計算機控制系統(tǒng)中雷電的防護

摘要 雷電災(zāi)害是自然界存在的災(zāi)害之一，其在瞬間釋放的強大脈沖電流會產(chǎn)生巨大的能量，并會誘發(fā)脈沖過電壓或過電流，從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此電力電子系統(tǒng)需要加強對雷電的防護措施。文中討論了雷電電擊對計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)生危害的原因，分析了雷電波侵入控制系統(tǒng)的主要途徑，并提出相關(guān)的計算機控制系統(tǒng)防雷措施。
關(guān)鍵詞 計算機；防雷；控制系統(tǒng)

    隨著電子器件向著精密化、集成化以及微型化的方向發(fā)展，其應(yīng)用強電磁脈沖的耐受能力就變得越來越差，但其作用卻在生產(chǎn)中變得日益重要，所以對其安全性的要求也越來越高。

1 雷電對控制系統(tǒng)產(chǎn)生危害的原因
    雷擊對計算機控制系統(tǒng)造成危害的主要原因有：(1)電源接地存在一定的缺陷，機房的地線和其所控制的范圍未處于同一地，二者間形成電位差，如果受到雷擊該缺陷表現(xiàn)更為明顯，從而危害到計算機系統(tǒng)。(2)電源線及網(wǎng)絡(luò)線的布設(shè)不合理，原本需要設(shè)置屏蔽接地卻未設(shè)置，如果發(fā)生雷擊，則網(wǎng)線及電源線都很容易受到感應(yīng)雷電的電磁脈沖，使其沿著網(wǎng)絡(luò)線路及電源線傳導(dǎo)至系統(tǒng)的設(shè)備中，損壞設(shè)備。(3)計算機本身抗干擾能力相對較差，由于計算機控制系統(tǒng)本身屬于弱電設(shè)備，如果雷電擊中建筑物頂部，其避雷帶雷電流在流經(jīng)房屋結(jié)構(gòu)柱的柱筋并泄放入地時，引下線附近會產(chǎn)生相對較強的交變磁場，受其影響，控制系統(tǒng)中的電路會受到感應(yīng)，所產(chǎn)生的高電壓就會擊穿集成電路及電子元件。此外，在雷雨天氣環(huán)境中，雷電波還有可能會沿著潮濕的線路傳導(dǎo)至控制系統(tǒng)，對其造成破壞。

