浅谈民航空管设备机房供配电防雷及接地系统

浅谈民航空管设备机房的供配电、防雷及接地系统作者：栾春伟前言在保障飞行安全和航班正常的现代民航空管设备体系中，大量的采用了计算机和大规模集成电路技术，例如通信（有线和无线）、导航、雷达，以及各种自动化系统等。由于计算机微电子设备的工作电压一般在正负12V以内，具有灵敏度高、绝缘强度低、电压耐受能力差的特点，所以设备运行对供电质量、防雷、接地、防静电等方面的要求非常高。因此，加强对空管设备机房的供配电、防雷和接地等系统的研究，有助于有效地实施防护措施，提高空管设备运行的稳定性、可靠性和安全性，进而提高空中交通管理业务的保障水平。1、供电系统对设备运行的影响1.1、市电与弱电简介市电是供电公司提供给居民的交流电（alternatingcurrent，AC），包含三个要素，即电压（Voltage）、电流（current）、频率（frequency），在我国，市电频率为50Hz，电压为220V±10%，电流值与负载功率成正比，即公式：电流=功率/电压。弱电一词源于智能建筑（IntelligentBuildings），指建筑综合布线系统中的音频线路、视频线路、计算机网络、电话线路、无线通信等，如音响设备、有线电视、视频监控、计算机网络、电话网络等。弱电电压一般为交流36V以下，或者直流24V以下，弱电的频率一般达到千赫或兆赫。市电主要提供能源，如照明、驱动电机等，而弱电主要用于信息传递，如传输语音、图像、数据等信息。在计算机、家电等弱电设备内部，一般都有电源部分，负责将普通市电转换为可供计算机等使用的低电压。1.2电能质量1.2.1、电能质量技术指标电能质量技术指标主要包括：电压波动、频率波动、谐波和三相不平衡等。供电电能质量会受到多种干扰而降低，如产生电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”。常见的干扰因素包括：电路负荷变化、电动机启动、电器开启与关停、电路导闸切换、雷击、人为故障等。1.2.2电压波动（Undulatingvoltage）理想的市电电压波型是连续、光滑、没有畸变的正弦波，其幅值和频率稳定。当市电负荷发生变化时，如附近有大型设备启动，电路负荷增加较大，使供电电源正弦波的幅值受到影响，产生低电压，这也是在日常生活中，灯光强度突然变暗的原因。一般计算机允许电压波动范围为AC220V±5%，当供电电压波动超过允许范围时，就会使计算机出现运算错误，在电压降低至额定电压(Nominalvoltage)的70%时，计算机的停电检测电路就视为停电，导致计算机关机或重新启动。1.2.3、频率波动（Undulatingfrequency）市电供电频率波动主要是由于电网超负荷运行而引起发电机转速的变化所致。计算机的外部设备大多采用同步电动机，一般计算机频率允许波动范围为50Hz±1%。当电源频率波动超过允许范围时，会使计算机信息存储的频率发生变化而产生错误。1.2.4、瞬间停电（Interruptpower-supply）如果电网中发生瞬间停电，如供电线路导闸切换，将直接影响计算机的正常运行。一般计算机要求电源中断在10ms之内。当电源中断时间小于1.5ms，计算机系统会通过自身的大电容放电，来维持系统继续运行。当电源中断超过1.5ms时，作为计算机存储器的MOS电路就会失去记忆，导致处于运算过程中的数据丢失，并产生运算错误，甚至停机。1.2.5零地电压过高理想状态下，零线与地线之间电压接近于0V，实际上零地电压一般在十几伏以内，如果地线悬浮（断开或未接），零地电压甚至高达110V。计算机通信设备一般要求零地电压在2V以下，有些高级服务器要求零地电压小于1V。零地电压过高，将影响设备系统的安全可靠运行，例如，可能加速设备老化，引起硬件故障，甚至损坏设备；也可能引发控制信号误动作，造成设备误启动和误关机；还会影响通信质量，造成误码率上升，丢包率增加，通信缓慢等。零地电压过高的常见原因包括：（a）三相电源配电时负载不平衡。由于市电三相交流电的三根相线上的负载不同，三根相线中的电流并不相等，导致零线上出现电流，产生电压降，使零线与用户端的接地线之间存在电压。（b）接地电阻不符合规范要求。