電子信息系統雷電電磁脈沖防護研究

廣東天文防雷工程有限公司 周艷岳 杜宇峰 梁 浩

1.雷電災害

雷電的本質是帶電云層之間或者帶電云層對地之間發生的猛烈放電現象。當雷雨云之間整體或部分區域累積的正（負）電荷達到一定強度時，就會使得某一位置的電場強度達到大氣絕緣的極限值，云中電荷就會擊穿大氣與云體內部，與大氣層或地面的異性電荷發生中和放電，即產生雷電。雷電往往同時伴隨強烈的發光、高溫、電磁輻射、沖擊波和隆隆的雷聲。全球一年平均發生30多億次的雷電現象，每年因雷電災害而死亡的人數高達上萬人，損壞的設備更是不可計數。

美國國家海洋和大氣總署在一份氣象災害影響評估報告中指出“lightning is the most dangerous and frequently encountered weather hazard that most people experience each year.”意指“雷電是大多數人每年都會經歷的最危險和最頻繁發生的天氣危害”。從氣象學方面講，雷電是伴隨著強對流天氣過程發生的一種災害性天氣現象，伴隨一個典型雷暴的發生、發展及消退過程，雷電的生命史約為1個小時；從大氣電學角度看，雷電是地球大氣層中發生的電磁現象，閃電電磁場的主要特征表現為時變場，電壓、電流隨時間變化的速率極快，功率極高。電壓可高達數百兆伏，電流達400kA，中心溫度達30000℃，其電流的寬束能量是太陽表面的6倍，50%的雷電流平均約為30kA。

圖1 直擊雷及雷電電磁脈沖的危害

圖2 電源線穿金屬管埋地敷設示意圖

自然界的雷擊災害主要分為直接雷擊災害和雷電電磁脈沖（Lightning Electro-magnetic Pulse，LEMP）造成的危害。

直擊雷是帶電云層對大地、建（構）筑物、防雷裝置、其他物體間的放電現象。雷電具有非常巨大的破壞力，其強大的電流、極高的溫度、強烈的電磁脈沖輻射以及劇烈的沖擊波等效應，能夠在瞬間對建（構）物、電子信息系統、各種線路乃至人身安全，產生巨大的破壞作用，造成財產損失和人員傷亡。

當帶電云層之間或者帶電云層對大地、建筑物、避雷裝置等放電時，在放電通道四周將會產生強烈的雷電電磁脈沖輻射、電磁感應、靜電感應，使區域內的管道、鋁合金窗、各種線路等金屬物體感應出強烈的高壓電磁脈沖，當感應高電壓產生時，會沿著各種線路、管道進入室內，造成室內的各種微電子設備被雷擊損壞。如圖1所示。

從EMC(電磁兼容)的觀點來看，防雷保護由外到內應劃分多級保護區。最外層為直接雷擊區域，危險性最高，主要是由外部(建筑)防雷系統保護，越往內危險程度越低。

2.雷電電磁脈沖的防護

2.1 配電系統的防護

鑒于電子信息系統對雷電、浪涌等過電壓非常敏感，電源線路的雷電電磁脈沖防護是防護的重點。因為電源線路容易受到外部雷電電磁脈沖的感應而攜帶和傳導大量的雷電浪涌高壓。輸電線路如果由架空引入，處于直擊雷的威脅之下，當遭受雷擊時，線路回路上出現的浪涌可能會高達100kA以上。因此，現代的供電線路，一般都是采用鎧裝電纜埋地的方式引入（如圖2所示）。這種線路引入方式，大大降低了直擊雷所形成的浪涌對線路的威脅。

表1 浪涌保護器(浪涌保護器)連接線最小截面積

圖3 等電位連接示意圖

圖4 分區屏蔽

對供電系統采用多級保護，可以提高系統的可靠性。電子信息系統宜安裝多級浪涌保護器防雷電過電壓。第一級安裝在配電系統總出線處（配電盤）；第二級安裝在各系統供配電柜（箱）內；第三級安裝在微電子設備前端（計算機終端電源穩壓器或UPS電源前）。各級浪涌保護器通流量分別為：第一級不小于60kA（8/20μs），第二級不小于40kA（8/20μs）（限壓型），第三級不小于20kA（8/20μs）（限壓型），

對于采用直流供電的設備，應根據線路的長度和工作電壓，選用標稱放電電流不小于10kA適配的浪涌保護器。

浪涌保護器(浪涌保護器)的連接導線最小截面積應符合表1的規定。

電源上逐級加裝電源浪涌保護器，實現多級防護。即在變壓器的高壓端加裝高壓浪涌保護器，低壓側加裝低壓浪涌保護器，在交流配電屏和直流配電屏分別加裝交、直流浪涌保護器。加裝直流浪涌保護器是最近發布的防雷標準中提出的，因為直流浪涌保護器的殘壓大大低于交流浪涌保護器，因此能有效地提高敏感設備抵御雷電電磁脈沖的能力。浪涌保護器的防雷能力與安裝方式有密切關系，主要是引線電感會產生額外的殘壓，應盡可能地縮短電力線與浪涌保護器的連線和浪涌保護器與接地匯接板連線的長度。多級布置浪涌保護器可減小引線電感帶來的額外殘壓，因為前級浪涌保護器已將大部分雷電流泄放入地，后級的浪涌保護器只泄放少部分雷電流，雷電流的減小必然導致引線上的附加殘壓減小。為保證浪涌保護器由前到后順序泄放，浪涌保護器的動作電壓應是后級不低于前級。浪涌保護器之間的電力電纜長度不小于15m。

