三级医院自动化仪器设备的防雷设计要点

2020-09-25戴仕远

海峡科学 2020年8期

戴仕远

(漳浦县医院，福建漳州 363200)

漳浦县医院是一家三级医院，拥有众多精密自动化仪器设备，例如手术室里的成套手术设备、X射线诊断机、CT扫描仪器、核磁共振成像(MRI)仪器、电子内窥胃肠镜、微创手术设备、心电图机、脑电图机、肌电图机、光导手术器械(纤维内窥镜、激光治疗机)等，这些仪器设备主要由电子元器件、半导体集成电路与信息网络系统组成，普遍存在绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰高度敏感等弱点，半导体集成程度越高，设备抗干扰能力则越差。假如受到过电压、过电流、超强电磁脉冲等侵袭，这些高精度产品轻则工作失灵，重则使设备永久损坏，严重时造成接触人员伤亡。雷击能够产生强大的过电压、过电流与电磁脉冲，直接或间接对自动化仪器设备正常运转造成破坏。因此，做好三级医院自动化仪器设备的雷电防护具有十分重要的现实意义。

1 雷电对自动化仪器设备侵害的途径与机理

1.1 直接雷击

雷电直接击中自动化仪器设备，并给其带来电效应、热效应、机械力的破坏。

1.2 感应雷击

①静电感应。雷云在上，地面导体则会聚积大量电荷；雷云过后，电荷放电产生电流进入自动化仪器设备，对其造成损坏；②电磁脉冲辐射。雷电流在其通道周围空间产生电磁场，辐射电磁波，耦合到自动化仪器设备上，产生感应电动势或感生电流，对其造成干扰、损坏。

1.3 雷电过电压侵入

雷击建筑物外导线、金属管道，产生过电压、过电流并沿着其侵入自动化仪器设备，对其造成破坏，即形成线路传导浪涌过电压和开关浪涌过电压。这分为三种情况：①远点雷击架空供电线路、信号线路，会产生浪涌过电压、过电流进入建筑物内；②近点雷击产生电磁场感应。当建筑物或周围遭受雷击，强大的脉冲电流在周围空间产生交变磁场，处于磁场中的导体因此感应出高电压，进入建筑物内严重威胁自动化仪器设备的正常运转；③雷击造成电感、电容性负载的起动。即通常所说的开关操作过电压，可以造成4000V以上的过电压，远远超过脆弱电子设备的耐受能力，能够对自动化仪器设备造成严重破坏。

1.4 雷电反击

当建筑物上防雷装置接闪时，强大雷电流通过引下线进入接地装置，引起地电位抬升，击穿自动化仪器设备的绝缘部分，乃至对仪表产生干扰、破坏。

2 完善外部建筑物防雷系统，防护直接雷击

雷电防护必须是一个全面的过程，要做好自动化仪器设备的防雷，首先，安置仪器设备的建筑物必须具有规范的外部防雷系统，从而把直接雷击拦截在外，自动化仪器设备免遭直接雷击。在此基础上，自动化仪器设备的感应雷击、雷电过电压、雷电反击防护措施才能有效实施。下面是建筑物的外部防雷设计要点。

2.1 防雷类别，雷电防护等级，接地装置形式

漳浦县医院的所有自动化仪器设备安置在4幢10层以上的综合大楼内，因其属于人员密集场所，依据文献[1]，防雷类别为二类，须设计为引下线平均距离≤18m，防雷工程施工工艺、材料、规格等按二类防雷标准设计，10层以上每2层设置均压环；依据文献[2]，雷电防护等级为B级；其外部防雷装置充分利用建筑物里的框架钢筋自然构件，其接地装置设计为环形网格共用接地系统。

2.2 接地电阻、供电制式及线路入户形式

3 自动化仪器设备的感应雷击防护设计要点

雷击产生的电磁脉冲会对电子信息线路产生近端串扰、远端串扰、特性阻抗等，磁场强度超过1.8GS时，电子仪器就会产生误动作，超过2.4GS时，集成电路将发生永久性损坏。因此，必须把雷击电磁脉冲限制在1.8GS以内。

3.1 机房及重要电子仪器设备安置位置要求

机房是网络信号线、数据线的“心脏”，容不得出现任何失误，应选择安置在受雷击电磁脉冲影响最小的建筑物部位。下面就大楼各层的雷击电磁场分布情况进行计算。

顶四层的引下线分流系数分别为：

由此可见，如雷击在建筑物天面，则顶四层以下的分流系数最小，而分流系数与电磁场则呈正相关关系，因此机房及重要电子仪器设备应尽可能安装在顶四层以下且中间位置。

3.2 机房及重要电子仪器空间屏蔽与安全距离

机房及安置重要电子仪器设备房间必须具有上、下、左、右、前、后六面屏蔽功能，地面采用抗静电活动地板，弱电部分还应安装多层格栅形金属屏蔽网。各层格栅形屏蔽网内空间某点的磁场强度计算公式[1]：

