CN103384064B - 一种分布系统集中接地保护与雷电防护装置及系统 - Google Patents

Abstract

一种分布系统集中接地保护与雷电防护装置及系统，所述的集中接地保护是在网络分布系统中，受保护装置的拉远端不在本地安装接地装置，而是将拉远端的所有接地通过集中接地技术在全部信源端进行集中接地处理，装置包括电源防护单元和接地防护单元，外接电源通过电源防护单元给受保护设备供电，受保护设备的设备接地PE端通过接地防护单元连接至集中接地线进行接地，系统将一个以上的受保护装置的全部信源端通过集中接地线对所有的拉远端进行集中接地。由于本发明采用了集中接地技术，可以通过交流零线或直流正极线接地，也可以通过电源电缆屏蔽线或在电源电缆增加一根保护地线来实现集中接地。

Description

一种分布系统集中接地保护与雷电防护装置及系统

技术领域

本发明公开一种接地保护与雷电防护领域，涉及一种基于网络分布系统的集中接地保护与雷电防护方法和装置。

背景技术

自然界每年都有几百万次闪电，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。仅仅在中国，每年因雷击造成的人员伤亡达到3千人～4千人，财产损失达到50亿元～100亿元人民币。

　　雷电灾害所涉及的范围几乎遍布各行各业。以大规模集成电路为核心组件的测量、监控、保护、通信、计算机网络等先进微电子设备广泛运用于电力、航空、国防、通信、广电、金融、交通、石化、医疗以及其它现代生活的各个领域，这些微电子设备普遍存在着对瞬态过电压、过电流耐受能力较弱的缺点，瞬态过电压不仅会造成电子设备产生误操作，也会造成更大的直接经济损失和广泛的社会影响。

长期以来，人们对雷电现象的本质和征服雷害的方法一直进行着不断的研究和探索。然而，由于很多建筑物和电子设备没有采取可靠的接地和有效的雷电流泄放措施，雷闪产生的强大瞬态电流不仅使雷击点的建筑物和设备遭受严重的破坏，而且雷闪在地面与电离层之间所激发的宽频谱、幅度强的电磁脉冲，使得邻近众多的电子设备、输电线路遭受到损坏。因此，可靠的接地技术和良好的泄流方法成为减少雷电灾害的重要指标。

目前通用的接地技术与防雷方法（又称防雷接地系统），是将防雷设施（如接闪器）或防雷器件（如浪涌保护器SPD）通过接地线（防雷接地）直接与接地装置（又称接地网或地网）进行连接，为侵入的雷电流提供泄放到大地的通道。此外，接地还是保护人身安全（保护接地）、提高电源供电系统稳定性（工作接地）、屏蔽外来电磁波干扰（屏蔽接地）等的重要措施。

然而，现有技术中的接地技术与防雷方法存在着如下的问题：

（1）现有的接地技术与防雷方法是利用雷电流本身的能量使非线性器件SPD瞬间短路使雷电流通过接地线向大地泄放的一种方法，从技术原理上来看，这就需要接地装置具有很小的接地电阻。然而，由于土壤电阻率的存在，特别是在土壤电阻率较高的地区（如高山），要满足一个很小接地电阻的接地装置是非常难以实现的，不仅需要建设一个很大面积的接地网，使用大量的钢材、降阻剂，还面临着接地网施工与当地管理部门协调难的问题。

（2）现有的接地技术与防雷方法是利用接地线与当地的接地装置进行连接为雷电流提供泄放通道，然而有许多电子设备在其安装地点很难进行接地装置的施工，如网络分布系统中的拉远端。室内拉远端（RRU）多安装在竖井、楼道、吊顶层等位置，难以就近找到设备接地点；室外拉远端（RRU）往往安装在楼项或城市小区（街道）路边，建设地网开挖路面与当地城市管理部门、物业管理部门的协调难度非常大。所以，接地方法对网络分布系统建设带来了很大的困扰。

（3）现有的接地技术与防雷方法在电路中浪涌保护器（SPD）是与电子设备并联的，由于SPD支路存在接地电阻，SPD支路无法完全泄放全部的雷电流，必然还会有一部分雷电流侵入电子设备，对电子设备造成影响，其影响程度取决于接地电阻值与负载特性阻抗的比值。

