電子信息系統防雷工程研究

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1雷電對電子信息系統的危害

1.1直擊雷擊。所謂的直擊雷擊從實質上看就是一種放電現象，只不過這種放電借由雷云產生的電流直接投放到地面建筑上的某一點或者是雷云放射出的電流直接與地面及其建筑物中的某一點發生了導電反應。直擊雷擊所帶來的危害有三點：①被雷電襲擊的物體會突然之間承受巨大的雷電流導致電流之間產生熱效應從而爆發巨大的能量使得被擊中的物體驟然升溫；②雷電的到來往往是會攜帶高強度的電流，如此大的能量造成空氣的膨脹度不斷提高，傳播擴散的速度極快，再和周圍的冷空氣產生碰撞，就會形成激波，從而威脅到周邊的建筑或樹木；③新增的雷電磁場會產生電動力效應造成電力設備損壞，影響電子信息系統供電質量。1.2感應雷擊。所謂的感應雷擊指的建筑物防雷裝置落雷后，雷電流在入地的過程中，雷電流附近產生強大的電磁場，在周圍的金屬導體內產生強大的過電壓瞬態波，即雷電電涌。電子信息設備的電磁兼容能力低下，抗雷電電涌的能力十分脆弱，因此感應雷擊會沿著金屬導線對電子信息設備的電源、信號端口產生巨大的破壞作用。電子信息系統受到直擊雷的概率相對較低，但由于設備接口多、線路長，比較容易受到雷電電涌侵入，造成電子設備失效。因此，雷電電涌防護的主要手段是在雷電電涌侵入的通道上設置合適的電涌保護器，對雷電流進行限壓、分流，以達到保護電子信息系統的目的。

2雷電電涌入侵電子信息設備的路徑

石化企業的電子信息系統所構成的子系統很多，電子信息系統的設備不光安裝在建筑物內，還有很大一部分終端設備是安裝在戶外裝置區內，電子信息系統的電源端口、信號端口都有可能遭到雷電電涌威脅。安裝在建筑物內或戶外裝置區內的電子信息設備受到相關建、構筑物外部防雷裝置的保護，基本上能免遭直擊雷的威脅，但是，卻容易遭受雷電電涌對電子信息設備的損害。下面討論雷電電涌入侵電子信息設備的主要路徑。參照《低壓電涌保護器第22部分：電信和信號網絡的電涌保護器（SPD）選擇和應用導則》（GB/T18802.22-2008）中7.2條[1]，耦合機理：雷電電涌入侵電子信息設備的主要路徑主要有（S1）雷擊建筑物、（S2）雷擊建筑物附近區域地面、（S3）雷擊電子信息線路、（S4）雷擊電子信息線路附近區域等四種情況，文章僅討論雷電危害，因此未將交流供電系統影響列入其中，詳見圖1。下面對這四種情況進行詳細分析，并根據《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）4.2.3條條文說明規范中表5查得預期雷擊的電涌電流[2]。①雷直擊建筑物外部接閃器（S1），通過引下線將雷電流IB引下，建筑物地電位升高，雷電流分流后分別進入地下及建筑物內等電位連接體，電子信息設備及配電箱地電位升高，設備地電位與設備信號線路、電源線路之間會形成較大的電位差，造成對設備接口的損壞。另外，雷電流通過引下線、電源線路還會在信號線路中感應出雷電電涌，進而損壞設備接口。建筑物信號線路產生兩種雷電電涌：一種雷電電涌的特征是電流波形為（10/350）μs、最大電流2kA。另一種雷電電涌的特征是電壓波形（1.2/50）μs、電流波形（8/20）μs、最大電流10kA。②雷直擊建筑物外附近地面（S2），雷電在室外線路產生雷電電涌，雷電電涌沿著信號線路進入建筑物，損壞設備接口；室外信號線路產生雷電電涌的特征是電壓波形（1.2/50）μs、電流波形（8/20）μs、最大電流0.2kA。③雷直擊室外線路（S3），雷電流沿信號線路進入建筑物損壞設備接口。信號線路上雷電電涌的特征是電流波形為（10/350）μs、最大電流2kA。④雷直擊室外電子信息線路附近地面（S4），雷電在室外線路產生雷電電涌，雷電電涌沿著信號線路進入建筑物，損壞設備接口；室外信號線路產生雷電電涌的特征是電壓波形（1.2/50）μs、電流波形（8/20）μs、最大電流0.16kA。

3電涌保護器的選用原則

3.1信號電涌保護器的選用。通過對雷電電涌入侵電子信息設備的主要路徑分析，可以看到信號線路上影響最大的是電流波形（10/350）μs、電流值2kA的雷電電涌，因此，在室外電子信息設備信號電涌保護器及信號線路引入建筑物時的信號電涌保護器應裝設具備防護此類雷電電涌的能力。另外，還需要根據雷電過電壓、過電流幅值和設備端口耐沖擊電壓額定值，設置單級電涌保護器或多級電涌保護器。參考《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（GB50343-2012）中的表5.4.4[3]和《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）“電子系統的室外線路采用金屬線時，在其引入安裝D1類高能量試驗類型的電涌保護器”的要求，并結合現有產品特點繪制雷電防護區邊界信號線路電涌保護器選擇表，詳見表1。表1中：①D1類別的信號電涌保護器的試驗類型為高能量，開路電壓大于1kV，短路電流為（0.5~2.5）kA[電流波形：（10/350）μs]；②C1類別的信號電涌保護器的試驗類型為快上升率，開路電壓（0.5~1）Kv[電壓波形（1.2/50）μs]，短路電流為（0.25~1）kA[電流波形：（8/20）μs]；③C2類別的信號電涌保護器的試驗類型為快上升率，開路電壓（2~10）Kv[電壓波形（1.2/50）μs]，短路電流為（1~5）kA[電流波形：（8/20）μs]；電子信息系統信號電涌保護器除考慮放電電流外還應根據信號的接口形式、額定電壓Un、負載電流、輸入功率、工作頻率和傳輸速率等參數，當然，電子信息設備信號接口的種類較多，需要確定的參數也不盡相同。總的來說，應選擇插入損耗小、分布電容小、并與縱向平衡、近端串擾指標適配的電涌保護器。最大持續電壓Uc應大于額定電壓Un的1.2倍，電壓保護水平Up應低于被保護設備的耐沖擊電壓額定值Uw。3.2電源電涌保護器的選用。電子信息系統的電源電涌保護器設置參考《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（GB50343-2012）表5.4.3，并根據《建筑物防雷設計規范》（GB50057-2010）要求“電源引入總配電箱處應裝設Ⅰ級試驗的電涌保護器”的要求繪制雷電防護區邊界電源線路電涌保護器選擇表，詳見表2。3.3爆炸危險環境內電涌保護器的選用。石化企業裝置現場多為爆炸危險區域，在這些區域內選用的電涌保護器需要考慮其設備保護級別和組別不低于該爆炸危險環境內爆炸性混合物的級別和組別，并根據設備保護級別來進一步確認設備防爆形式。

4結語

綜上所述，在具體的工程實例中，要依照具體的實際情況選擇性的安裝電涌保護器，在將技術標準和工程的實施方案考慮在內的情況下，就可以逐步實現低成本，高效率的將雷擊的概率降到最低，這樣就可以有效地避免由于雷電造成的經濟損失或人員傷亡。

參考文獻

[1]GB/T18802.22—2008低壓電涌保護器[S].

[2]GB50057—2010建筑物防雷設計規范[S].

[3]GB50343—2012建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].

作者:傅海波 單位:鎮海石化工程股份有限公司