电子信息系统雷电电磁脉冲防护研究

2011-07-12广东天文防雷工程有限公司周艳岳杜宇峰

电子世界 2011年15期

广东天文防雷工程有限公司周艳岳杜宇峰梁浩

1.雷电灾害

雷电的本质是带电云层之间或者带电云层对地之间发生的猛烈放电现象。当雷雨云之间整体或部分区域累积的正（负）电荷达到一定强度时，就会使得某一位置的电场强度达到大气绝缘的极限值，云中电荷就会击穿大气与云体内部，与大气层或地面的异性电荷发生中和放电，即产生雷电。雷电往往同时伴随强烈的发光、高温、电磁辐射、冲击波和隆隆的雷声。全球一年平均发生30多亿次的雷电现象，每年因雷电灾害而死亡的人数高达上万人，损坏的设备更是不可计数。

美国国家海洋和大气总署在一份气象灾害影响评估报告中指出“lightning is the most dangerous and frequently encountered weather hazard that most people experience each year.”意指“雷电是大多数人每年都会经历的最危险和最频繁发生的天气危害”。从气象学方面讲，雷电是伴随着强对流天气过程发生的一种灾害性天气现象，伴随一个典型雷暴的发生、发展及消退过程，雷电的生命史约为1个小时；从大气电学角度看，雷电是地球大气层中发生的电磁现象，闪电电磁场的主要特征表现为时变场，电压、电流随时间变化的速率极快，功率极高。电压可高达数百兆伏，电流达400kA，中心温度达30000℃，其电流的宽束能量是太阳表面的6倍，50%的雷电流平均约为30kA。

图1 直击雷及雷电电磁脉冲的危害

图2 电源线穿金属管埋地敷设示意图

自然界的雷击灾害主要分为直接雷击灾害和雷电电磁脉冲（Lightning Electro-magnetic Pulse，LEMP）造成的危害。

直击雷是带电云层对大地、建（构）筑物、防雷装置、其他物体间的放电现象。雷电具有非常巨大的破坏力，其强大的电流、极高的温度、强烈的电磁脉冲辐射以及剧烈的冲击波等效应，能够在瞬间对建（构）物、电子信息系统、各种线路乃至人身安全，产生巨大的破坏作用，造成财产损失和人员伤亡。

当带电云层之间或者带电云层对大地、建筑物、避雷装置等放电时，在放电通道四周将会产生强烈的雷电电磁脉冲辐射、电磁感应、静电感应，使区域内的管道、铝合金窗、各种线路等金属物体感应出强烈的高压电磁脉冲，当感应高电压产生时，会沿着各种线路、管道进入室内，造成室内的各种微电子设备被雷击损坏。如图1所示。

从EMC(电磁兼容)的观点来看，防雷保护由外到内应划分多级保护区。最外层为直接雷击区域，危险性最高，主要是由外部(建筑)防雷系统保护，越往内危险程度越低。

2.雷电电磁脉冲的防护

2.1 配电系统的防护

鉴于电子信息系统对雷电、浪涌等过电压非常敏感，电源线路的雷电电磁脉冲防护是防护的重点。因为电源线路容易受到外部雷电电磁脉冲的感应而携带和传导大量的雷电浪涌高压。输电线路如果由架空引入，处于直击雷的威胁之下，当遭受雷击时，线路回路上出现的浪涌可能会高达100kA以上。因此，现代的供电线路，一般都是采用铠装电缆埋地的方式引入（如图2所示）。这种线路引入方式，大大降低了直击雷所形成的浪涌对线路的威胁。

表1 浪涌保护器(浪涌保护器)连接线最小截面积

图3 等电位连接示意图

图4 分区屏蔽

对供电系统采用多级保护，可以提高系统的可靠性。电子信息系统宜安装多级浪涌保护器防雷电过电压。第一级安装在配电系统总出线处（配电盘）；第二级安装在各系统供配电柜（箱）内；第三级安装在微电子设备前端（计算机终端电源稳压器或UPS电源前）。各级浪涌保护器通流量分别为：第一级不小于60kA（8/20μs），第二级不小于40kA（8/20μs）（限压型），第三级不小于20kA（8/20μs）（限压型），

对于采用直流供电的设备，应根据线路的长度和工作电压，选用标称放电电流不小于10kA适配的浪涌保护器。

浪涌保护器(浪涌保护器)的连接导线最小截面积应符合表1的规定。

电源上逐级加装电源浪涌保护器，实现多级防护。即在变压器的高压端加装高压浪涌保护器，低压侧加装低压浪涌保护器，在交流配电屏和直流配电屏分别加装交、直流浪涌保护器。加装直流浪涌保护器是最近发布的防雷标准中提出的，因为直流浪涌保护器的残压大大低于交流浪涌保护器，因此能有效地提高敏感设备抵御雷电电磁脉冲的能力。浪涌保护器的防雷能力与安装方式有密切关系，主要是引线电感会产生额外的残压，应尽可能地缩短电力线与浪涌保护器的连线和浪涌保护器与接地汇接板连线的长度。多级布置浪涌保护器可减小引线电感带来的额外残压，因为前级浪涌保护器已将大部分雷电流泄放入地，后级的浪涌保护器只泄放少部分雷电流，雷电流的减小必然导致引线上的附加残压减小。为保证浪涌保护器由前到后顺序泄放，浪涌保护器的动作电压应是后级不低于前级。浪涌保护器之间的电力电缆长度不小于15m。

