三級醫院自動化儀器設備的防雷設計要點

戴仕遠

(漳浦縣醫院，福建 漳州 363200)

漳浦縣醫院是一家三級醫院，擁有眾多精密自動化儀器設備，例如手術室里的成套手術設備、X射線診斷機、CT掃描儀器、核磁共振成像(MRI)儀器、電子內窺胃腸鏡、微創手術設備、心電圖機、腦電圖機、肌電圖機、光導手術器械(纖維內窺鏡、激光治療機)等，這些儀器設備主要由電子元器件、半導體集成電路與信息網絡系統組成，普遍存在絕緣強度低、過電壓和過電流耐受能力差、對電磁干擾高度敏感等弱點，半導體集成程度越高，設備抗干擾能力則越差。假如受到過電壓、過電流、超強電磁脈沖等侵襲，這些高精度產品輕則工作失靈，重則使設備永久損壞，嚴重時造成接觸人員傷亡。雷擊能夠產生強大的過電壓、過電流與電磁脈沖，直接或間接對自動化儀器設備正常運轉造成破壞。因此，做好三級醫院自動化儀器設備的雷電防護具有十分重要的現實意義。

1 雷電對自動化儀器設備侵害的途徑與機理

1.1 直接雷擊

雷電直接擊中自動化儀器設備，并給其帶來電效應、熱效應、機械力的破壞。

1.2 感應雷擊

①靜電感應。雷云在上，地面導體則會聚積大量電荷；雷云過后，電荷放電產生電流進入自動化儀器設備，對其造成損壞；②電磁脈沖輻射。雷電流在其通道周圍空間產生電磁場，輻射電磁波，耦合到自動化儀器設備上，產生感應電動勢或感生電流，對其造成干擾、損壞。

1.3 雷電過電壓侵入

雷擊建筑物外導線、金屬管道，產生過電壓、過電流并沿著其侵入自動化儀器設備，對其造成破壞，即形成線路傳導浪涌過電壓和開關浪涌過電壓。這分為三種情況：①遠點雷擊架空供電線路、信號線路，會產生浪涌過電壓、過電流進入建筑物內；②近點雷擊產生電磁場感應。當建筑物或周圍遭受雷擊，強大的脈沖電流在周圍空間產生交變磁場，處于磁場中的導體因此感應出高電壓，進入建筑物內嚴重威脅自動化儀器設備的正常運轉；③雷擊造成電感、電容性負載的起動。即通常所說的開關操作過電壓，可以造成4000V以上的過電壓，遠遠超過脆弱電子設備的耐受能力，能夠對自動化儀器設備造成嚴重破壞。

1.4 雷電反擊

當建筑物上防雷裝置接閃時，強大雷電流通過引下線進入接地裝置，引起地電位抬升，擊穿自動化儀器設備的絕緣部分，乃至對儀表產生干擾、破壞。

2 完善外部建筑物防雷系統，防護直接雷擊

雷電防護必須是一個全面的過程，要做好自動化儀器設備的防雷，首先，安置儀器設備的建筑物必須具有規范的外部防雷系統，從而把直接雷擊攔截在外，自動化儀器設備免遭直接雷擊。在此基礎上，自動化儀器設備的感應雷擊、雷電過電壓、雷電反擊防護措施才能有效實施。下面是建筑物的外部防雷設計要點。

2.1 防雷類別，雷電防護等級，接地裝置形式

漳浦縣醫院的所有自動化儀器設備安置在4幢10層以上的綜合大樓內，因其屬于人員密集場所，依據文獻[1]，防雷類別為二類，須設計為引下線平均距離≤18m，防雷工程施工工藝、材料、規格等按二類防雷標準設計，10層以上每2層設置均壓環；依據文獻[2]，雷電防護等級為B級；其外部防雷裝置充分利用建筑物里的框架鋼筋自然構件，其接地裝置設計為環形網格共用接地系統。

2.2 接地電阻、供電制式及線路入戶形式

3 自動化儀器設備的感應雷擊防護設計要點

雷擊產生的電磁脈沖會對電子信息線路產生近端串擾、遠端串擾、特性阻抗等，磁場強度超過1.8GS時，電子儀器就會產生誤動作，超過2.4GS時，集成電路將發生永久性損壞。因此，必須把雷擊電磁脈沖限制在1.8GS以內。

3.1 機房及重要電子儀器設備安置位置要求

機房是網絡信號線、數據線的“心臟”，容不得出現任何失誤，應選擇安置在受雷擊電磁脈沖影響最小的建筑物部位。下面就大樓各層的雷擊電磁場分布情況進行計算。

頂四層的引下線分流系數分別為：

由此可見，如雷擊在建筑物天面，則頂四層以下的分流系數最小，而分流系數與電磁場則呈正相關關系，因此機房及重要電子儀器設備應盡可能安裝在頂四層以下且中間位置。

3.2 機房及重要電子儀器空間屏蔽與安全距離

機房及安置重要電子儀器設備房間必須具有上、下、左、右、前、后六面屏蔽功能，地面采用抗靜電活動地板，弱電部分還應安裝多層格柵形金屬屏蔽網。各層格柵形屏蔽網內空間某點的磁場強度計算公式[1]：

(1)

