感应雷击电子衡器的故障研究与预防

2010-08-09李春龙

中国测试 2010年4期

李春龙

（广东省计量科学研究院东莞分院，广东东莞 523120）

1 引言

雷电是因强对流气候而形成的雷雨云层之间或者云层与大地之间强烈瞬间的放电现象，它具有极大的破坏力。自然界中由雷电产生的雷击主要有直击雷击、感应雷击两大类。直击雷击是雷雨云对大地建筑物的放电现象；而感应雷击是由于雷雨云层相互之间或者雷雨云与大地之间放电时，在放电通道周围产生的电磁感应或者雷云电场的静电感应，使得建筑物上的金属管道、钢筋以及由室外进入室内的电源线、信号线路等感应的雷电高电压，通过这些线路以及通道引入造成放电，从而损坏电子和微电子设备。通过对雷击事故分析的结果可以得出一个结论，雷电造成的电子设备的损坏中90%以上是感应雷击造成的。

目前，各种大型电气设备和高大建筑物都设有较为完善的防雷击措施，能有效地防止雷电的直接侵害，但防感应雷击的效果确很一般。近年来由于感应雷击造成电子设备故障和损坏的情况也比较多，因此由感应雷击致使电子衡器设备损害更应高度警惕[1]。虽然防雷击是一个老话题，但对衡器行业来讲，却是一个需要讨论的新课题，因为衡器正处在全面向电子信息网络化改造过程中，其中还存在大量的有待改进和完善的工作。

2 防止感应雷击的理论方法

2.1 对传感器、二次仪表等电子设备部件作等电位防雷保护

等电位保护是电子衡器系统雷电保护系统的核心和根本[2]。雷击时，在强大的雷电电流泻入大地的瞬间，由于接地线存在电阻和电感，因此整体衡器系统对地可产生几万甚至几十万伏的高电位，此电位对电子衡器的各个部分甚至整体系统都是毁灭性的。对整体衡器系统的各部位（传感器、仪表和计算机）的各种接口均做相应的等电位保护，使整体衡器系统的基础电位随地线电位的变化而变化，这样有效地避免了雷电流产生的高电位对电子衡器造成的破坏。

2.2 切断传感器与秤台的电气连接

只做等电位保护还不够，还必须切断传感器与秤台的电气连接。由于传感器弹性体与秤台是处于电气连通状态的，而传感器的弹性体与电子电路之间耐压极限只有1～1.5 kV，传感器弹性体上感应的高电压会将传感器的应变片和其后的相应电路击穿，这就是大型电子衡器经常因遭受雷击而损坏的最主要原因[3]。因此需将传感器输出端加分流装置，与秤体连接接地，当有雷电流时，通过传感器分流装置，使得雷电流不经过传感器泻入大地，从而避免了雷电流产生电磁场感应的高电压通过传感器传给后端电子电路或二次仪表[4]。

2.3 供电系统做多级防雷保护

架空供电的电源线极易受到雷电袭击而产生浪涌通过电源，造成衡器系统损坏，因此，电子衡器电源系统采用三级防雷保护，第一级电源防雷模块安装在系统供电开关后，第二级电源防雷模块安装在稳压电源前，第三级电源防雷模块安装在设备前，此外三级防雷保护做到共地，并与秤体共地，做到等电位。在进入操作室的电源线路、信号线路特别是重要设备的前端按规范逐级加装浪涌保护器，将感应到电源线、天馈线以及信号线的雷电流泄放到大地，并将雷电以及浪涌钳位到设备能承受的范围，从而保护电子设备不被雷电感应高电压所损坏[5]。

2.4 做好屏蔽和隔离

所谓屏蔽，就是用金属网、箔、壳等把需要保护的对象包围起来，把闪电以及强干扰的电磁波在空间的入侵通道全部阻断，以保护电子设备安全。金属屏蔽网应与等电位接地端子进行可靠连接。所谓隔离，就是让敏感的电子信息设备尽可能避开或远离雷电和涌浪容易干扰的地方[6]。

2.5 共地连接和合理布线

共用接地是将在同一区域的交流工作地、直流工作地、安全保护地、防静电接地、防雷接地等共用一组接地装置[7]。共用接地系统的接地电阻应以接入设备中最小值确定。这样，整体衡器系统只有一个基础电位，当发生雷击时，此电位就会随着接地点的电位起伏而变化，确保整体衡器系统安然无恙[8]。合理布线就是将容易引起干扰的线缆分开敷设，并保持一定间距，符合国家标准GB/T 50311规范的规定。

