防雷檢測新方法與電路

（廣西廣播電視技術中心玉林分中心）

1 引言

等電位連接技術是現代得到廣泛應用的現代防雷技術，設備進行等電位連接防雷后本應對等電位連接防雷效果進行檢測。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應有更適用的防雷測試方法。其實防止設備不被雷電損壞不必要求設備上的雷電等電位，今天的等電位連接防雷技術實際也達不到讓設備的雷電等電位的水平[1],只是讓設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。如何測試雷電位差？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生，所以測試設備上的雷電位是很困難的。解決的方法是模擬雷電的產生，用模擬雷電對需要防雷的設備進行雷電位差檢測。為此需要一個產生模擬雷電流，檢測設備模擬雷電位差的電路，以便預見防雷系統的防雷效果。

2 技術說明

防雷電位測試電路包括雷電流模擬發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，所以放電導線用載面20—50mm2的銅導線，R1是充電限流電阻、R2是充電電壓調節電阻。K為大電流觸點鍍銀防振動開關，D1，D2為放電導線觸地端，放電導線電阻很小，當放電導線在觸地端短接，開關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可用并聯合成。

圖1 雷電流模擬發生電路

2.2 開關K的構造

如圖2是開關 K的構造圖， 為了消除開關的振動，造成接觸電阻變動，影響模擬效果，開關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K構造圖

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，高速模數轉換單元組成。波形顯示單元顯示波形的最大值與雷電位差相對應。電位差波形捕捉電路要求，當波形捕捉模塊輸入電壓大于一操作設定值時,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,供存貯數據顯示。

圖3 電位差波形捕捉顯示單元框圖

3 測試方法

測試設備的雷電電位差主要測量從接閃器到設備地，再到接地裝置的雷電流在設備上造成的電位差，后面簡稱為竄地雷電位差。其次還有流過大雷電流導線附近設備上的感應雷電位差，也可進行測試。測試可用雷電流模擬發生電路產生模擬雷電流加在設備接地網絡上，用電位差波形捕捉顯示單元進行波形顯示檢測,得到模擬雷電位差有關數據。

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或設備地線在設備上造成的電位差,是設備損壞的主要原因。測試是將一放電導線觸地端連接系統接地網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備需要測試的兩點。測試中放電電壓從最小值（10伏）開始。調節充電電阻，讓電容充電10伏，合上開關K測試一次，斷開開關K充電，調節R2增大C上電壓，循環到合上開關K ，觀察波形， 直到得到明顯測試電壓值。調換其它檢測點檢測，得到各設備對應的雷電壓分布VD。在防雷系統中，對應的檢測電壓越小，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備上的兩點：如有連接的通信設備上的兩點，機房內設備中性線點與設備接地點，設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，這些可能發生設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 的觸碰瞬態電壓就可使高頻頭損壞。圖5是進行了改造，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，可預知接收電路不會被竄地雷電損壞。

3.2 模擬雷電電磁感應電位差的測試方法

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

設備靠近大雷電電流導線時,瞬間變大的雷電流會在附近的導體環路感生出很大感應電壓，檢測設備可能產生的感應電壓，可用外絕緣的放電導線在長度與形狀上模擬距設備20米以內的大雷電流導線（貼近大雷電流導線走線）如圖6所示。將觸地端緊密短接，讓電容充電到一定值，合上開關就進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線的電壓V1，檢測導體環路感應的電壓V2，設實際雷電在雷電電流線上的電壓為V雷，導體環路感應的電壓V感，則有V感/V雷=V2/V1，估計V雷,就可得V感。但若設備距離雷電流20米以上時，感應的電壓可不計。可用外絕緣的測試引線與放電導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行限壓保護，可在有雷電時獲得真實的雷電位差測試數據；但電路有被雷電損壞可能，并必需要用絕緣工具進行測試操作。

3.4 防雷能力分析評價方法

圖6 電磁感應電位差的測試電路

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

4 波形捕捉顯示電路實現技術

波形捕捉顯示電路主要由現場可編程門陣列FPGA處理器EP2C8Q208C8N[2], 8位高速AD轉換模塊ADC9280構成，EP2C8Q208C8N有4,608個編程邏輯單元，片上RAM有119,808bits，可供高速數據存儲。圖5是ep2c8q208c8N與ADC9280連接圖示, ADC9280采樣速率達8位 32M MSPS。

圖7 A/D轉換存儲電路

ADC9280AD轉換控制原理：根據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完成AD轉換,并輸出一個數據,時鐘高電平時間要大于AD9280采樣轉換時間.(FPGA處理器)在時鐘下降沿可取數據。FPGA處理器的并行工作機制可以快速完成存貯這個數據的工作。

實時采集數據流程：ADC9280實時采集1個數據后即存到內存，一直循環存貯在高速內存（RAM內）存儲數據到200個數據單元，若無大于設定閾值數據就循環存儲著200個數據，若有大于設定閾值數據就存儲500---1K個字節數據，供顯示輸出。

圖8 AD9280工作時序圖

[1]住房和城鄉建設部.GB50343-2012建筑物電子信息系統防雷技術規范[S]，北京 ：中國標準出版社，2012年：第3頁

[2]董星.基于FPGA的存儲控制器及相關系統設計技術研究[D].浙江大學.2016：第2頁