電子信息系統(tǒng)防雷工程中電涌保護(hù)器的選用

劉鵬

摘要：電子信息系統(tǒng)很容易受到雷電電涌的影響， 為盡可能避免上述情況的出現(xiàn)， 論文闡述了雷電對(duì)電子信息系統(tǒng)的危害， 通過分析的雷電電涌入侵電子信息設(shè)備的路徑， 討論電涌保護(hù)器的選用原則和注意事項(xiàng)， 使電涌保護(hù)器更好地保護(hù)電子信息系統(tǒng)， 免遭雷電電涌的破壞。

關(guān)鍵詞：電子信息系統(tǒng); 防雷工程; 電涌保護(hù)器;

1 雷電對(duì)電子信息系統(tǒng)的危害

1.1 直擊雷擊

所謂的直擊雷擊從實(shí)質(zhì)上看就是一種放電現(xiàn)象， 只不過這種放電借由雷云產(chǎn)生的電流直接投放到地面建筑上的某一點(diǎn)或者是雷云放射出的電流直接與地面及其建筑物中的某一點(diǎn)發(fā)生了導(dǎo)電反應(yīng)。直擊雷擊所帶來的危害有三點(diǎn)：

（1） 被雷電襲擊的物體會(huì)突然之間承受巨大的雷電流導(dǎo)致電流之間產(chǎn)生熱效應(yīng)從而爆發(fā)巨大的能量使得被擊中的物體驟然升溫;

（2） 雷電的到來往往是會(huì)攜帶高強(qiáng)度的電流， 如此大的能量造成空氣的膨脹度不斷提高， 傳播擴(kuò)散的速度極快， 再和周圍的冷空氣產(chǎn)生碰撞， 就會(huì)形成激波， 從而威脅到周邊的建筑或樹木;

（3） 新增的雷電磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)力效應(yīng)造成電力設(shè)備損壞， 影響電子信息系統(tǒng)供電質(zhì)量。

1.2 感應(yīng)雷擊

所謂的感應(yīng)雷擊指的建筑物防雷裝置落雷后， 雷電流在入地的過程中， 雷電流附近產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)， 在周圍的金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的過電壓瞬態(tài)波， 即雷電電涌。電子信息設(shè)備的電磁兼容能力低下， 抗雷電電涌的能力十分脆弱， 因此感應(yīng)雷擊會(huì)沿著金屬導(dǎo)線對(duì)電子信息設(shè)備的電源、信號(hào)端口產(chǎn)生巨大的破壞作用。

電子信息系統(tǒng)受到直擊雷的概率相對(duì)較低， 但由于設(shè)備接口多、線路長(zhǎng)， 比較容易受到雷電電涌侵入， 造成電子設(shè)備失效。因此， 雷電電涌防護(hù)的主要手段是在雷電電涌侵入的通道上設(shè)置合適的電涌保護(hù)器， 對(duì)雷電流進(jìn)行限壓、分流， 以達(dá)到保護(hù)電子信息系統(tǒng)的目的。

2 雷電電涌入侵電子信息設(shè)備的路徑

石化企業(yè)的電子信息系統(tǒng)所構(gòu)成的子系統(tǒng)很多， 電子信息系統(tǒng)的設(shè)備不光安裝在建筑物內(nèi)， 還有很大一部分終端設(shè)備是安裝在戶外裝置區(qū)內(nèi)， 電子信息系統(tǒng)的電源端口、信號(hào)端口都有可能遭到雷電電涌威脅。安裝在建筑物內(nèi)或戶外裝置區(qū)內(nèi)的電子信息設(shè)備受到相關(guān)建、構(gòu)筑物外部防雷裝置的保護(hù)， 基本上能免遭直擊雷的威脅， 但是， 卻容易遭受雷電電涌對(duì)電子信息設(shè)備的損害。下面討論雷電電涌入侵電子信息設(shè)備的主要路徑。

參照《低壓電涌保護(hù)器第22部分：電信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器 （SPD） 選擇和應(yīng)用導(dǎo)則》 （GB/T 18802.22-2008） 中7.2條， 耦合機(jī)理：雷電電涌入侵電子信息設(shè)備的主要路徑主要有 （S1） 雷擊建筑物、 （S2） 雷擊建筑物附近區(qū)域地面、 （S3） 雷擊電子信息線路、 （S4） 雷擊電子信息線路附近區(qū)域等四種情況， 文章僅討論雷電危害， 因此未將交流供電系統(tǒng)影響列入其中， 詳見圖1。

下面對(duì)這四種情況進(jìn)行詳細(xì)分析， 并根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB50057-2010） 4.2.3條條文說明規(guī)范中表5查得預(yù)期雷擊的電涌電流。

