UPS電源防雷保護(hù)方法

雷明慧

【摘要】UPS電源被廣泛用于為計算機(jī)系統(tǒng)及其它信息系統(tǒng)提供可靠安全的供電電源。而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。當(dāng)出現(xiàn)電壓幅值、頻率不穩(wěn)定、浪涌、尖峰信號、線路噪音及各種干擾等會造成電路板的損壞。對于微電子設(shè)備來講，危害最大的是雷電電磁脈沖，其產(chǎn)生的高電位主要損壞電氣設(shè)備及電子設(shè)備，造成信息系統(tǒng)中斷，或者產(chǎn)生電弧、電火花而引起火災(zāi)。

【關(guān)鍵詞】UPS電源；防雷保護(hù)；防護(hù)措施

Lightning protection method for UPS power supply

Lei Ming-hui

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）

【Abstract】UPS power supplies are widely used to provide reliable and safe power supplies for computer systems and other information systems. UPS is a sophisticated electronic equipment and weak electricity combination， in addition to high power electric elements in the structure， including CPU board， logic control board， control board， rectifier inverter control board and microelectronic control unit. When the voltage amplitude， frequency instability， surge， peak signal， line noise and all kinds of interference will cause damage to the circuit board. For microelectronic devices， the greatest harm is the lightning electromagnetic pulse， high potential the main damage to electrical equipment and electronic equipment， causing disruption of the computer information system， or produce electric arc， electric spark caused by fire.

【Key words】UPS power supply；Lightning protection；Protective measures

前言：本文討論了雷電對于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。

1. 雷電侵入UPS的主要途徑及避雷器防雷效果

1.1沿電源線（市電）侵入：

雷擊配電變壓器高壓側(cè)（10KV或6.6KV）輸電線，雷電流經(jīng)變壓器→220/380V供電線→配電柜，最后竄入UPS。220/380V供電線路遭直擊雷或感應(yīng)雷擊，雷電流經(jīng)過配電柜竄入UPS。對于上述兩種情況，雷電流的強(qiáng)度較大，危害性也較大，因此應(yīng)仔細(xì)考慮其防護(hù)。

1.2從負(fù)載側(cè)侵入：

如果負(fù)載設(shè)備有外引線（如信號線、監(jiān)控線等），該外引線可能會將雷電流（感應(yīng)或直擊）引入，并經(jīng)負(fù)載、輸出配電柜后竄入UPS。對于這種情況，雷電流大小視負(fù)載側(cè)外引線情況而定，而且雷電流經(jīng)過負(fù)載后會有較大程度的泄放，侵入UPS的雷過電壓/電流的幅值一般不會太高。

1.3從信號線侵入：

例如電話線將雷電流（除少數(shù)情況外，如采用長距離室外架空線，一般為感應(yīng)雷電流，幅值較小）引入，經(jīng)過MODEM后竄入UPS；在少數(shù)情況下，網(wǎng)線上也可能感應(yīng)一定幅值的雷電過電壓/電流，通過SNMP卡引入UPS，但一般幅值不會很高。

1.4地電位反擊：

（1）地電位反擊是指雷擊或系統(tǒng)發(fā)生短路時，設(shè)備的接地點可能具有較高的電位，從而使設(shè)備外殼與設(shè)備的導(dǎo)電部分之間產(chǎn)生的高電壓。它也可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞。一般而言，地電位反擊產(chǎn)生的原因主要有：接地裝置因散流而導(dǎo)致的電位升高；雷電流或短路電流在導(dǎo)線上產(chǎn)生的壓降等。

（2）因此當(dāng)雷擊來臨時，UPS最先受到雷電流的沖擊。

1.5內(nèi)部安裝有防雷器件的UPS分為兩種類型：

1.5.1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。

1.5.2部分進(jìn)口UPS及國內(nèi)部分UPS，是根據(jù)國際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。而這一類的UPS能否完好的保護(hù)UPS自身的安全，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)長期的監(jiān)測的統(tǒng)計資料表明，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最高幅值達(dá)到20KV，無屏蔽地下電纜可達(dá)10KV，由此可見，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。

1.6智能化的UPS本身含有大量的集成電路。而且越來越多的UPS帶有智能管理系統(tǒng)，信號線也成為雷電電磁脈沖侵入的通道。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。關(guān)于UPS電源遭受雷電侵害的案例屢見不鮮，特別是在雷暴日比較多的雷擊區(qū)。

1.7綜上分析，未安裝防雷器件的UPS是不具備防雷功能，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，它本身首先被擊壞；內(nèi)裝防雷器件的UPS，也不可能完善地保護(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，同時也具有重要的現(xiàn)實意義。

2. UPS電源的雷電防護(hù)[2]

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：

2.1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)計規(guī)范》（GB50057-2010），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)《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》（GB50174-2008），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，其接地電阻按其中最小值要求確定；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[3]。不管采用怎樣的接地系統(tǒng)，等電位連接都是非常重要的。