2 雷電波入侵控制系統(tǒng)的途徑分析
    (1)直擊雷。所謂直擊雷建筑物中的露天設(shè)備直接遭受雷電的電擊，造成損壞或者雷電直接擊中了架空線纜，使得線纜熔斷最終導(dǎo)致設(shè)備損壞，這種現(xiàn)象被稱為直擊雷；落雷點在電源的高壓側(cè)，雷電會沿著供電線路直接侵入到計算機控制系統(tǒng)的供電電路中，從而產(chǎn)生過電流和過電壓，損壞供電系統(tǒng)的UPS電源，造成斷電，使整個控制系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。雷擊電流在流經(jīng)通信有線線路的過程中，會產(chǎn)生巨大的機械能，以及強大的沖擊波和高溫，損壞通信線路；而過電流及過電壓又經(jīng)過通信電流的有線線路侵入至控制系統(tǒng)的內(nèi)部，損壞設(shè)備的中斷器、電流轉(zhuǎn)換器等。
    (2)雷電感應(yīng)。靜電感應(yīng)及電磁感應(yīng)稱為感應(yīng)雷，也被稱為二次雷，盡管其破壞性相對直擊雷來說比較小，但是其發(fā)生的機率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過直擊雷。通常感應(yīng)過電壓可以分為以下兩種情況。
    1)回路感應(yīng)過電壓。因為計算機控制系統(tǒng)所在的房屋內(nèi)有大量的各種類型的線路，這些線路及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的布局較復(fù)雜，建筑物內(nèi)不同的空間位置都會構(gòu)成許多回路。如果建筑物受到雷擊，或者鄰近的地區(qū)出現(xiàn)雷電放電，就會在建筑物的內(nèi)部空間形成一個脈沖暫態(tài)磁場，該磁場進行陜速變化，其與這些回路交鏈后就會在回路中感應(yīng)暫態(tài)過電壓，與這些回路連接的相關(guān)控制設(shè)備就會受到損壞。在網(wǎng)絡(luò)通信線路系統(tǒng)中，感應(yīng)過電壓又分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩種，其中靜電感應(yīng)指的是架空線路與雷擊點相近，雷云團先導(dǎo)通道內(nèi)充滿了電荷，架空線會受其所產(chǎn)生靜電感應(yīng)的作用，積累大量反向電荷，一旦雷云團開始放電，雷云團中的電荷會與架空線的電荷快速中和，使得架空線中被束縛的電荷迅速釋放，從而形成暫態(tài)過電壓波。這種暫態(tài)過電壓波以接近光速的速度傳導(dǎo)至架空線的兩側(cè)，架空線路兩端所連接的設(shè)備受到入侵后被損壞。
    如果雷電直擊在避雷針或避雷帶時，雷電流的幅值相對較大，具有較高的波頭陡度，因此在雷電流通道附近就會產(chǎn)生一個較強的瞬變磁場，該磁場的作用較強大，其直接作用在網(wǎng)絡(luò)通信線路或者電源線中可以感應(yīng)出過電壓，侵入計算機控制系統(tǒng)中，設(shè)備就會受到損壞。如果雷電放電的電流強度達到一定程度，例如30 kA的雷電流，那么其可以影響到雷擊點1 km半徑范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備損壞。
    2)耦合及轉(zhuǎn)移過電壓。雷擊所引起的暫態(tài)高壓或者過電壓通常經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)線路的耦合或者轉(zhuǎn)移到計算機控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，損壞設(shè)備。
    (3)雷南地電位抬高。雷電波侵入，如果計算機控制系統(tǒng)的電源線、進入控制室的金屬管線以及信號傳輸線受到雷電感應(yīng)或者遭雷擊時，雷電所產(chǎn)生的雷電波就會經(jīng)過這些金屬導(dǎo)體直接侵入設(shè)備，產(chǎn)生電位差而損壞設(shè)備，這種現(xiàn)象就稱其為雷電波侵入。如果控制系統(tǒng)中設(shè)備的絕緣距離不夠，并且設(shè)備和避雷系統(tǒng)不共地，二者間會產(chǎn)生極高電壓，并且會產(chǎn)生放電擊穿事故，雷電波侵入會間接導(dǎo)致設(shè)備的損壞，甚至危及到人身安全。
    (4)控制系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的抗干擾能力分析。
    由于計算機控制系統(tǒng)及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由大量大規(guī)模集成電路所組成，因此抗干擾能力相對較差，盡管在進行系統(tǒng)設(shè)計時已經(jīng)采取了很多相應(yīng)的抗干擾措施，但是其只是對低能量的干擾比較有效，對于電磁脈沖以及雷電侵襲而導(dǎo)致的過電壓及過電流，其抵抗能力則薄弱，特別是雷電磁脈沖及浪涌等尤其敏感，十幾伏的電壓就有可能經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸線路以及電源線路侵入到設(shè)備內(nèi)部，損壞計算機的主板、多功能卡、相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及通信電流的中繼等。
    實際情況中，雷擊對計算機控制系統(tǒng)的侵入和破壞往往是幾種方式的混合作用，比如從一處地電位升高經(jīng)過水平接地引線向另一處傳遞；或者雷擊在大地時，雷電流經(jīng)過地下的金屬管道向建筑物內(nèi)傳導(dǎo)；架空線受到感應(yīng)后再向著建筑物內(nèi)傳導(dǎo)，從而傳遞至敏感設(shè)備造成設(shè)備損壞等。其具體的雷擊損壞計算機控制系統(tǒng)的途徑，如圖1所示。

3 系統(tǒng)舫雷的分類和作用機理
    一個完善的系統(tǒng)防雷方案必須包括內(nèi)部與外部防雷兩個方面，其中外部防雷措施包括避雷針和避雷帶以及接地極與引下線等，其主要作用是確保房屋本體不受直擊雷的襲擊，把可能擊中建筑的雷電利用這些防雷措施泄放入大地中；而內(nèi)部防雷的作用則是保護建筑內(nèi)部人員及設(shè)備的安全，內(nèi)部防雷是將一個適用的避雷器安裝在受保護設(shè)備的前端，使得大地、線路以及受保護設(shè)備三者形成有條件的等電位體，從而把可能入侵的雷電流攔截在外，把受到雷擊后內(nèi)部設(shè)施感應(yīng)的雷電流安全泄入大地。

