淺談系統(tǒng)防雷工程
防雷是一個系統(tǒng)工程，從防雷設(shè)計到與系統(tǒng)配合，從關(guān)聯(lián)試驗到現(xiàn)場運行，存在著許多需要試驗驗證問題，只有進行了充分的可靠性評估，才能保證系統(tǒng)在雷擊和惡劣的供電條件下正常運行，將故障率降到最低。但是，對系統(tǒng)防雷的可靠性評估，是一項復雜、繁瑣的工作，需要通過許多試驗來進行驗證，甚至需要對現(xiàn)場雷擊損壞的產(chǎn)品進行剖析，才能獲取產(chǎn)品存在的缺陷。所以，對于系統(tǒng)防雷的可靠性評估，需要從系統(tǒng)設(shè)計方案開始就提前介入，這樣可以全面考慮系統(tǒng)將面臨的雷擊問題。下面，就如何進行系統(tǒng)防雷的可靠性評估談談個人的看法。
一、系統(tǒng)設(shè)計前的防雷可靠性評估
1、對系統(tǒng)的應用場景進行評估
需要對系統(tǒng)應用場景進行詳細的評估，了解系統(tǒng)前端的防雷配置和接地情況，分析系統(tǒng)可能遭受雷擊的原因；
2、對將要采用的保護電路進行評估
針對不同防雷要求的系統(tǒng)，應該采用不同的保護電路。需要對保護電路的保護效果、關(guān)聯(lián)影響等各種因素進行評估；
3、對選擇的防雷元器件進行評估
如何選擇合適的防雷元器件，是實現(xiàn)可靠防雷保護的關(guān)鍵。首先所選的防雷元器件應該滿足布板面積、高度的要求；其次在通流能力、殘壓等方面需要滿足系統(tǒng)的判據(jù)要求；最后需要對使用的防雷元器件，在高溫、高濕（系統(tǒng)運行條件）方面，失效保護方面進行全面評估，從而保證系統(tǒng)的正常運行；
4、對防雷與系統(tǒng)整體配合的評估
對于防雷與系統(tǒng)整體的配合，需要進行相應的試驗驗證，可以重點關(guān)注下面各項試驗驗證的要求。
二、防雷元器件和系統(tǒng)的試驗驗證評估
對防雷元器件和系統(tǒng)進行試驗驗證，是保證系統(tǒng)防雷安全可靠的一個重要環(huán)節(jié)。試驗驗證將一一對應防雷元器件和系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標進行測試。下面是試驗驗證需要進行的驗證項目：
1、防雷元器件的通流能力
根據(jù)不同系統(tǒng)的防雷等級要求，選擇的防雷元器件也有所不同，例如：在浪涌4kV以下的系統(tǒng)，防雷元件可以選擇TVS，就能夠滿足系統(tǒng)的測試要求；6kV/3kA以上可選20D的壓敏電阻或TMOV（包括簡易TMOV）；5kA以上應選用脫扣模塊、TMOV、多間隙放電管等。
2、防雷元器件的耐高低溫、高濕特性
按照目前系統(tǒng)運行的實際環(huán)境，根據(jù)各系統(tǒng)不同的要求，對在其系統(tǒng)中使用的防雷元器件進行相應的高低溫、濕度的試驗。例如：在RRU的環(huán)境試驗中，系統(tǒng)內(nèi)部的實際運行溫度已經(jīng)達到了90°左右，這就要求安裝在系統(tǒng)內(nèi)部的防雷元器件能夠在90°溫度的條件下正常運行。根據(jù)高溫試驗的要求，防雷元器件需要進行1000小時的高溫試驗，才能確定防雷元器件在高溫條件下的使用壽命。
3、防雷元器件的抗雷電沖擊能力
在系統(tǒng)內(nèi)部使用的防雷元器件，如果沒有特殊要求，應該重點關(guān)注防雷元器件的額定通流能力，并且需要留出一定的余量，只有這樣才能保證系統(tǒng)在遇到雷擊和過電壓時，只要不出現(xiàn)強雷擊等狀況，系統(tǒng)都能夠正常運行。例如：系統(tǒng)電源端口的防雷能力要求滿足20kA時，我們在選擇防雷元器件時，首先要求防雷元器件需要滿足系統(tǒng)的試驗沖擊次數(shù)，現(xiàn)在提出的要求是20次，這對防雷元器件的標準額定沖擊次數(shù)15次（國標、行標都是按照15次的要求制定的）的要求本身就提高了，也就是說防雷元器件必須提高耐沖擊能力才能滿足要求，所以防雷元器件的額定通流能力就必須提高，并且有一定的余量。
4、防雷元器件的安全性評估
防雷元器件除了需要保護系統(tǒng)免遭雷擊、過電壓的損壞，還需確保在自身損壞時，能夠安全脫離電源系統(tǒng)，避免發(fā)生因防雷元器件失效引起燃燒、爆炸等導致系統(tǒng)損壞的故障。所以，對所選用的防雷元器件一定要進行熱穩(wěn)定試驗、大電流脫扣試驗、工頻耐受試驗和阻燃試驗等等。例如：當系統(tǒng)額定工作電流為63A時，在考慮系統(tǒng)短路電流＞63A的前提，對所選用的防雷元器件做大電流脫扣試驗時，應該選擇75A、100A的電流等級上進行。如果電源輸入端口配置有空開的話，大電流脫扣試驗的電流需要大于等于空開的額定電流。
5、防雷元器件外形結(jié)構(gòu)的評估
安裝在系統(tǒng)內(nèi)部PCB板上的防雷元器件，外形結(jié)構(gòu)將直接影響占板面積、安裝空間和通流能力等等，應盡量避免防雷元件采用平鋪疊層的安裝模式，因為采用平鋪疊層安裝，很容易造成單只防雷元件擊穿損壞起弧時，將疊在一起的其他防雷元件燒壞，出現(xiàn)短路燃燒損壞系統(tǒng)。所以應盡量選擇獨立帶有失效保護的防雷元器件。例如：在通流能力要求比較大的系統(tǒng)中，由于受到高度限制，不能夠采用脫扣模塊或TMOV，就選擇壓敏電阻元件進行多個并聯(lián)方式，平鋪疊層安裝在系統(tǒng)的電源板上，來滿足高度和通流的要求。這種保護模式存在主要問題是上面描述的狀況，另外在失效保護方面也存在保險絲的匹配問題。所以，在這種情況下，應盡量考慮選擇能夠滿足要求的模塊化防雷元器件。
6、不同防雷元器件的選型