如果接地电阻过高，很小的电流就会产生零地电压（c）N（零）线、PE（地）线的线径不够或断路。（d）高频谐波引起电位升高；由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生高次谐波。常见的非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。（e）电磁场干扰；2、电涌对设备运行的影响2.1、电涌及其危害简介电涌(surge)是电路中出现的瞬间电流、电压波动。当瞬间电压及电流高于正常值的双倍时，可称之为电涌，通常持续约百万分之一秒。电涌的危害包括，绝缘损坏引起短路，击穿整流、稳压元件使设备停工或漏电伤人。短路是导线间因非正常连接而形成的闭合回路，短路能产生非常大的电流,导致电路烧毁甚至发生火灾。漏电，一般指电器外壳带电，是电器外壳和市电火线之间，由于某种原因连通，在外壳和地之间产生一定的电位差。例如，电源主板上积累的灰尘受潮后，使高压和低压部分连通，引起外壳带电。2.2电涌成因电涌分为外部电涌和内部电涌。外部电涌主要是雷电、电路导闸操作等产生的过电压。内部电涌主要是建筑物内部的设备开关电源产生的电涌。据统计，内部电涌过电压事件占80%以上。2.2.1、雷电电涌过电压:雷电电涌过电压可细分为感应雷击电涌过电压、直接雷击电涌过电压、雷击传导电涌过电压(a)感应雷击电涌过电压：雷击闪电产生高速变化的电磁场，闪电辐射的电场作用于楼体内的钢筋、电线等导体，感应出很高的过电压，这类过电压具有很陡的前沿并快速衰减。(b)直接雷击电涌过电压；直接落雷在电网上，由于瞬间能量巨大，破坏力及强，目前还没有一种设备能对直接落雷进行保护。(c)雷击传导电涌过电压：由远处的架空线传导而来，由于接于电力网的设备对过电压有不同的抑制能力，因此传导过电压能量随线路的延长而减弱。2.2.2、操作电涌过电压：由于接通和分断控制设备时，产生的电涌过电压，特别是电动机或变压器负载，在起动或开断时，出现载流和重燃过电压，常使电动机绕组或变压器击穿损坏。3、配电系统对设备运行的影响通过总结经验，合理地进行配电设计，可以有效地预防供电系统故障对设备运行的危害。例如，在有主、备用两套设备的系统中，不要将主用设备与备用设备接到同一UPS供电回路，这样可以防止因供电回路受到雷击等冲击时，引起主、备用设备同时损坏，无法保障运行。再如，使机房内的主用设备供电和辅助设备供电要分离，并严格按规定操作。这样可以防止，有人将短路的电烙铁、电源插排、测试设备等接入到为重要设备供电的回路中，引起电源保护开关跳闸断电，导致重要设备停机等严重问题。4、静电对设备运行的影响静电（Staticelectricity）是处于静止状态的电荷。各类物体都可能由于移动或摩擦而产生静电，尤其是在干燥的环境中。静电电压非常高，可达到数千伏到十千伏，但能量较小。静电放电（ElectrostaticDischarge，ESD）会击穿集成电路和精密的电子元件、引起电子设备故障或误动作、引爆粉尘和油雾等。集成电路一般只能承受8千伏以内的直接接触静电。5、设备机房中采取的应对措施5.1供电配电设计引接两路独立的主电源供电，即通过电网中不同的变压器引接两路主电源线入户。当一路发生故障无法供电时，另一路可以继续供电。机房内主用设备供电与辅助设备供电分离，并严格按要求操作。主设备指计算机、网络设备等，辅助设备指机房照明、空调、临时接入的测试设备等。主用设备与备用设备接到不同的供电电回路上，例如由两路完全独立分隔的UPS系统分别供电，当一路UPS系统维护或停机时，计算机设备可以不停机地切接到另一个UPS供电回路。5.2、使用UPS供电UPS（UninterruptiblePowerSupply），即不间断电源，能在市电供电质量下低或断电时，为计算机和网络系统继续供电，保障设备继续运行。UPS主要有两个作用：一是断电应急，防止突然断电而引起工作中断，或者给计算机造成损害（如，缓存中的数据丢失）；二是提供高质量的稳压、稳频供电，市电经过UPS的整形、滤波和稳压处理，可以消除电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”。UPS主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成，逆变器为主要元件。