防雷檢測新方法與電路

（廣西廣播電視技術(shù)中心玉林分中心）

1 引言

等電位連接技術(shù)是現(xiàn)代得到廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代防雷技術(shù)，設(shè)備進(jìn)行等電位連接防雷后本應(yīng)對等電位連接防雷效果進(jìn)行檢測。但隨后的防雷工作多是測試防雷接地電阻，測試防雷接地電阻是傳統(tǒng)的防雷測試方法，并不能反映等電位連接的真實效果。 可見等電位連接防雷技術(shù)應(yīng)有更適用的防雷測試方法。其實防止設(shè)備不被雷電損壞不必要求設(shè)備上的雷電等電位，今天的等電位連接防雷技術(shù)實際也達(dá)不到讓設(shè)備的雷電等電位的水平[1],只是讓設(shè)備雷電位差減少到一定程度之下，雷電位差越小防雷效果越好。如何測試?yán)纂娢徊?？雷電一閃而過很快消失，而測試點還有許多，我們不能同時進(jìn)行這些測試點的雷電位差測試；我們也不知道雷電什么時候產(chǎn)生，所以測試設(shè)備上的雷電位是很困難的。解決的方法是模擬雷電的產(chǎn)生，用模擬雷電對需要防雷的設(shè)備進(jìn)行雷電位差檢測。為此需要一個產(chǎn)生模擬雷電流，檢測設(shè)備模擬雷電位差的電路，以便預(yù)見防雷系統(tǒng)的防雷效果。

2 技術(shù)說明

防雷電位測試電路包括雷電流模擬發(fā)生電路與電位差波形捕捉顯示電路,這兩部分是獨立的。

2.1 雷電流模擬發(fā)生電路

如圖1所示，C為大容量電容，放電時能提供100安培以上且上升沿很快的模擬雷電流，因為充放電電路要在瞬時釋放很大的電流，所以放電導(dǎo)線用載面20—50mm2的銅導(dǎo)線，R1是充電限流電阻、R2是充電電壓調(diào)節(jié)電阻。K為大電流觸點鍍銀防振動開關(guān)，D1，D2為放電導(dǎo)線觸地端，放電導(dǎo)線電阻很小，當(dāng)放電導(dǎo)線在觸地端短接，開關(guān)K合上，圖中元件不會被損壞。充電時間10-20秒，K合上幾毫秒就放電完。電容C可用并聯(lián)合成。

圖1 雷電流模擬發(fā)生電路

2.2 開關(guān)K的構(gòu)造

如圖2是開關(guān) K的構(gòu)造圖， 為了消除開關(guān)的振動，造成接觸電阻變動，影響模擬效果，開關(guān)K的動觸點用有彈簧的觸點，另一觸點固定在橡膠上。觸點用鍍銀觸點，使用時涂上導(dǎo)電油更好。釋放桿釋放動觸點，讓動觸點高速接觸靜觸點。

圖2 開關(guān)K構(gòu)造圖

2.3 電位差波形捕捉顯示電路框圖

如圖3電位差波形捕捉顯示電路：由波形顯示單元，采集控制單元，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換單元組成。波形顯示單元顯示波形的最大值與雷電位差相對應(yīng)。電位差波形捕捉電路要求，當(dāng)波形捕捉模塊輸入電壓大于一操作設(shè)定值時,波形捕捉模塊捕獲一段輸入電位差波形并顯示,所以要求有一定的存貯器容量,供存貯數(shù)據(jù)顯示。

圖3 電位差波形捕捉顯示單元框圖

3 測試方法

測試設(shè)備的雷電電位差主要測量從接閃器到設(shè)備地，再到接地裝置的雷電流在設(shè)備上造成的電位差，后面簡稱為竄地雷電位差。其次還有流過大雷電流導(dǎo)線附近設(shè)備上的感應(yīng)雷電位差，也可進(jìn)行測試。測試可用雷電流模擬發(fā)生電路產(chǎn)生模擬雷電流加在設(shè)備接地網(wǎng)絡(luò)上，用電位差波形捕捉顯示單元進(jìn)行波形顯示檢測,得到模擬雷電位差有關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1 模擬竄地雷電位差測試方法

竄地雷電位差是雷電流通過接地網(wǎng)或設(shè)備地線在設(shè)備上造成的電位差,是設(shè)備損壞的主要原因。測試是將一放電導(dǎo)線觸地端連接系統(tǒng)接地網(wǎng)上接地電阻估計較小的一點(真正的雷電流會流向這一點流動)，另一觸地端連接接閃器引下線（如鐵塔腳或高壓避雷器接地端）， 連接要良好。波形捕捉顯示單元輸入線接防雷設(shè)備需要測試的兩點。測試中放電電壓從最小值（10伏）開始。調(diào)節(jié)充電電阻，讓電容充電10伏，合上開關(guān)K測試一次，斷開開關(guān)K充電，調(diào)節(jié)R2增大C上電壓，循環(huán)到合上開關(guān)K ，觀察波形， 直到得到明顯測試電壓值。調(diào)換其它檢測點檢測，得到各設(shè)備對應(yīng)的雷電壓分布VD。在防雷系統(tǒng)中，對應(yīng)的檢測電壓越小，防雷效果越好。雷電位差測試點的選擇，選擇最可能被雷電損壞的設(shè)備上的兩點：如有連接的通信設(shè)備上的兩點，機(jī)房內(nèi)設(shè)備中性線點與設(shè)備接地點，設(shè)備接地點與工作地的外部連接點，還有某同軸電纜在連接口上的兩點，屏蔽層與芯線，這些可能發(fā)生設(shè)備損壞的兩點都可選為測試點。