综上所述，现有的接地技术与防雷方法不仅在工程实施方面存在很大的难度，而且很难达到理想的防雷效果。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的现有的接地技术与防雷方法不仅在工程实施方面存在很大的难度，而且很难达到理想的防雷效果的缺点，本发明中的集中接地保护是指在网络分布系统中，拉远端（RRU）无需在本地安装接地装置（接地网），而是将拉远端（RRU）的所有接地通过集中接地技术将全部信源端（BBU）进行集中接地处理。从而彻底解决了网络分布系统中拉远端（RRU）本地接地难的问题，且极大的提升了网络分布系统的雷电防护效果。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种分布系统集中接地保护与雷电防护装置，该装置包括电源防护单元和接地防护单元，外接电源通过电源防护单元给受保护设备供电，受保护设备的设备接地PE端通过接地防护单元连接至集中接地线进行接地。

一种采用上述的分布系统集中接地保护与雷电防护装置的分布系统集中接地保护与雷电防护装置系统，所述的集中接地保护是在网络分布系统中，受保护装置的拉远端不在本地安装接地装置，而是将拉远端的所有接地通过集中接地技术在全部信源端进行集中接地处理，该系统将一个以上的受保护装置的全部信源端通过集中接地线对所有的拉远端进行集中接地。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的外接电源为交流电或直流电。

所述的外接电源采用交流电时，集中接地线为交流电中的零线，或集中接地线采用带金属屏蔽层的电源电缆中的金属屏蔽线接地，或集中接地线采用电源电缆中增加的一根保护地线接地。

所述的外接电源采用直流电时，集中接地线采用直流电源工作接地，或采用带金属屏蔽层的电源电缆中的金属屏蔽线接地，或采用电源电缆中增加的一根保护地线接地。

所述的电源防护单元包括相互连接的浪涌保护单元和浪涌抑制单元。

所述的浪涌保护单元包括串联连接的前级SPD模块和后级SPD模块，前级SPD模块连接在浪涌抑制单元前级，后级SPD模块连接在浪涌抑制单元后级。

所述的前级SPD模块包括跨接在两条电源输入线之间的串联连接的压敏电阻RV1与气体放电管G1。

所述的前级SPD模块还包括跨接在电源输入线的零线或正极电源线与接地防护单元之间的串联连接的压敏电阻RV2与气体放电管G2。

所述的后级SPD模块包括跨接在两条电源输入线之间的串联连接的压敏电阻RV3与气体放电管G3。

所述的后级SPD模块还包括跨接在电源输入线的零线或正极电源线与接地防护单元之间的串联连接的压敏电阻RV4与气体放电管G4。

所述的浪涌抑制单元采用串联连接在两条电源输入线上的电感L1和电感L2。

所述的电感L1和电感L2采用高感量磁芯电感，在雷电流的频率下呈瞬态高阻状态，而对工频电流和直流电流相当于短路状态。

所述的接地防护单元包括电感L3。

所述的接地防护单元还包括与电感L3串联连接的电感L4。

本发明的有益效果是：本发明具有如下的好处：1、由于本发明采用了集中接地技术，可以通过交流零线或直流正极线接地，也可以通过电源电缆屏蔽线或在电源电缆增加一根保护地线来实现集中接地。2、由于本发明中采用了雷电流通道抑制技术，阻断和抑制了雷电流入侵受保护电子设备的通道，雷电流只能通过浪涌保护器（SPD）支路向大地泄放，使雷电流的泄放不再依赖接地电阻值与受保护电子设备的特性阻抗比例进行分配，而是更多地向大地泄放，这样可以放宽对接地电阻的要求。3、由于本发明中采用雷电流通道抑制和两级泄放方法，SDP的通流量可以做的更大，使得雷电流通过整个防雷装置后的残压更低，防护效果更好。4、本发明中的SPD采用压敏电阻串气体放电管结构，能切断续流，防止地电位的反击。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明系统方框图。

图2为本发明实施例一电路原理图。

图3为本发明实施例二电路原理图。

图4为本发明实施例三电路原理图。

图5为本发明实施例四电路原理图。

图6为本发明实施例五电路原理图。

图7为本发明实施例六电路原理图。

图8为本发明实施例七、八电路原理图。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请参看附图1，本发明保护一种分布系统集中接地保护与雷电防护装置，避免了现有接地技术与防雷方法中存在的不足。本发明中的集中接地保护是指在网络分布系统中，拉远端（RRU）无需在本地安装接地装置（接地网），而是将拉远端（RRU）的所有接地通过集中接地技术将全部信源端（BBU）进行集中接地处理。从而彻底解决了网络分布系统中拉远端（RRU）本地接地难的问题，且极大的提升了网络分布系统的雷电防护效果。