3 实例分析和具体实施方案

为了能有的放矢地制定出切实可行的防雷措施，特别是防感应雷击对电子衡器造成的损害，对近两年来东莞地区电子衡器遭受雷电伤害情况做不完全统计，得到如下数据：

（1）三台电子汽车衡计算机的通讯接口板中调制解调器（Modem）损坏。

（2）两台电子汽车衡称重仪表到计算机的串行数据接口（RS232）损坏。

（3）两台电子汽车衡称重仪表到大屏幕显示器串行接口电路的光电耦合器（P521）和称重仪表到打印机接口电路(74HC244)损坏。

（4）一台电子汽车衡仪表到打印机接口电路（74HC245）损坏。

（5）一台电子汽车衡一只称重传感器损坏（输入端开路）。

（6）称重管理系统，有两台主机和两台CRT显示器的电源部分损坏。

从以上情况和处理过程来看，不难得出这样一些结论：

（1）损坏的元器件明显的不同于往年，称重传感器的损坏已占少数，这可能是因为称重传感器都接有可靠的大电流回路保护线，称重传感器的上、下短路接地，整个称重传感器形成对地等电位状态。加之又采用了防浪涌接线盒，实质上就是PCB板上焊有防浪涌及防感应雷的保护元器件，在供桥电压和信号输出端各并联一只TVS管，如P6KE18CA，适当地提高了防雷击能力。

（2）称重仪表和计算机又几乎都是电源电路和接口电路损坏，这样看来，雷电的感应浪涌电压的入侵途径除了电源，主要是通过信号线窜进设备内部，隔离、接口芯片当然首当其冲，遭其击穿破坏。

（3）计算机主机和显示器一般都采用无电源变压器的开关电源，不论是否开机，只要电源插头插在插座上，因为电源开关的动、静触点分离时的间隙只有2mm左右，瞬时雷电感应浪涌电压的火花闪络足以进入，使其电源电路中的整流元件、滤波电容受到感应雷击伤害。

（4）受雷电伤害的电子衡器故障比较明显，容易查找发现，只要对“进口、出口”电路稍加留心观察就能看到过电压击穿损坏的元器件（有的发黑，有的鼓包，甚至于炸裂）。除更换传感器外，更换接口芯片，基本上不需要重新标定，因而维修相对顺利。

鉴于以上情况，为了进一步降低雷击伤害，参照计算机房防雷设施，拟定并协助用户单位实施了电子衡器房防止雷击的预防方案，主要针对防止雷电感应电压从电源线窜入，特别注意到防止从信号线入侵。

其接线框图如图1所示，方案具体安装实施的特点如下：

（1）将三相四线制电源在进户处把零线做重复接地，其接地电阻小于4Ω，并将地线同时引入户内，形成三相五线制供电。这样地线既作接地保护用，又可预防共用零线断路时三相负荷不均衡引起的高电压危害（如仅接入单相电源，零线同样做重复接地后引入户内）。

（2）在室内配电箱中，对A、B、C三相各装一只DZ47－63/C16型空气断路器（空气开关）作为保护之用。据实践使用情况，此类开关比老式DZ12系列灵敏度要高很多，可靠性较好。在空气开关的下端火线与零线之间并联一只过压保护的压敏电阻。当遇到雷击感应浪涌高电压窜入时，达到压敏电阻的动作值，压敏电阻会立即由高阻转为导通，短路电流致使空气开关C16立即跳闸，起到过电压的保护。

（3）防雷滤波器主要由压敏电阻和LC滤波电路组成，其自制的实用电路如图2。L1、L2是用φ0.5～1.0mm的高强漆包线在同一磁环的两侧各绕6～8匝。

（4）信号避雷器是借鉴目前市场上有不少加装避雷器的家用电器，主要是将体积甚小的金属氧化物避雷器埋藏在家用电器中。其实质就是一个过压保护元件如压敏电阻（YM471）或TVS管。

按照图1方案实施的衡器房所，从2005年冬到2009年冬，经过2006年的雷雨季节，尤其是2007年3月底和7月、8月较强的雷雨，尚未发生一起雷电伤害的事故。而未安装的，在2006年7月就有一例是耀华XK3190-D2＋表中接口芯片HD74HC224P损坏。说明上述的预防措施是行之有效的。