2.2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。均衡是減小雷電流在諸導(dǎo)電物體上產(chǎn)生的電位差，防止雷電流的反擊。具體防護(hù)措施：

2.2.1交流電源口：

在UPS交流電源輸入側(cè)采用兩級（C級防雷箱+D級防雷盒）保護(hù)。滿足最大通流40kA （8/20us）、額定通流20kA（8/20us）的要求，并具有自動監(jiān)測和告警指示功能。

2.2.2信號口：

電話線和網(wǎng)線的接口電路中考慮對雷電浪涌的防護(hù)，其主要措施包括采用合理的浪涌防護(hù)電路，采用適當(dāng)?shù)碾姎飧綦x措施等。

2.2.3等電位連接和接地：

根據(jù)均衡電位原理，采用合理的等電位連接和有效的接地設(shè)計，保證在雷擊瞬間UPS產(chǎn)品免受地電位反擊的危害。

2.3UPS電源的安裝。依據(jù)國際電工委員會ICE61312-1《雷電電磁脈沖的防護(hù)》中將雷電防護(hù)的區(qū)域分為：

（1）LPZOA（OA區(qū)），該區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭受直接雷擊，同時在該區(qū)內(nèi)雷電產(chǎn)生的電磁場能自由傳播，沒有衰減。

（2）LPZOB（OB區(qū)），該區(qū)內(nèi)的各物體在接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)，不會遭受直接雷擊，但該區(qū)內(nèi)的雷電電磁場因沒有屏蔽裝置，雷電產(chǎn)生的電磁場也能自由傳播，沒有衰減。

（3）LPZ1（1區(qū)），該區(qū)內(nèi)的各個物體因在建筑內(nèi)，不會遭受直接雷擊，流經(jīng)各導(dǎo)體的電流比LPZOB區(qū)更小，本區(qū)內(nèi)的雷電電磁場根據(jù)屏蔽措施的不同而有不同衰減。

（4）LPZ2（2區(qū)），當(dāng)需要進(jìn)一步減小雷電和電磁場時，應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū)，并按照需要保護(hù)系統(tǒng)所要求的環(huán)境選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。

（5）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。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，安裝適當(dāng)規(guī)格的避雷器。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[4]。

2.4避雷器（SPD）的選型與安裝

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。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，安裝適當(dāng)規(guī)格的避雷器。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。

2.4.1避雷器是UPS電源雷電防護(hù)的基本工具，隨著社會科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了不同類型型號、不同廠家的避雷器，這就需要在采購及選擇避雷器是要謹(jǐn)慎認(rèn)真。選擇的避雷器應(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。首先，選擇的避雷器在安裝后且無電涌發(fā)生時，避雷器不會對電子或電氣系統(tǒng)的日常運營造成不良的影響；其次，選擇好的避雷器在安裝后，且在有電涌發(fā)生時，避雷器能承受住預(yù)期通過的雷電流且沒有損壞，最為關(guān)鍵的是能箝制電涌電壓和分走電涌電流；最后，選擇的避雷器，在通過電涌電流時，避雷器能快速恢復(fù)到高阻的狀態(tài)，且能迅速切斷工頻續(xù)流。

2.4.2一般，將SPD安裝在被保護(hù)設(shè)備以及UPS電源前端，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)符合下表的要求（見表1）：

3. 結(jié)束語

隨著UPS電源智能化程度的不斷提高，UPS電源已不再單純是一臺電網(wǎng)斷電后可以繼續(xù)為負(fù)載供電的整機(jī)產(chǎn)品，而是一個局部的高度可靠，性能齊全、高智能化的供電中心，在對保證信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全和暢通發(fā)揮著非常重要的作用，要注意系統(tǒng)化的考慮，接閃、屏蔽、接地、等電位和分區(qū)防雷等各種因素綜合考慮，做好接地系統(tǒng)是防雷系統(tǒng)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，合理的器件選型和規(guī)范的安裝工藝也是非常重要的因素。因此做好UPS電源的雷電防護(hù)工作則具有重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)

[1]卜銀軍， 蔡河章， 李雪梅. 淺析UPS電源的雷電防護(hù). 福建省科協(xié)學(xué)術(shù)年會衛(wèi)星會議——福建省氣象學(xué)會學(xué)術(shù)年會， 2010.

[2]蔡國賢 ，徐迪. 信息通信UPS電源雷電防護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用.中國新通信， 2017 （6） ：108～108.

[3]阮自杰， 張偉安. UPS電源系統(tǒng)的防雷簡介. 廣東氣象， 2001 （s1） ：3+17.

[4]武征. 信息通信UPS電源雷電防護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 通訊世界， 2015，22（06）：16～17.

[5]《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）.

[6]《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》（GB50174-2008）.