高校实验室电气安全系统实用技术

摘要：重点阐述现代防雷的分区理论，指出高校实验室防雷电和防浪涌的基本思路，介绍防雷产品的设计选型的实用方法和技术。

关键词：雷电；防雷分区理论；接地系统；浪涌电压；设计和选型 一、高校实验室防雷设计的重创 随着电子技术的飞速发展，电子计算机早已步入社会的各行各业。建筑物内几乎无不设有复杂程度不同的微电子设备、精密仪器和计算机系统，高校实验室也不例外。因此，实验室除了上述外部的防雷保护外，还应有室内防雷保护、过电压及浪涌保护等等。实验室中的低压供电系统、测量和控制系统、计算机系统，有许多因素可引起过电压浪涌，而又有如下四种因素造成的危害最大——直击雷、附近的雷击、远处的雷击、开关浪涌。如果雷电直接对有外部防雷装置的建筑物或直接打到建筑物顶部的可以通过某种途径传输雷电电流入地的装置（如室外天线、卫星接收装置等），使得地电位抬升，一大部分雷电流通过保护接地线进入到建筑物的装置和连接的设备，有这种效果的可叫做直接雷。雷电也可能直接对电源线（低压架空线）或数据线放电，大部分高能雷电流被引入到建筑物里，这也是直击雷的范围。而附近的雷击是指即使建筑物本身没有遭到雷击，附近的雷电闪击也可能引起建筑物装置上的过电压。这个浪涌过电压直接或通过电感性或电容性耦合到达电子装置、设备的线路上。部分雷电流也可能通过大地传送到接地装置从而引起极大的危害，或者通过雷电放电通道散发出的磁场，在设备的线路上感应出过电压，建筑物内的长导线回路特别容易感应出过电压。容性耦合是通过具有高电压差的两点之间的电场产生的，例如在雷电放电通道和金属导线之间。几百米之外的雷电闪击我们叫它远处的雷击，它也可能在低压导线、数据线上感应过电压，也可能将高电压传导到建筑物的接地装置上，从而对电子设备造成极大的危害。甚至云层之间或云层内部的放电产生的电磁场也能耦合过电压到导线中。除上述三种之外，开关浪涌则来自电路的闭合、断开的转换操作，来自感性和容性负载的开关操作，也来自电流的阻断。特别地，大型用电系统或变压器的断开可能引起对邻近的电子设备的损坏。 通过上述分析，我们看到对于高校实验室电气安全必须建立一个整体保护的概念。要转变观念，把雷电电磁脉冲防护当作防雷设计的重点。这不只是电气一个专业的事，因为它涉及到电子设备的位置和管线的布置等问题。至于对于实验室来说，我们一定要有整体观念，建筑物的外部防雷保护要做到包含高能量的有害的雷电流在导线进入建筑物处直接被转向泄入大地，使得进入到其他系统的过电压值最小化。尽量避免来自磁场的干扰。这样，我们就有了一个由外到内的防雷保护网。在雷电引起的过电压到达终端设备造成损害之前，逐级地减少它至无害的水平。为了达到这个目的，建筑物的整个保护空间可以分几个防雷分区，每一个分区都有具体要求，安装相应等级的防雷器。但是，前提是必须正确安装等电位连接系统，然后在各分区之间安装防雷器作为补充。 二、防雷分区 国际上，在国际标准IEC613212—1中描述的分区防雷的观念已被有效的应用。由外到内，防雷分区（LPZS）被定义如下： LPZ0A——在建筑物外部，不受外部保护装置保护的区域。可能遭受直击雷，对雷电脉冲没有任何屏蔽作用。 LPZ0B——在建筑物外部受外部防雷保护装置保护的区域。对雷电脉冲没有任何屏蔽作用。 LPZ1——在建筑物内部区域，有小部分雷电能量进入的可能性。 PLZ2——在建筑物内部区域，有低的浪涌过电压进入的可能性。 LPZ3——在建筑物（也可能是设备的金属外壳）内部区域，没有雷电磁脉冲产生的干扰，也没有浪涌过电压。 可见，如果我们把LPZ 0→1称为粗级保护、LPZ 1→2称为中级保护，那么就可以把LPZ 2→3称为精细保护。很明显，实验室的保护主要在中级保护和精细保护范围，当然在它外面的针对建筑物的粗级保护必须把能量减低到中级保护能承担的范围。同理，中级保护也要把能量减低到精细保护能承担的范围，只有这样，才能保证实验室的仪器设备既没有雷电磁脉冲的干扰又没有浪涌过电压，才能确保其正常工作和运行。 要注意，浪涌过电压既可能如上所述是由雷电引起的，也可能是由开关引起的，也就是说，即使没有雷电的天气，由于来自电路的闭合、断开的转换操作，来自感性和容性负载的开关操作，也有来自短路电流的阻断，也都会引起浪涌过电压，这些我们就称为开关浪涌，对于实验室，雷电浪涌和开关浪涌都是必须采取技术保护措施的。要使实验室的电气安全可靠有效，首先要有一个可靠的接地系统。在变压器中性点直接接地的380/220V三相四线低压电网中，即：过去称三相四线制供电系统中的保护接零。 TN系统的电源中性点直接接地，并有中性线引出。按其保护线形式，TN系统又分为：TN-C系统、TN-S系统和TN-C-S系统等三种。 TN-C系统(三相四线制)，该系统的中性线(N)和保护线(PE)是合一的，该线又称为保护中性线(PEN)线。它的优点是节省了一条导线，但在三相负载不平衡或保护中性线断开时会使所有用电设备的金属外壳都带上危险电压。在一般情况下，如保护装置和导线截面选择适当，则TN-C系统是能够满足要求的。TN-S系统(三相五线制)，该系统的N线和PE线是分开的。它的优点是PE线在正常情况下没有电流通过，因此不会对接在PE线上的其他设备产生电磁干扰。此外，由于N线与PE线分开，N线断开也不会影响PE线的保护作用。但TN-S系统耗用的导电材料较多，投资较大。 TN-C-S系统(三相四线与三相五线混合系统)，系统中有一部分中性线和保护是合一的；而且一部分是分开的。它兼有TN-C系统和TN-S系统的特点，而实验室也可以用这种接地方式。但如投资允许，实验室安全可靠性要求高，最好用TN-S系统。在TN-C、TN-S和TN-S-C系统中，为确保PE线或PEN线安全可靠，除在电源中性点进行工作接地外，对PE线和PEN线还必须进行必要的重复接地。PE线PEN线上不允许装设熔断器和开关。 在同一供电系统中，不能同时采用TT系统和TN系统保护。