1)整流器：简单说，整流器是将交流电（AC）转化为直流电（DC）的装置。其主要功能是：一是将交流电变成直流电，经滤波后供给负载或者逆变器；二是给蓄电池提供充电电压，起到充电器的作用。刚整流出来的直流电带有较大的脉动性，存在小的波峰波谷，需要经过滤波，得到平滑的高质量直流电压。电源滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路，就是一个选频电路，让符合频率要求的信号（直流或50Hz电流）顺利通过，同时抑制或消除不符合要求的频率信号。2)蓄电池：蓄电池是UPS系统中储存电能的装置，电池容量大小决定其维持放电（供电）的时间长短，若干只单个电池串联而成蓄电池组。其主要功能是：一是当市电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部。二是当市电故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载。常见型号有100AH-12V等。3)逆变器：是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成；常见的UPS种类有在线式、后备式等。在线式(ON-LINE)UPS：当输入、负载和UPS本身都正常工作时，UPS电源将输入的交流市电先通过整流器变成直流电，然后通过逆变器将直流电逆变成交流电，输出标准的稳定的纯净的正弦波电源。负载得到的是由逆变器输出的高质量的正弦波电源。后备式（OFF-LINE/BACK-UP）UPS：当输入，负载及UPS本身都正常工作时，UPS仅将市电做简单的升压、降压和滤波处理，然后直接输出给负载使用，只有当市电供电不符合要求时，UPS才将电池的直流逆变成交流电，输出给负载使用。在大部分时间，负载使用的是经过简单处理的市电输入电源。表一：UPS种类5.3油机为应对长时间停电的风险，需要为重要的设备系统配备油机发电系统。定期测试油机系统的可靠性，并及时保养，确保在关键时刻能够正常启动油机。5.4、多级次的全面防雷保护系统5.4.1、电涌保护器电涌保护器(SurgeprotectionDevice，SPD)，俗称“避雷器”、“防雷模块”或“过电压保护器”等，是一种电子设备雷电防护装置。其工作原理是，把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护设备系统不受冲击而损坏。要重视电涌保护器的质量，并且不能过于依赖电涌保护器的作用。5.4.2、多级次的全面防雷保护简介防雷保护是一个综合系统，国家标准《建筑防雷设计规范》有很多要求，笔者臆测，其核心做法就是采取“多级次的全面防雷保护”。多级次的全面防雷保护示例A级保护：变电站处的保护B级保护：建筑物主配盘处的保护C级保护：建筑物内分配电盘处的保护D级保护：末端的负载保护5.5四种接地A根据《中华人民共和国国家标准电子计算机机房设计规范》（GB50174-93）中，第六章电气技术之第四节接地的规定，电子计算机机房应采用下列四种接地方式：(a)交流工作接地，接地电阻不应大于4Ω；(b)安全工作接地，接地电阻不应大于4Ω；(c)直流工作接地，接地电阻应按计算机系统具体要求确定；（笔者注：应小于1Ω）(d)防雷接地，应按现行国家标准《建筑防雷设计规范》执行。交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防防雷接地等四种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻按其中最小值确定；若防雷接地单独设置接地装置时，其余三种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻不应大于其中最小值，并应按现行国标准《建筑防雷设计规范》要求采取防止反击措施。5.6防静电安装防静电地板，并将防静电地板下面的金属支架通过铜箔网连接，再与机房的接地汇流铜排连接。当人在地板上面行走时，摩擦产生的静电，由防静电地板及金属支架传入地板底下的铜箔，再导入大地。将机房内湿度控制在合理的范围内，可