2.2 信息系统的防护

当雷电电磁脉冲顺着电源、信号线路侵入时，系统内的电子设备极易遭受雷击损害。对于信息系统的防雷保护，应针对雷电电磁脉冲的传播途径及危害机理，采取系统的的雷击防护措施。

主要的防护方法有等电位连接、接地、屏蔽、安装浪涌保护器等。

2.2.1 等电位连接

等电位连接的目的是为了克服不同电气装置之间的电位差。当接闪器接闪时，在雷电流途径的路径上会产生极高的电压与电流，瞬态电位迅速抬高，与四周金属物件之间会形成电位差，如果两者间的电位差超过了耐受强度，就会产生击穿放电，这种击穿放电对于电子设备的危害极大，在击穿放电的同时，也会产生电磁脉冲，干扰甚至损坏设备。为了消除这种击穿放电，应该将所有现场设备的金属外壳、各种金属设施以及室内的弱电设备、金属管道等作等电位连接，以消除各金属物体之间的电位差。

2.2.2 接地

对于信息系统而言，应该将防雷接地、保护接地、工作接地等接地系统通过等电位连接母排连接在一起，实现共用接地。

在实际运用中，一些系统由于系统商的要求，往往要求采用独立的接地系统，接地电阻值也各不相同，这些接地系统并未与建筑物的防雷接地连接在一起。这种接地方式，虽然在一定程度上减少了系统受到的干扰，但由于各接地系统间未进行等电位连接，当建筑物遭受雷击时，雷电流沿着防雷引下线泄放入大地，在此过程中，将会在泄流通道上产生极高的电压与极强的电流，可能会导致系统设备因为电位差而造成设备损坏。因此应采用共用接地系统，将各个接地系统何设为一个统一的接地网，则可避免地电位反击对设备造成的危害。如果担心偶然情况下共用接地对自控系统的干扰，可以用等电位连接器将自控系统的接地体与其他接地网连接，这样就可以很好地解决两方面的问题。

2.2.3 屏蔽

屏蔽在整个综合防雷系统中，占有非常重要的一环，可以说，是防护雷电电磁脉冲最有效的措施。目前绝大部分新建建筑物都为钢筋混凝土结构，结构内的建筑钢筋网类似于法拉第笼的结构，因此钢筋混凝土结构的建筑物，其本身已经具有一定的屏蔽作用。《建筑物防雷设计规范》中要求，新建建筑物钢筋之间的连接，应采用焊接方式，这样的措施，使得屏蔽效果更加明显。因此，在建筑物由基础开始施工的过程中，就应该将钢筋之间通过焊接的方式连接而增加钢筋笼连接的可靠性，这同时也是为将来室内的系统防雷打下良好的基础。另一方面，进出建筑物的各种传输线缆，其本身的屏蔽层就有很好的屏蔽作用，如铠装电缆、带屏蔽层的网络线等，这些传输线缆的屏蔽层，可以很大程度的减少雷电电磁脉冲对线缆内部的辐射。如图4所示。

2.2.4 安装浪涌保护器

在实际应用中发现，即使是屏蔽措施做得比较完善的建筑物，也是不能完全避免因各种线缆进出而引入的雷电电磁脉冲的。这时候就必须在线路上安装相应的浪涌保护器加以保护，对于屏蔽措施并不完善的建筑物，在线路上安装浪涌保护器更是不可缺少的。

2.2.5 合理布线

在电子信息系统雷电电磁脉冲防护的工程中，科学、合理的布线，可以极大改善电子信息系统的电磁环境，有助于加强电子信息系统的防雷保护。进出室内的各种传输线应该分类布设，不应该混杂在一起，否则不仅线缆之间会互相干扰，还会在某条条线路受到雷电电磁脉冲辐射时，同时对混杂在一起的其它线缆产生二次感应。因此进出室内的各种强弱线缆，应分开敷设，并做好屏蔽措施，这样既有利于线缆的维护，又有利于雷电电磁脉冲的防护。另外，室外的线缆，应尽量避免架空敷设，降低遭受雷击的几率，所有线缆应尽量穿金属管（线槽）埋地敷设，并且应注意避开直击雷防护装置，比如避雷针、防雷引下线以及其他接闪装置等。尽量远离区域内可能作为接闪装置的金属物体，这样，可以极大减少雷电电磁脉冲对埋地线路的影响。特别需要注意的是，信号线路在室内的敷设，应避免沿建筑物的柱体或紧贴外墙敷设，这样也可以大大减少雷电电磁脉冲的干扰。