本发明中的分布系统集中接地保护与雷电防护装置包括电源防护单元和接地防护单元，外接电源通过电源防护单元给受保护设备供电，受保护设备的设备接地PE端通过接地防护单元连接至集中接地线进行接地。

本发明同时保护一种采用上述装置的系统，该系统将一个以上的受保护装置的全部信源端通过集中接地线对所有的拉远端进行集中接地。

根据网络分布系统中拉远端（RRU）电源供电系统方式的不同，该集中接地保护与雷电防护可以通过以下四种方法来实现。

方法一：通过交流电源零线实现集中接地保护。

由于网络分布系统中的信源端（BBU）其交流零线是已经接地的（交流电源工作接地），拉远端（RRU）的接地即可通过接地保护单元接至交流零线来实现集中接地。

实施例一：请参看附图2，图2为本发明在交流电源系统中，实现交流零线集中接地的原理之一，由电源防护单元与接地防护单元组成，其技术原理是：电源防护单元由防护模块和雷电流抑制装置组成，其中防护模块由前级SPD模块包括压敏电阻RV1与气体放电管G1串联, 压敏电阻RV2与气体放电管G2串联组成，其中，串联连接的压敏电阻RV1与气体放电管G1跨接在火线和零线之间，串联连接的压敏电阻RV2与气体放电管G2连接在零线和接地防护单元之间，后级SPD模块包括压敏电阻RV3与气体放电管G3串联组成，雷电流抑制装置电感L1，电感L2组成，电感L1串联连接在前级SPD模块和后级SPD模块之间的火线上，电感L2串联连接在前级SPD模块和后级SPD模块之间的零线上，串联连接的压敏电阻RV3与气体放电管G3跨接在火线和零线之间；接地保护单元由雷电流抑制装置电感L3，电感L4组成，电感L3和电感L4串联连接在受保护设备的设备接地PE端和零线之间，本实施例中，串联连接的压敏电阻RV2与气体放电管G2连接在电感L3和电感L4之间。其中L1，L2，L3，L4是针对雷电流频谱而设计的高感量磁芯电感，在雷电流的频率下呈瞬态高阻状态，而对工频电流和直流电流相当于短路状态。当有雷电流入侵到系统中，由于雷电流抑制装置L1，L2的抑制作用，浪涌雷电流在这里被抑制，使得雷电流通过零线往接地网泄放，同时接地防护单元的雷电抑制装置呈高阻状态，能防止通过SPD的雷电流入侵到零线设备的机壳，同时也能防止设备机壳感应的雷电流通过集中接地线入侵到零线，这样可以实现零线接地。而SPD里面内置的紧靠于SPD表面的合金型温度保险丝能够有效地避免因SPD劣化/失效或暂时过电压而产生的火灾隐患，由于采用压敏电阻串联高性能气体放电管，两级SPD可以做到续流遮断，使SPD模块无续流，整个防护装置残压更低。

实施例二：请参看附图3，本实施例中结构基本上与实施例一结构相同，不同之处在于，前级SPD模块仅包括串联连接的压敏电阻RV1与气体放电管G1，接地防护单元包括一个电感L3。

实施例三：请参看附图4，本实施例中的结构基本上与实施例二相同，不同之处在于，本实施例与实施例二相比，后级SPD模块少了串联连接的压敏电阻RV2与气体放电管G2。

实施例二和实施例三为本发明在交流电源系统中实现交流零线集中接地的另外两种电路原图，均为本发明的保护范围之内，但不限定只有这三种保护原理，其他形式的SPD与雷电流抑制装置的组合也在本发明保护范围之内。

方法二：通过直流电源正极线实现集中接地保护。

由于网络分布系统中的信源端（BBU）其直流正极是已经接地的（即直流电源工作接地），拉远端（RRU）的接地即可通过接地保护单元接至直流正极线来实现集中接地。

实施例四：请参看附图5，图5为本发明在直流电源系统中，实现直流正极线集中接地的原理之一，其也是由电源防护单元与接地防护单元组成，其技术原理和电路结构与图2（即实施例一）原理和结构相同，不同之处在与实施例一为采用交流市电进行供电的结构，其电源线为火线和零线，本实施例中，采用的直流电源进行供电，负电源代替实施例一中的火线，正电源代替实施例一中的零线。