如圖4是一種高頻頭容易被雷電損壞的衛(wèi)星信號接收電路，可用實驗證明在Q、P 間加300 V 的觸碰瞬態(tài)電壓就可使高頻頭損壞。圖5是進(jìn)行了改造，斷開了Q與接地連接，并充分絕緣的一種電路。兩種電路在相同的Q、P點測得的電位差差別是很大的。圖3測得Q、P間的電位差不是0，可預(yù)知接收電路可能會被竄地雷電損壞。在改造電路圖5中測得Q、P的電位差是0，可預(yù)知接收電路不會被竄地雷電損壞。

3.2 模擬雷電電磁感應(yīng)電位差的測試方法

圖4 高頻頭接地 Q、P 間電位差檢測電路

圖5 高頻頭不接地 Q、P 間電位差檢測電路

設(shè)備靠近大雷電電流導(dǎo)線時,瞬間變大的雷電流會在附近的導(dǎo)體環(huán)路感生出很大感應(yīng)電壓，檢測設(shè)備可能產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，可用外絕緣的放電導(dǎo)線在長度與形狀上模擬距設(shè)備20米以內(nèi)的大雷電流導(dǎo)線（貼近大雷電流導(dǎo)線走線）如圖6所示。將觸地端緊密短接，讓電容充電到一定值，合上開關(guān)就進(jìn)行了一次模擬雷電放電試驗，合上K瞬間，（V1最大可接近充電電壓）。檢測模擬雷電放電導(dǎo)線的電壓V1，檢測導(dǎo)體環(huán)路感應(yīng)的電壓V2，設(shè)實際雷電在雷電電流線上的電壓為V雷，導(dǎo)體環(huán)路感應(yīng)的電壓V感，則有V感/V雷=V2/V1，估計V雷,就可得V感。但若設(shè)備距離雷電流20米以上時，感應(yīng)的電壓可不計。可用外絕緣的測試引線與放電導(dǎo)線在一測試點連接后,沿放電方向雙絞在一起走線到另一測試點與電纜輸入進(jìn)行連接,減小測試干擾。

3.3 真實雷電位差測試方法

在測試圖4、圖6 中，將波形捕捉顯示電路在輸入加衰減器并進(jìn)行限壓保護(hù)，可在有雷電時獲得真實的雷電位差測試數(shù)據(jù)；但電路有被雷電損壞可能，并必需要用絕緣工具進(jìn)行測試操作。

3.4 防雷能力分析評價方法

圖6 電磁感應(yīng)電位差的測試電路

從雷電位差模擬值就可初步對防雷能力進(jìn)行評估。對那些不被雷電損壞的設(shè)備對應(yīng)檢測點模擬值與那些常被雷電損壞設(shè)備對應(yīng)的檢測點模擬值，進(jìn)行比較分析就可進(jìn)行評價（如圖4，圖5的測試評價）。當(dāng)然測試真實的雷電電位差進(jìn)行評價分析也行。

4 波形捕捉顯示電路實現(xiàn)技術(shù)

波形捕捉顯示電路主要由現(xiàn)場可編程門陣列FPGA處理器EP2C8Q208C8N[2], 8位高速AD轉(zhuǎn)換模塊ADC9280構(gòu)成，EP2C8Q208C8N有4,608個編程邏輯單元，片上RAM有119,808bits，可供高速數(shù)據(jù)存儲。圖5是ep2c8q208c8N與ADC9280連接圖示, ADC9280采樣速率達(dá)8位 32M MSPS。

圖7 A/D轉(zhuǎn)換存儲電路

ADC9280AD轉(zhuǎn)換控制原理：根據(jù)AD9280的采樣時序圖8， AD9280在收到第4個時鐘開始，以后在每一時鐘(INPUT CLOCK)控制下, 在時鐘上升沿啟動采樣并在時鐘高電平時間內(nèi)完成AD轉(zhuǎn)換,并輸出一個數(shù)據(jù),時鐘高電平時間要大于AD9280采樣轉(zhuǎn)換時間.(FPGA處理器)在時鐘下降沿可取數(shù)據(jù)。FPGA處理器的并行工作機(jī)制可以快速完成存貯這個數(shù)據(jù)的工作。

實時采集數(shù)據(jù)流程：ADC9280實時采集1個數(shù)據(jù)后即存到內(nèi)存，一直循環(huán)存貯在高速內(nèi)存（RAM內(nèi)）存儲數(shù)據(jù)到200個數(shù)據(jù)單元，若無大于設(shè)定閾值數(shù)據(jù)就循環(huán)存儲著200個數(shù)據(jù)，若有大于設(shè)定閾值數(shù)據(jù)就存儲500---1K個字節(jié)數(shù)據(jù)，供顯示輸出。

圖8 AD9280工作時序圖

[1]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50343-2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S]，北京 ：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012年：第3頁

[2]董星.基于FPGA的存儲控制器及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究[D].浙江大學(xué).2016：第2頁