（1） 雷直擊建筑物外部接閃器 （S1） ， 通過引下線將雷電流IB引下， 建筑物地電位升高， 雷電流分流后分別進(jìn)入地下及建筑物內(nèi)等電位連接體， 電子信息設(shè)備及配電箱地電位升高， 設(shè)備地電位與設(shè)備信號(hào)線路、電源線路之間會(huì)形成較大的電位差， 造成對(duì)設(shè)備接口的損壞。另外， 雷電流通過引下線、電源線路還會(huì)在信號(hào)線路中感應(yīng)出雷電電涌， 進(jìn)而損壞設(shè)備接口。建筑物信號(hào)線路產(chǎn)生兩種雷電電涌：一種雷電電涌的特征是電流波形為 （10/350） μs、最大電流2kA。另一種雷電電涌的特征是電壓波形 （1.2/50） μs、電流波形 （8/20） μs、最大電流10kA。

（2） 雷直擊建筑物外附近地面 （S2） ， 雷電在室外線路產(chǎn)生雷電電涌， 雷電電涌沿著信號(hào)線路進(jìn)入建筑物， 損壞設(shè)備接口;室外信號(hào)線路產(chǎn)生雷電電涌的特征是電壓波形 （1.2/50） μs、電流波形 （8/20） μs、最大電流0.2kA。

（3） 雷直擊室外線路 （S3） ， 雷電流沿信號(hào)線路進(jìn)入建筑物損壞設(shè)備接口。信號(hào)線路上雷電電涌的特征是電流波形為 （10/350） μs、最大電流2kA。

（4） 雷直擊室外電子信息線路附近地面 （S4） ， 雷電在室外線路產(chǎn)生雷電電涌， 雷電電涌沿著信號(hào)線路進(jìn)入建筑物， 損壞設(shè)備接口;室外信號(hào)線路產(chǎn)生雷電電涌的特征是電壓波形 （1.2/50） μs、電流波形 （8/20） μs、最大電流0.16kA。

3 電涌保護(hù)器的選用原則

3.1 信號(hào)電涌保護(hù)器的選用

通過對(duì)雷電電涌入侵電子信息設(shè)備的主要路徑分析， 可以看到信號(hào)線路上影響最大的是電流波形 （10/350） μs、電流值2kA的雷電電涌， 因此， 在室外電子信息設(shè)備信號(hào)電涌保護(hù)器及信號(hào)線路引入建筑物時(shí)的信號(hào)電涌保護(hù)器應(yīng)裝設(shè)具備防護(hù)此類雷電電涌的能力。另外， 還需要根據(jù)雷電過電壓、過電流幅值和設(shè)備端口耐沖擊電壓額定值， 設(shè)置單級(jí)電涌保護(hù)器或多級(jí)電涌保護(hù)器。

參考《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》 （GB 50343-2012） 中的表5.4.4和《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB50057-2010） “電子系統(tǒng)的室外線路采用金屬線時(shí)， 在其引入安裝D1類高能量試驗(yàn)類型的電涌保護(hù)器”的要求， 并結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品特點(diǎn)繪制雷電防護(hù)區(qū)邊界信號(hào)線路電涌保護(hù)器選擇表。

電子信息系統(tǒng)信號(hào)電涌保護(hù)器除考慮放電電流外還應(yīng)根據(jù)信號(hào)的接口形式、額定電壓Un、負(fù)載電流、輸入功率、工作頻率和傳輸速率等參數(shù)， 當(dāng)然， 電子信息設(shè)備信號(hào)接口的種類較多， 需要確定的參數(shù)也不盡相同。總的來說， 應(yīng)選擇插入損耗小、分布電容小、并與縱向平衡、近端串?dāng)_指標(biāo)適配的電涌保護(hù)器。最大持續(xù)電壓Uc應(yīng)大于額定電壓Un的1.2倍， 電壓保護(hù)水平Up應(yīng)低于被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊電壓額定值Uw。

3.2 電源電涌保護(hù)器的選用

電子信息系統(tǒng)的電源電涌保護(hù)器設(shè)置參考《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》 （GB 50343-2012） 表5.4.3， 并根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB 50057-2010） 要求“電源引入總配電箱處應(yīng)裝設(shè)Ⅰ級(jí)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器”的要求繪制雷電防護(hù)區(qū)邊界電源線路電涌保護(hù)器選擇表.

3.3 爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)電涌保護(hù)器的選用

石化企業(yè)裝置現(xiàn)場(chǎng)多為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域， 在這些區(qū)域內(nèi)選用的電涌保護(hù)器需要考慮其設(shè)備保護(hù)級(jí)別和組別不低于該爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)爆炸性混合物的級(jí)別和組別， 并根據(jù)設(shè)備保護(hù)級(jí)別來進(jìn)一步確認(rèn)設(shè)備防爆形式。

4 結(jié)語

綜上所述， 在具體的工程實(shí)例中， 要依照具體的實(shí)際情況選擇性的安裝電涌保護(hù)器， 在將技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工程的實(shí)施方案考慮在內(nèi)的情況下， 就可以逐步實(shí)現(xiàn)低成本， 高效率的將雷擊的概率降到最低， 這樣就可以有效地避免由于雷電造成的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T18802.22—2008低壓電涌保護(hù)器[S].

[2] GB50057—2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB50343—2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].