实施例五：请参看附图6，图6的技术原理和电路结构与图3（即实施例二）原理和结构相同，不同之处在与实施例二为采用交流市电进行供电的结构，其电源线为火线和零线，本实施例中，采用的直流电源进行供电，负电源代替实施例二中的火线，正电源代替实施例二中的零线。

实施例六：请参看附图7，图7的技术原理和电路结构与图4（即实施例三）原理和结构相同，不同之处在与实施例三为采用交流市电进行供电的结构，其电源线为火线和零线，本实施例中，采用的直流电源进行供电，负电源代替实施例三中的火线，正电源代替实施例三中的零线。

实施例五和实施例六为本发明在直流电源系统中实现直流正极线集中接地的另外两种电路原图，均为本发明的保护范围之内，但不限定只有这三种保护原理，其他形式的SPD与雷电流抑制装置的组合也在本发明保护范围之内。

方法三：通过电源电缆中的屏蔽线实现集中接地。

实施例七：本方法主要由于网络分布系统中从信源端（BBU）至拉远端（RRU）一般均采用带金属屏蔽层的电源电缆，只要在信源端（BBU）将电源电缆屏蔽线进行良好接地，拉远端（RRU）的接地即可通过接地保护单元接至屏蔽线来实现集中接地。

方法四：通过电源电缆中的保护地线实现集中接地。

实施例八：本方法主要在网络分布系统信源端（BBU）至拉远端（RRU）的电源电缆中增加一根保护地线（即三相五线制、单相三线制），只要在信源端（BBU）将该电源电缆的保护地线进行良好接地，拉远端（RRU）的接地即可通过接地保护单元接至保护地线来实现集中接地。

请参看附图8，实施例七和实施例八的电路结构相同，图8为本发明实现利用电源电缆屏蔽线接地或在电源电缆增加一根保护地线来实现集中接地的原理图，整个防护装置也是由电源防护单元与接地防护单元组成。电源防护单元由电源SPD模块和雷电流抑制装置组成；其中，防护模块由前级SPD模块包括压敏电阻RV1与气体放电管G1串联, 压敏电阻RV2与气体放电管G2串联组成，后级SPD模块包括压敏电阻RV3与气体放电管G3串联，压敏电阻RV4与气体放电管G4串联组成，雷电流抑制装置由高感量磁芯电感L1，L2组成；接地保护单元由高感量磁芯电感L3，电感L1串联连接在负电源线（或交流电中的火线，下同）上，电感L2串联连接在正电源线（或交流电中的零线，下同）上，电感L3串联连接在电源电缆屏蔽线或在电源电缆增加的保护地线上。串联连接的压敏电阻RV1与气体放电管G1跨接在正电源线和负电源线之间，且连接在电感L1和电感L2前级，串联连接的压敏电阻RV3与气体放电管G3也跨接在正电源线和负电源线之间，且连接在电感L1和电感L2的后级；串联连接的压敏电阻RV2与气体放电管G2跨接在正电源线和电源电缆屏蔽线或在电源电缆增加的保护地线之间，且连接在电感L2和电感L3前级，串联连接的压敏电阻RV4与气体放电管G4也跨接在正电源线和电源电缆屏蔽线或在电源电缆增加的保护地线之间，且连接在电感L2和电感L3后级。其中，本实施例中，L1，L2，L3是针对雷电流频谱而设计的高感量磁芯电感，在雷电流的频率下呈瞬态高阻状态，而对工频电流和直流电流相当于短路状态。当有雷电流入侵到系统中，由于雷电流抑制装置L1，L2的抑制作用，浪涌雷电流在此在这里被抑制使得通过SPD雷电流通过输电线缆的屏蔽线和宏站的另设接地线进行泄放，同时接地防护单元的抑制器呈高阻状态，能阻止屏蔽线或者宏站另设的接地线的雷电流入侵到受保护设备的机壳上，也能阻止受保护设备机壳的感应雷电流进入屏蔽线或者另设的接地线上，这样可以实现输电线缆的屏蔽线或者另设接地线来接地。而SPD里面内置的紧靠于SPD表面的合金型温度保险丝能够有效地避免因SPD劣化/失效或暂时过电压而产生的火灾隐患，由于采用压敏电阻串联高性能气体放电管，两级SPD都可以做到续流遮断，使SPD模块无续流，而整个防护装置通过通道抑制与两级泄放，剩余残压更低。