防雷元器件的選型是按照安全、可靠、經(jīng)濟、適用的原則，根據(jù)系統(tǒng)對防雷的不同要求來選擇不同的防雷元器件。從安全可靠的角度出發(fā)，在系統(tǒng)內(nèi)部使用的防雷元器件盡量選用自帶失效保護功能的防雷元器件。例如：帶脫扣功能的防雷模塊、帶溫度保險絲的TMOV或簡易TMOV、帶脫扣功能的多間隙放電管等。
7、系統(tǒng)防雷的試驗驗證
系統(tǒng)防雷的試驗驗證是一項針對性、關(guān)聯(lián)性很強的工作。試驗主要針對系統(tǒng)可能遭受雷擊各種環(huán)境條件和雷擊強度。進行試驗時，需要盡量模擬現(xiàn)場可能遇到的各種情況，按照系統(tǒng)能夠承受的額定通流能力進行沖擊，從沖擊試驗中出現(xiàn)的問題查找原因，確定改進方案。例如：系統(tǒng)進行通電和斷電、接地與不接地等等的雷擊試驗，用以檢驗系統(tǒng)可能發(fā)生的雷擊故障。
三、試驗驗證結(jié)果的判定
1、高溫、高濕的加載試驗
防雷元器件在完成規(guī)定試驗后，需要對防雷元器件的基本參數(shù)進行測試，要求防雷元器件的基本電氣參數(shù)不發(fā)生變化或變化的數(shù)據(jù)不超過限定的范圍。例如：壓敏電阻的壓敏電壓變化率不超過±10%、陶瓷氣體放電管的直流點火電壓不超過±20%以及外形不發(fā)生變形等等。
2、雷電的沖擊試驗
根據(jù)防雷元器件的額定通流能力，按照相關(guān)標準，對其實施規(guī)定次數(shù)的沖擊試驗，沖擊試驗完成后對防雷元器件基本參數(shù)進行測試，要求防雷元器件的基本電氣參數(shù)不發(fā)生變化或變化的數(shù)據(jù)不超過限定的范圍。例如：壓敏電阻的壓敏電壓變化率不超過±10%，如果出現(xiàn)個別樣品（根據(jù)試驗樣品數(shù)量而定）超標，或者出現(xiàn)個別樣品損壞，則需對產(chǎn)品加倍抽樣進行試驗；第二次試驗再發(fā)生上述情況則判定產(chǎn)品不合格。
3、熱穩(wěn)定和大電流試驗
防雷元器件進行熱穩(wěn)定和大電流試驗，主要考核防雷元器件的安全性，熱穩(wěn)定試驗主要針對防雷元器件在運行使用過程中發(fā)生劣化時，能否安全與系統(tǒng)脫離；大電流試驗主要針對防雷元器件在系統(tǒng)發(fā)生電力故障時，如果出現(xiàn)損壞能否安全與電源系統(tǒng)安全脫離。所以，在進行熱穩(wěn)定和大電流試驗中，只要防雷元器件出現(xiàn)燃燒、爆炸等現(xiàn)象，就可以判定產(chǎn)品不合格。對測試結(jié)果有疑問的，可以采用加倍抽樣來進行試驗驗證。
4、系統(tǒng)的雷擊試驗
系統(tǒng)進行雷擊試驗，是根據(jù)系統(tǒng)運行狀況來判定是否滿足要求，在試驗過程中，只要不出現(xiàn)超過判據(jù)要求的故障現(xiàn)象，即可認定為滿足要求。但是，在系統(tǒng)做雷擊試驗時，會存在許多不確定因素，需要進行試驗驗證來進行確認。例如：系統(tǒng)在進行10kA以上的雷擊試驗時，由于防雷部分沒有采取屏蔽措施，當實施大電流沖擊時產(chǎn)生的電磁感應，可能會造成系統(tǒng)的部分控制電路誤動作，導致試驗失敗。可以采用分步試驗的方式排除故障。
四、系統(tǒng)防雷的可靠性評估
防雷是系統(tǒng)工程，需要關(guān)聯(lián)到方方面面，從防雷元器件的選型、防雷元器件的安裝位置、防雷元器件的安全可靠性、防雷保護級數(shù)的配置、防雷元器件的應用環(huán)境等等，再到系統(tǒng)的防雷要求、系統(tǒng)的應用場景、雷擊引入系統(tǒng)的模式、雷擊電流對系統(tǒng)的影響等等，如果已經(jīng)發(fā)生過系統(tǒng)的雷擊事故，則需將雷擊事故的發(fā)生原因和相關(guān)信息進行整合，結(jié)合以上各方面，通過試驗驗證來確認在系統(tǒng)上的防雷配置是否合理、安全，以及整改方案是否有效。綜合上述數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)防雷進行可靠性評估。
五、系統(tǒng)防雷的風險評估
系統(tǒng)防雷的風險評估主要根據(jù)以下幾個方面：
1、防雷元器件的使用壽命：使用環(huán)境的變化、雷暴日的多少等等，都會導致防雷元器件的使用壽命縮短；
2、防雷元器件的安全可靠性：生產(chǎn)工藝的改變、產(chǎn)品批次的不同等等，也會導致防雷元器件的安全可靠性下降；
3、系統(tǒng)的供電環(huán)境：惡劣的供電環(huán)境和電力故障會直接損壞防雷元器件；
4、系統(tǒng)的運行環(huán)境：山區(qū)、郊區(qū)等地區(qū)，架空明線、小水電等供電，接地條件很差或無接地等等，都可能造成系統(tǒng)故障；
5、 雷擊可能引入系統(tǒng)的通道：地電位反擊、直擊雷等等造成系統(tǒng)損壞。
六、保護元件的失效模式影響分析
保護元器件在遭受雷擊損壞后，對系統(tǒng)會產(chǎn)生不良影響。特別是獨立的保護元件（沒有任何保護措施）發(fā)生失效后，必定會造成系統(tǒng)故障，下表對可能發(fā)生的問題和解決方案進行了歸納：
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保護元件
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失效模式
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失效影響分析
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失效原因