(1)

3.3 仪器设备的等电位连接与导线的屏蔽措施

为了保持自动化仪器设备外部的电位均衡，保证接触仪器设备人员的人身安全，使电位差始终在安全电压36V之下，仪器设备必须做好等电位连接。三级医院的电子信息系统频率都在1MHz以上，因此仪器设备应就近接到M型网形结构等电位网络上。仪器的等电位连接原则是沿仪器对角联接两根接地体，其长度相差应为20%，以防一根产生谐振阻抗时，另一根还可以起到接地作用。

与电子仪器设备相连接的导线应采取屏蔽措施或套金属管，其穿越格栅形屏蔽空间时，应与格栅屏蔽层做电气连通，屏蔽层宜在两端于防雷区界面处做等电位连接，如要求系统只在一端做等电位连接时，则应采用两层屏蔽，外层屏蔽应至少在两端做等电位连接。

3.4 强电导线与电子信息系统线缆的安全距离

强、弱电线路的敷设应综合布设，两者必须一路分开敷设，以防强电对弱电的干扰，上下楼层输送应分别敷设在强弱电井内；同一楼层则分别敷设在架设的金属线槽或金属管道内，并保持一定距离。表1是电力电缆、防雷引下线、电力保护地线等与电子信息系统线缆应保持的安全间距。

表1 电力电缆、防雷引下线、电力保护地线等与

3.5 减少因导线缭绕形成环路引起的电磁场

雷电流存在巨大陡度，根据安培定则会产生交变电磁场，处在其中的导体(如电源线、网络线、天馈线、仪器设备等)可能组成电气回路，会耦合出感应脉冲过电压、过电流，给电气系统、弱电系统造成损害。假如雷击发生在建筑物附近，则防雷区某个环路的感应电压计算公式如下[1]：

Uoc/max=μo·S·H1/max/T1

(2)

公式(2)中Uoc/max、μo、S、H1/max、T1分别为环路开路最大感应电压、真空的磁导系数、环路包围面积、防雷区内最大磁场强度、雷电流波头时间。从式中可以看出，环路感应电压与环路包围面积成正比。因此，电子信息系统线缆应尽量减少因自身原因形成的电磁感应，以减少感生过电压、过电流对仪器设备的干扰与冲击。

4 自动化仪器设备的雷电过电压防护设计要点

医院里的自动化仪器与外界联系路径主要是电源线、信号线、工作接地线与防雷接地线。由雷击引发的过电压主要通过以上途径侵入。根据有关资料统计，通过以上途径入侵的雷击发生率超过80%。因此，斩断由供电、信号线路引入的线路传导浪涌过电压与由设备接地线引入的地电位反击过电压，是防护自动化仪器设备雷击的重中之重。

4.1 拦截侵入供电、信号线路的传导浪涌过电压

供电线路、信号线路引入的雷电过电压防护必须通过安装浪涌保护器(SPD)来实现。

根据IEC防雷分区原理，供电线路过电压防护可采用多级保护，总配电柜、自动发电机、UPS不间断电源等处防雷区LPZOA或LPZOB与LPZ1区的交界处，应安装通过Ⅰ类或Ⅱ类实验的SPD，各分配电箱则安装Ⅱ类或Ⅲ类试验的SPD作为后续保护。各级SPD的选择原则如下：能承受安装点上预计通过的冲击电流Iimp、其电压有效保护水平UP/f应小于相对应仪器设备的耐冲击额定电压值Uw；当电压开关型SPD与限压型SPD之间线路长度<10m或限压型SPD之间线路长度<5m，则两级SPD之间则应加装退耦装置。

根据IEC防雷分区原理及机房特殊性，信号线路应采用多级相适配信号SPD安装保护。但因信号线路的弱电性，必须根据线路的工作频率、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式、特性阻抗等参数选择SPD；导线长度若超过30m，需再加装一级SPD[3]。

各级SPD的安装最佳位置为雷电防护区界面处，如LPZ1、LPZ2、LPZ3...LPZn等之间界面处，其接地导线应采用凯文V形接线法，以求最短距离。通过多级分流，将雷电过电压、过电流降低至设备耐受能力范围内。

4.2 拦截侵入设备接地线的地电位反击过电压

雷电在建筑物上接闪，流经引下线、通过接地体泄流入地，在这通道上，其一，周边必存在着接触电压、跨步电压，危及周边人员生命安全，因此，在其3m范围内应做好防接触电压、跨步电压的措施；其二，自动化仪器设备的接地线，假如它们与引下线、接地体没有足够的安全距离，则这过电压、过电流会对仪器设备形成反击，造成损坏。因此，①接地装置应采用网格接地体以分流；②充分利用建筑物的桩、柱以泄流；③尽量降低冲击接地电阻；④仪器设备的工作接地、防雷接地以及与之相连接的金属管道应与建筑物防雷引下线、接地体保持足够距离。