本发明具有如下的好处：1、由于本发明采用了集中接地技术，可以通过交流零线或直流正极线接地，也可以通过电源电缆屏蔽线或在电源电缆增加一根保护地线来实现集中接地。2、由于本发明中采用了雷电流通道抑制技术，阻断和抑制了雷电流入侵受保护电子设备的通道，雷电流只能通过浪涌保护器（SPD）支路向大地泄放，使雷电流的泄放不再依赖接地电阻值与受保护电子设备的特性阻抗比例进行分配，而是更多地向大地泄放，这样可以放宽对接地电阻的要求。3、由于本发明中采用雷电流通道抑制和两级泄放方法，SDP的通流量可以做的更大，使得雷电流通过整个防雷装置后的残压更低，防护效果更好。4、本发明中的SPD采用压敏电阻串气体放电管结构，能切断续流，防止地电位的反击。

Claims (10)

1.一种分布系统集中接地保护与雷电防护装置，其特征是：所述的集中接地保护是在网络分布系统中，受保护装置的拉远端不在本地安装接地装置，而是将拉远端的所有接地通过集中接地技术在全部信源端进行集中接地处理，所述的装置包括电源防护单元和接地防护单元，外接电源通过电源防护单元给受保护设备供电，受保护设备的设备接地PE端通过接地防护单元连接至集中接地线进行接地。

2.根据权利要求1所述的分布系统集中接地保护与雷电防护装置，其特征是：所述的外接电源为交流电或直流电，外接电源采用交流电时，集中接地线为交流电中的零线，或集中接地线采用带金属屏蔽层的电源电缆中的金属屏蔽线接地，或集中接地线采用电源电缆中增加的一根保护地线接地；外接电源采用直流电时，集中接地线采用直流电源工作接地，或采用带金属屏蔽层的电源电缆中的金属屏蔽线接地，或采用电源电缆中增加的一根保护地线接地。

3.根据权利要求1或2所述的分布系统集中接地保护与雷电防护装置，其特征是：所述的电源防护单元包括相互连接的浪涌保护单元和浪涌抑制单元，浪涌保护单元包括串联连接的前级SPD模块和后级SPD模块，前级SPD模块连接在浪涌抑制单元前级，后级SPD模块连接在浪涌抑制单元后级，后级SPD模块包括跨接在两条电源输入线之间的串联连接的压敏电阻RV3与气体放电管G3。

4.根据权利要求3所述的分布系统集中接地保护与雷电防护装置，其特征是：所述的前级SPD模块包括跨接在两条电源输入线之间的串联连接的压敏电阻RV1与气体放电管G1。

5.根据权利要求4所述的分布系统集中接地保护与雷电防护装置，其特征是：所述的前级SPD模块还包括跨接在电源输入线的零线或正极电源线与接地防护单元之间的串联连接的压敏电阻RV2与气体放电管G2。

6.根据权利要求3所述的分布系统集中接地保护与雷电防护装置，其特征是：所述的后级SPD模块还包括跨接在电源输入线的零线或正极电源线与接地防护单元之间的串联连接的压敏电阻RV4与气体放电管G4。

7.根据权利要求3所述的分布系统集中接地保护与雷电防护装置，其特征是：所述的浪涌抑制单元采用串联连接在两条电源输入线上的电感L1和电感L2，电感L1和电感L2采用高感量磁芯电感，在雷电流的频率下呈瞬态高阻状态，而对工频电流和直流电流相当于短路状态。

8.根据权利要求1或2所述的分布系统集中接地保护与雷电防护装置，其特征是：所述的接地防护单元包括电感L3。

9.根据权利要求8所述的分布系统集中接地保护与雷电防护装置，其特征是：所述的接地防护单元还包括与电感L3串联连接的电感L4。

10.一种采用如权利要求1至9中任意一项所述的分布系统集中接地保护与雷电防护装置的分布系统集中接地保护与雷电防护装置系统，其特征是：所述的系统将一个以上的受保护装置的全部信源端通过集中接地线对所有的拉远端进行集中接地。