系統(tǒng)的電氣電子設(shè)備都離不開可靠的電源，如果在工作中突然停電，則會導(dǎo)致所存儲數(shù)據(jù)和程序的丟失或損壞，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，可以提供高質(zhì)量不間斷的交流電源的UPS（UninterruptiblePowerSystem），逐漸成為大型微電子關(guān)鍵設(shè)備的*設(shè)備。UPS電源被廣泛用于為通信系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及電力電子設(shè)備等提供可靠安全的不間斷供電電源，比如象金融系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心機(jī)房，安全監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)房等都配備了UPS電源。當(dāng)雷電來臨時(shí)，UPS電源能否在正常運(yùn)行的同時(shí)又可確保其所處系統(tǒng)的防雷安全。本文基于UPS電源的基本工作原理及其特點(diǎn)，對雷電對UPS電源的侵害進(jìn)行分析，并提出UPS電源系統(tǒng)的雷電防護(hù)措施。
二、UPS電源概述
1、UPS電源的基本工作原理
UPS電源的主要工作過程是濾波—整流—逆變，另外還包括像充電器及蓄電池、鎖相同步網(wǎng)絡(luò)、交流旁路供電通道、微處理器、通信接口等一些輔助工作的單元。
2、UPS的類型及其特點(diǎn)。從主電路結(jié)構(gòu)和不間斷供電的運(yùn)行機(jī)制來看，目前技術(shù)成熟并已形成產(chǎn)品的各種UPS主要有3大類：（1）后備式UPS；后備式UPS的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高，當(dāng)市電供電正常時(shí)，逆變器處于停止工作狀態(tài)，負(fù)載上得到的是經(jīng)過簡易穩(wěn)壓處理的市電，只有在市電供電不正常時(shí)，逆變器啟動，向負(fù)載供電。其噪聲低、價(jià)格比較低廉。（2）在線互動式UPS；在線互動式產(chǎn)品屬UPS的中間型產(chǎn)品，具有穩(wěn)壓精密、運(yùn)行穩(wěn)定、智能化和安全保護(hù)等特點(diǎn)。因此它既具有后備式轉(zhuǎn)換率高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，又具有在線式供電質(zhì)量高、轉(zhuǎn)換時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格適中。（3）在線式UPS（又可分為：雙變換在線式UPS和雙向變換串并聯(lián)補(bǔ)償在線式UPS兩種）；在線式UPS的特點(diǎn)是在正常情況下無論有無市電，它總是由UPS的逆變器對負(fù)載供電，這樣就避免了所有由市電電網(wǎng)電壓波動及干擾帶來的影響，真正實(shí)現(xiàn)了對負(fù)載的無干擾、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻供電，且在由市電供電轉(zhuǎn)換到蓄電池供電時(shí)，無轉(zhuǎn)換時(shí)間。因此，其供電輸出的電源品質(zhì)高，保護(hù)性能，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本相對較高。
當(dāng)今的UPS已在大量引進(jìn)微處理器監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展成為一種智能化UPS。同時(shí)，為更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的要求，UPS的智能網(wǎng)絡(luò)功能正向以簡單網(wǎng)路管理協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的廣域管理結(jié)構(gòu)發(fā)展。這樣，微電子設(shè)備在UPS上的應(yīng)用愈來愈廣泛。
三、雷電對UPS電源的危害