2.2 信息系統的防護

當雷電電磁脈沖順著電源、信號線路侵入時，系統內的電子設備極易遭受雷擊損害。對于信息系統的防雷保護，應針對雷電電磁脈沖的傳播途徑及危害機理，采取系統的的雷擊防護措施。

主要的防護方法有等電位連接、接地、屏蔽、安裝浪涌保護器等。

2.2.1 等電位連接

等電位連接的目的是為了克服不同電氣裝置之間的電位差。當接閃器接閃時，在雷電流途徑的路徑上會產生極高的電壓與電流，瞬態電位迅速抬高，與四周金屬物件之間會形成電位差，如果兩者間的電位差超過了耐受強度，就會產生擊穿放電，這種擊穿放電對于電子設備的危害極大，在擊穿放電的同時，也會產生電磁脈沖，干擾甚至損壞設備。為了消除這種擊穿放電，應該將所有現場設備的金屬外殼、各種金屬設施以及室內的弱電設備、金屬管道等作等電位連接，以消除各金屬物體之間的電位差。

2.2.2 接地

對于信息系統而言，應該將防雷接地、保護接地、工作接地等接地系統通過等電位連接母排連接在一起，實現共用接地。

在實際運用中，一些系統由于系統商的要求，往往要求采用獨立的接地系統，接地電阻值也各不相同，這些接地系統并未與建筑物的防雷接地連接在一起。這種接地方式，雖然在一定程度上減少了系統受到的干擾，但由于各接地系統間未進行等電位連接，當建筑物遭受雷擊時，雷電流沿著防雷引下線泄放入大地，在此過程中，將會在泄流通道上產生極高的電壓與極強的電流，可能會導致系統設備因為電位差而造成設備損壞。因此應采用共用接地系統，將各個接地系統何設為一個統一的接地網，則可避免地電位反擊對設備造成的危害。如果擔心偶然情況下共用接地對自控系統的干擾，可以用等電位連接器將自控系統的接地體與其他接地網連接，這樣就可以很好地解決兩方面的問題。

2.2.3 屏蔽

屏蔽在整個綜合防雷系統中，占有非常重要的一環，可以說，是防護雷電電磁脈沖最有效的措施。目前絕大部分新建建筑物都為鋼筋混凝土結構，結構內的建筑鋼筋網類似于法拉第籠的結構，因此鋼筋混凝土結構的建筑物，其本身已經具有一定的屏蔽作用。《建筑物防雷設計規范》中要求，新建建筑物鋼筋之間的連接，應采用焊接方式，這樣的措施，使得屏蔽效果更加明顯。因此，在建筑物由基礎開始施工的過程中，就應該將鋼筋之間通過焊接的方式連接而增加鋼筋籠連接的可靠性，這同時也是為將來室內的系統防雷打下良好的基礎。另一方面，進出建筑物的各種傳輸線纜，其本身的屏蔽層就有很好的屏蔽作用，如鎧裝電纜、帶屏蔽層的網絡線等，這些傳輸線纜的屏蔽層，可以很大程度的減少雷電電磁脈沖對線纜內部的輻射。如圖4所示。

2.2.4 安裝浪涌保護器

在實際應用中發現，即使是屏蔽措施做得比較完善的建筑物，也是不能完全避免因各種線纜進出而引入的雷電電磁脈沖的。這時候就必須在線路上安裝相應的浪涌保護器加以保護，對于屏蔽措施并不完善的建筑物，在線路上安裝浪涌保護器更是不可缺少的。

2.2.5 合理布線

在電子信息系統雷電電磁脈沖防護的工程中，科學、合理的布線，可以極大改善電子信息系統的電磁環境，有助于加強電子信息系統的防雷保護。進出室內的各種傳輸線應該分類布設，不應該混雜在一起，否則不僅線纜之間會互相干擾，還會在某條條線路受到雷電電磁脈沖輻射時，同時對混雜在一起的其它線纜產生二次感應。因此進出室內的各種強弱線纜，應分開敷設，并做好屏蔽措施，這樣既有利于線纜的維護，又有利于雷電電磁脈沖的防護。另外，室外的線纜，應盡量避免架空敷設，降低遭受雷擊的幾率，所有線纜應盡量穿金屬管（線槽）埋地敷設，并且應注意避開直擊雷防護裝置，比如避雷針、防雷引下線以及其他接閃裝置等。盡量遠離區域內可能作為接閃裝置的金屬物體，這樣，可以極大減少雷電電磁脈沖對埋地線路的影響。特別需要注意的是，信號線路在室內的敷設，應避免沿建筑物的柱體或緊貼外墻敷設，這樣也可以大大減少雷電電磁脈沖的干擾。

3.結論

電子信息系統的雷電電磁脈沖防護必須進行系統地設計，主要是在各種線路方面（電源、信號）采取各種分流限壓保護措施、以及規范的接地處理，并采取目前國際上提倡而且行之有效的合設接地方式等來達到對設備進行雷電防護的目的。

對電子信息系統的雷電電池脈沖防護，嚴格按照以上的要求去設計，可以最大限度的保護各種電子設備免遭雷電電磁脈沖的損害，保障人員安全，使系統設備正常運行。

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB50057－94.建筑物防雷設計規范[M].北京:中國計劃出版社,2000.

[2]四川省建設廳.GB50343－2004.建筑物信息系統防雷技術規范[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[3]梅忠恕.雷電沖擊電壓下接地裝置的電壓升高和反擊[J].云南電力技術,2007(1):3-6.