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解決方法
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MOV
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短路失效80%
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空開跳閘，元件燃燒損壞PCB或系統(tǒng)
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雷擊、電力故障等
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增加熱保護和短路保護
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開路失效10%
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后續(xù)雷擊損壞系統(tǒng)
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雷擊、操作過電壓能量大
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提高通訊能力，增強短路告警
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劣化失效10%
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元件燃燒損壞PCB或系統(tǒng)
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參數(shù)選擇縮小，遭受雷擊頻繁，使用時間過長
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合理選擇參數(shù)，提高元件等級和測試
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TVS
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短路失效80%
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元件燃燒損壞PCB或系統(tǒng)，后續(xù)雷擊損壞系統(tǒng)
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雷擊、電力故障等，參數(shù)選擇縮小，遭受雷擊頻繁
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提高元件等級，增加短路保護
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開路失效20%
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GDT
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短路失效10%
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元件發(fā)生高熱損壞PCB或系統(tǒng)
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雷擊、電力故障等原因?qū)е?span lang="EN-US">GDT產(chǎn)生續(xù)流，交流系統(tǒng)可能導致GDT短路
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增加熱保護和短路保護
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開路失效90%
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七、系統(tǒng)防雷可靠性評估的建模設(shè)想
建立系統(tǒng)防雷可靠性評估的分析模板是一件比較復雜的工作，需要進行大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計。但是，在對系統(tǒng)防雷進行可靠性評估中使用的大量數(shù)據(jù)，是來自我們的日常工作中，例如：系統(tǒng)安裝的環(huán)境、系統(tǒng)運行的參數(shù)、系統(tǒng)自身的防雷等級、系統(tǒng)主要元件的電壓電流應力、防雷元器件的選擇、防雷電路的設(shè)計等等，都需要通過大量的試驗來進行驗證。這些基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)是對系統(tǒng)防雷是否滿足設(shè)計要求評審的主要數(shù)據(jù)，再加上設(shè)備在現(xiàn)場出現(xiàn)雷擊、操作過電壓和電力故障損壞的故障率，就可以對系統(tǒng)防雷的可靠性進行基本的評估。所以，關(guān)于系統(tǒng)防雷可靠性評估的模板建立，可以從簡單到復雜，從局部到全面，從主要數(shù)據(jù)到關(guān)聯(lián)參數(shù)，逐步完善評估系統(tǒng)，建立評估模板。
以上介紹的內(nèi)容，是通過從事防雷可靠性工作的一點心得體會，供大家參考。