由2討論可知，UPS是強(qiáng)電與弱電相結(jié)合的精密電子設(shè)備，其構(gòu)成中除大功率的電力元件外，還包括CPU板、邏輯控制板、整流器控制板、逆變器控制板等微電子控制部件。UPS微電子控制部件的主要元器件是各種集成電路(IC)，而IC對電磁環(huán)境的要求較高，當(dāng)IC處于幅度為0.3GS(高斯)的電磁脈沖環(huán)境下，會使機(jī)器發(fā)生誤動作，電磁脈沖幅度為0.75GS時(shí)，IC元件會出現(xiàn)假性損壞，幅度為2.4GS時(shí)，IC元件將出現(xiàn)不可逆*性損壞。對于微電子設(shè)備來講，危害zui大的是雷電電磁脈沖，它*，隱含殺機(jī)。
UPS電源不能阻擋雷電流的侵害，原因有以下三個(gè)方面：
1、UPS安裝在重要設(shè)備的前端，所以當(dāng)雷電直擊到低壓電源線或在電纜上產(chǎn)生感應(yīng)雷電時(shí)，電源導(dǎo)線上的過電流過電壓經(jīng)過配電系統(tǒng)，首先沖擊UPS，而UPS穩(wěn)壓范圍一般單相在160~260V，三相在320V~460V之間。要防止瞬間10~20kV的雷電沖擊波的過電壓幅值是不可能的，因此當(dāng)雷擊來臨時(shí)，它zui先受到雷電流的沖擊。
2、內(nèi)部安裝有防雷器件的UPS分為兩種類型：1）裝有不合標(biāo)準(zhǔn)的防雷器件的UPS。這類是生產(chǎn)廠家為了節(jié)省成本，只是象征性地裝一組小功率的金屬氧化鋅壓敏電阻MOV，只能對很小的感應(yīng)雷電有一定的防護(hù)作用。2）部分進(jìn)口UPS及國內(nèi)*UPS廠生產(chǎn)的UPS，是根據(jù)IEC801-5的標(biāo)準(zhǔn)（抑制吸收電源供電線路輸入端的雷電電壓及電流的強(qiáng)浪涌，其沖擊電流為20kA，沖擊電壓為6kV，波形為8/20μs），安裝有標(biāo)準(zhǔn)的防雷器件。而這一類UPS是否能完好的保護(hù)UPS本身，并達(dá)到保護(hù)其它后續(xù)電源及設(shè)備免遭雷電侵害的目的，經(jīng)*的監(jiān)測的統(tǒng)計(jì)資料表明，直擊雷在一般低壓架空線路產(chǎn)生的過電壓幅值高達(dá)100kV，電信線路高達(dá)40~60kV。感應(yīng)雷電過電壓幅值在無屏蔽架空線上zui高幅值達(dá)到20kV，無屏蔽地下電纜可達(dá)10kV，由此可知，即使裝有標(biāo)準(zhǔn)防雷器件的UPS，在其電源線路前端（配電室、房、柜及箱）沒有加裝有效的高能量防雷器件，這類UPS同樣會遭到雷擊損壞。
3、智能化的UPS中，信號接口或遠(yuǎn)程控制用通信線接口，有的沒有裝浪涌電路，有的僅裝有小功率的浪涌抑制電路，均無法防止感應(yīng)雷擊，因此其信號或通信線接口也成為雷電波侵入的主要渠道。
綜上分析，沒有安裝防雷器件的UPS，可以說是沒有防雷功能，只能對市電網(wǎng)過電壓或很小的雜散電流起到電源凈化和保護(hù)的作用。當(dāng)雷擊來臨時(shí)，它本身首先被擊壞；內(nèi)裝防雷器件的UPS，也不能完善地保護(hù)其自身，并達(dá)到保護(hù)其它設(shè)備的電源免遭雷電侵害；從架空電源線和信號線上侵入的直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓，是造成智能型UPS損害的主要原因。因此，加強(qiáng)對UPS電源的雷電防護(hù)措施是十分必要的，同時(shí)也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
四.UPS電源的雷電防護(hù)
直擊雷、感應(yīng)雷和雷電電磁脈沖等都有可能對UPS電源造成損害，因此要做好UPS的防雷就必須嚴(yán)格遵守《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》綜合防雷系統(tǒng)的要求，做好以下幾點(diǎn)：
1、要將外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施統(tǒng)籌兼顧，全面規(guī)劃，切實(shí)做好接地和等電位連接。完善設(shè)備所在建筑物外部防雷系統(tǒng)，按照國標(biāo)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-94（2000年版）），安裝接閃器，引下線以及防雷接地網(wǎng)等設(shè)施。做好機(jī)房接地，根據(jù)國標(biāo)《電子計(jì)算機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-1993），交流工作地、直流工作地、安全保護(hù)地、防雷接地宜共用一組接地裝置，其接地電阻按其中zui小值要求確定；如果必須分設(shè)接地，則必須于兩地之間加裝等電位共地聯(lián)結(jié)器。