4 雷擊防護措施
    (1)防雷區(qū)的劃分。系統(tǒng)防雷中一個重要的概念即為防雷區(qū)的劃分，圖2為某公司防雷區(qū)劃分示意圖。

    由圖2可以看出，該建筑物內(nèi)由外到內(nèi)按照順序劃分為：FA1為直擊雷的非防護區(qū)；FB1為直擊雷防護區(qū)；FA2則為第一防護區(qū)；FB2為第二防護區(qū)。直擊雷非防護區(qū)FA1的劃分：該區(qū)域內(nèi)的各對象會承受直擊雷，流過全部電流，而雷電的電磁場并沒有衰減。該區(qū)其實是房屋頂部及上部沒有受到避雷網(wǎng)所保護的部分。直擊雷防護區(qū)FB1的劃分：該區(qū)域的各對象不會受到直擊雷的侵入，但是雷電的電磁場也未衰退，該區(qū)域為建筑物頂部及上部避雷網(wǎng)的保護部分，防雷措施所采用的是避雷網(wǎng)和接地裝置。第一防護區(qū)FA2，在該區(qū)域內(nèi)的各對象不會受到直擊雷的侵入，并且雷電流在該區(qū)域會有所分流，如果設(shè)置相應(yīng)的屏蔽，那么電磁場作用就會相應(yīng)地衰退，其實現(xiàn)代的鋼筋結(jié)構(gòu)從某種意義上來說就是一個屏蔽。由圖可以看出該區(qū)域其實位于房內(nèi)，雷電流分散至各引下線。該區(qū)域主要的防雷措施就是等電位連接和浪涌防護器，其中等電位連接的位置就在FA1及FA2的交界，而浪涌防護器則接在FA2的入口。第二防護區(qū)FB2由圖可知其實際位于樓內(nèi)某防雷及防電流涌要求較高的監(jiān)控室內(nèi)，如果雷電的電磁脈沖需要進一步減少，那么該區(qū)域就采用次級浪涌防護器以及機房屏蔽；如果仍需再做減少，則需要再劃分防雷分區(qū)。
    (2)防傳導(dǎo)侵入。雷電通過傳導(dǎo)經(jīng)過電阻性耦合最終侵入計算機控制系統(tǒng)的主要途徑有兩種，即電源系統(tǒng)以及信號傳輸通道，因此要針對這兩部分采取相應(yīng)的防護措施。
    1)電源系統(tǒng)的防護。針對低壓電源系統(tǒng)所采取的防雷措施通常采用三級防護方案，即將電流逐層分流、降低殘留電壓以及對控制系統(tǒng)的用電設(shè)備加以保護。一般電源浪涌防護器主要有金屬氧化物避雷器、氣體放電間隙避雷器以及組合避雷器等。
    2)信號系統(tǒng)的防護。引入或者引出機房的信號電纜需要穿過金屬鋼管，并保證金屬鋼管接地良好，對信號系統(tǒng)的線路可起到屏蔽的作用，以減少或者防止直接雷擊以及感應(yīng)雷擊電磁脈沖。還可把線路進行埋地敷設(shè)，同樣可進行防雷擊保護。此外，在各種信號線及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線進出機房時，可以在設(shè)備端安裝SPD，按照實際的面線長度，在信號線及數(shù)據(jù)線的一頭或兩頭安裝SPD。總之針對控制系統(tǒng)輸入及輸出信號采取相應(yīng)的防護措施是必要的。
    (3)電源及信號避雷器的安裝。在電源及信號系統(tǒng)中可以采取以下避雷措施：在UPS電源的前端設(shè)置單相串聯(lián)電源浪涌保護器，在中繼器通信線路和計算機主機間，設(shè)置數(shù)據(jù)信號電涌保護器，在電流信號轉(zhuǎn)換器的信號輸入端安裝信號電涌保護器。把中繼器和主機的通信線路換為光纖，并將其固定鋼索進行可靠接地。而監(jiān)控室與其他受控單位間的通信網(wǎng)絡(luò)線，盡量敷設(shè)金屬電纜。
    (4)等電位保護。電子設(shè)備的機柜機架、金屬外殼、金屬管槽、屏蔽線纜外層、信息設(shè)備的防靜電接地端、安全保護接地端、浪涌保護接地端等，在同等電位連接網(wǎng)絡(luò)的接地端子相連接時，均需采用最短的距離?？刂葡到y(tǒng)的等電位連接，通常分為“S型星型結(jié)構(gòu)”以及“M型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)兩種”，其中在控制系統(tǒng)中設(shè)備較少或者進行局部控制時通常采用S型星型結(jié)構(gòu)，而在相對較大的控制系統(tǒng)中則采用M型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。等電位連接的基本方式如圖3所示。

5 結(jié)束語
    計算機控制系統(tǒng)的防雷措施有多種，在實際應(yīng)用中要注意：室外的網(wǎng)絡(luò)布線盡可能采用光纖通信介質(zhì)，假如采用電纜則要避免架空走線，應(yīng)采取地埋式敷設(shè)電纜。而信息中心是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其選位要充分考慮防雷安全，通?？梢赃x擇建筑物的邊角或者頂部位置。此外，防雷系統(tǒng)的施工設(shè)計具有專業(yè)性，所以在實際設(shè)計施工過程中，需要建立相應(yīng)的審核機制。