3.3 儀器設備的等電位連接與導線的屏蔽措施

為了保持自動化儀器設備外部的電位均衡，保證接觸儀器設備人員的人身安全，使電位差始終在安全電壓36V之下，儀器設備必須做好等電位連接。三級醫院的電子信息系統頻率都在1MHz以上，因此儀器設備應就近接到M型網形結構等電位網絡上。儀器的等電位連接原則是沿儀器對角聯接兩根接地體，其長度相差應為20%，以防一根產生諧振阻抗時，另一根還可以起到接地作用。

與電子儀器設備相連接的導線應采取屏蔽措施或套金屬管，其穿越格柵形屏蔽空間時，應與格柵屏蔽層做電氣連通，屏蔽層宜在兩端于防雷區界面處做等電位連接，如要求系統只在一端做等電位連接時，則應采用兩層屏蔽，外層屏蔽應至少在兩端做等電位連接。

3.4 強電導線與電子信息系統線纜的安全距離

強、弱電線路的敷設應綜合布設，兩者必須一路分開敷設，以防強電對弱電的干擾，上下樓層輸送應分別敷設在強弱電井內；同一樓層則分別敷設在架設的金屬線槽或金屬管道內，并保持一定距離。表1是電力電纜、防雷引下線、電力保護地線等與電子信息系統線纜應保持的安全間距。

表1 電力電纜、防雷引下線、電力保護地線等與

3.5 減少因導線繚繞形成環路引起的電磁場

雷電流存在巨大陡度，根據安培定則會產生交變電磁場，處在其中的導體(如電源線、網絡線、天饋線、儀器設備等)可能組成電氣回路，會耦合出感應脈沖過電壓、過電流，給電氣系統、弱電系統造成損害。假如雷擊發生在建筑物附近，則防雷區某個環路的感應電壓計算公式如下[1]：

Uoc/max=μo·S·H1/max/T1

(2)

公式(2)中Uoc/max、μo、S、H1/max、T1分別為環路開路最大感應電壓、真空的磁導系數、環路包圍面積、防雷區內最大磁場強度、雷電流波頭時間。從式中可以看出，環路感應電壓與環路包圍面積成正比。因此，電子信息系統線纜應盡量減少因自身原因形成的電磁感應，以減少感生過電壓、過電流對儀器設備的干擾與沖擊。

4 自動化儀器設備的雷電過電壓防護設計要點

醫院里的自動化儀器與外界聯系路徑主要是電源線、信號線、工作接地線與防雷接地線。由雷擊引發的過電壓主要通過以上途徑侵入。根據有關資料統計，通過以上途徑入侵的雷擊發生率超過80%。因此，斬斷由供電、信號線路引入的線路傳導浪涌過電壓與由設備接地線引入的地電位反擊過電壓，是防護自動化儀器設備雷擊的重中之重。

4.1 攔截侵入供電、信號線路的傳導浪涌過電壓

供電線路、信號線路引入的雷電過電壓防護必須通過安裝浪涌保護器(SPD)來實現。

根據IEC防雷分區原理，供電線路過電壓防護可采用多級保護，總配電柜、自動發電機、UPS不間斷電源等處防雷區LPZOA或LPZOB與LPZ1區的交界處，應安裝通過Ⅰ類或Ⅱ類實驗的SPD，各分配電箱則安裝Ⅱ類或Ⅲ類試驗的SPD作為后續保護。各級SPD的選擇原則如下：能承受安裝點上預計通過的沖擊電流Iimp、其電壓有效保護水平UP/f應小于相對應儀器設備的耐沖擊額定電壓值Uw；當電壓開關型SPD與限壓型SPD之間線路長度<10m或限壓型SPD之間線路長度<5m，則兩級SPD之間則應加裝退耦裝置。

根據IEC防雷分區原理及機房特殊性，信號線路應采用多級相適配信號SPD安裝保護。但因信號線路的弱電性，必須根據線路的工作頻率、傳輸速率、傳輸帶寬、工作電壓、接口形式、特性阻抗等參數選擇SPD；導線長度若超過30m，需再加裝一級SPD[3]。

各級SPD的安裝最佳位置為雷電防護區界面處，如LPZ1、LPZ2、LPZ3...LPZn等之間界面處，其接地導線應采用凱文V形接線法，以求最短距離。通過多級分流，將雷電過電壓、過電流降低至設備耐受能力范圍內。

4.2 攔截侵入設備接地線的地電位反擊過電壓

雷電在建筑物上接閃，流經引下線、通過接地體泄流入地，在這通道上，其一，周邊必存在著接觸電壓、跨步電壓，危及周邊人員生命安全，因此，在其3m范圍內應做好防接觸電壓、跨步電壓的措施；其二，自動化儀器設備的接地線，假如它們與引下線、接地體沒有足夠的安全距離，則這過電壓、過電流會對儀器設備形成反擊，造成損壞。因此，①接地裝置應采用網格接地體以分流；②充分利用建筑物的樁、柱以泄流；③盡量降低沖擊接地電阻；④儀器設備的工作接地、防雷接地以及與之相連接的金屬管道應與建筑物防雷引下線、接地體保持足夠距離。

5 防雷效果

漳浦縣醫院在外部建筑物竣工驗收合格基礎上，其內自動化儀器設備嚴格按照所設計的防雷防護措施全面施工后，多年來一直運行良好，從未出現過任何雷擊安全事故。

6 結論

三級醫院自動化儀器設備的防雷設計必須按照全面防護、內外結合原則，遵循分流、屏蔽、等電位連接、接地的理念。