2、要采取多級防護(hù)措施。所謂多級防護(hù)就是按照電磁兼容的原理，分層次地對雷電流進(jìn)行削弱，在動力線進(jìn)戶配電柜、樓層配電柜以及機(jī)房進(jìn)戶配電盒，安裝適配的避雷器。對于有信號或通信接口的UPS，為防止雷電波從信號或通信線引入，必須在信號或通信線接口處加裝相應(yīng)的信號避雷器。雷電防護(hù)的中心內(nèi)容是泄放和均衡，泄放將雷電流盡可能多的、盡可能遠(yuǎn)的是泄放于地，而拒之于通信系統(tǒng)之外。均衡是減小雷電在諸導(dǎo)電物體上生的電位差，防止雷電流的反擊。
3、UPS電源的安裝位置要講究。依據(jù)電工委員會ICE1312一1((雷電電磁脈沖的防護(hù)》的建筑物分區(qū)方法，UPS電源機(jī)房屬LPZ1區(qū)，在本區(qū)內(nèi)的物體不可能遭受直接雷擊，在本區(qū)內(nèi)的電磁場有可能衰減。就是UPS電源應(yīng)安裝在LPZ1區(qū)內(nèi)，同時(shí)，為防范雷電生的強(qiáng)電磁場干擾，UPS電源放置離墻應(yīng)有一定的距離，與外墻立柱鋼筋引下線的距離≥0.83m，即設(shè)備處在雷電流磁場的安全區(qū)內(nèi)。并把機(jī)器外殼屏蔽接地，機(jī)柜門用導(dǎo)線與地加強(qiáng)連接，機(jī)柜內(nèi)成為LPZ2區(qū)。
4、避雷器（SPD）的選型與安裝
避雷器應(yīng)選用質(zhì)量可靠，性能優(yōu)良，并經(jīng)相關(guān)部門備案的產(chǎn)品。
1、選擇SPD，要滿足以下三條基本要求：1）安裝SPD之后，在無電涌發(fā)生時(shí)，SPD不應(yīng)對電氣（電子）系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。2）安裝SPD之后，在有電涌發(fā)生的情況下，SPD能承受預(yù)期通過的雷電流而不損壞，并能箝制電涌電壓和分走電涌電流。3）在電涌電流通過后，SPD應(yīng)迅速恢復(fù)高阻狀態(tài)，切斷工頻續(xù)流。
2、一般，將SPD安裝在被保護(hù)設(shè)備以及UPS前端，SPD所有連接導(dǎo)線應(yīng)盡可能短，特別是接地線，其長度不宜大于0.5m。所有連線應(yīng)規(guī)整，平直，線徑應(yīng)符合表4-1的要求：
保護(hù)級別
SPD的類型
導(dǎo)線截面（mm2）
SPD連接相線銅導(dǎo)線
SPD接地端連接銅導(dǎo)線
*級
開關(guān)型或限壓型
16
25
第二級
限壓型
10
16
第三級
限壓型
6
10
第四級
限壓型
4
6
注：混合型SPD參照相應(yīng)保護(hù)級別的截面積選擇。
五、結(jié)語
隨著UPS電源智能化程度的不斷提高，UPS電源已不僅僅是一臺電網(wǎng)斷電后可以繼續(xù)為負(fù)載供電的整機(jī)產(chǎn)品，而是一個(gè)局部的高度可靠，性能齊全、高智能化的供電中心，對于保證信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全和暢通有著非常重要的作用，做好UPS電源的雷電防護(hù)工作則具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
UPS電源系統(tǒng)的雷電防護(hù)，是一項(xiàng)技術(shù)性、專業(yè)性很強(qiáng)的工作，在相關(guān)部門和專業(yè)技術(shù)人員的指導(dǎo)下進(jìn)行。要注意全面系統(tǒng)地考慮問題，接閃、屏蔽、接地、等電位、分區(qū)防雷等各項(xiàng)因素應(yīng)綜合考慮。隨著UPS技術(shù)的不斷發(fā)展，必將對UPS電源系統(tǒng)的防雷提出更高的要求。
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