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◆直擊雷 ◆感應雷 ◆電湧及高電壓引入 ◆接地及地網 |
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| 淺談電子資訊系統的雷電防護工程技術 | |||
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伴隨著科學技術的腳步，知識經濟和資訊時代已經到來。資訊技術已滲透到了人類社會生產和生活的各個領域，各種資訊設備應用的範圍之廣、品種之多、數量之大是前所未有的。然而，以微電子技術為基礎原電子資訊設備因其集成度高、工作電壓低、運算速度快，其耐過電壓、過電流和抗雷電電磁脈衝[LEMP（Lightning Electro Magnetic Pulse）]的能力差，極易遭受雷電的危害，特別是雷電電磁脈衝造成的損害更為嚴重。因此，國際電工委員會（IEC）將雷電災害稱為“資訊時代的公害”。為了消除這一公害，人們進行了深入的理論研究和廣泛的實踐探索，研發了品種繁多的電子資訊系統的雷電防護產品，並從理論與實踐的結合上不斷完善電子資訊系統的雷電防護的工程技術。
電子資訊系統的雷電防護（以下簡稱資訊防雷）是一件關係到我國國民經濟的發展、科學技術的進步和國防現代化建設的一件大事。應予高度重視、認真對待。 一、加強雷電防護工作的必要性和重要性 （一）雷電災害劇增，損失嚴重 雷電災害是十種最嚴重的自然災害之一。全球每天約發生800萬次雷電，每年因雷擊造成的人員傷亡、財產損失不計其數。導致火災、爆炸、資訊系統癱瘓等事故頻繁發生。從衛星、通信、導航、電腦網路系統、通信指揮系統和有室外天饋設備的系統更是雷電的重災區。從某種意義上說，科技越發達，雷擊對人類的危害就越大。 1．國外情況 據美國國家雷電安全研究所關於雷電所造成的經濟影響的一份調查報告表明，美國每年因雷擊造成的損失約50∼60億美元。每年因雷擊造成的火災3萬多起，50%野外火災與雷電有關；30%的電力事故與雷電有關；有4／5石油產品儲存和儲藏罐事故是由雷擊引起的；由於雷電和操作過電壓造成物理裝置的損失約占80%。據德國一保險公司1997年對8722件案例損壞原因的分析，雷電及操作過電壓占31.66%。 2．我國情況 我國也是雷暴活動十分頻繁的國家。全國有21個省會城市雷暴日都在50天以上，最多可達134天。據不完全統計，我國每年因雷擊造成人員傷亡達3000∼4000人，財產損失50∼100億元人民幣。近年來，隨著社會經濟發展和現代化水準的提高，特別是資訊技術的快速發展，城市建設高層建築物日益增多，雷電災害程度和造成的經濟損失及社會影響也越來越大。在19985和1999年的兩年中，全國造成直接經濟損失在百萬元以上的雷電災害就有38起。據廣東省統計，在1996∼1999年的四年間，全省發生雷擊事故6143起，傷亡699人，直接經濟損失達15億元； 1989年8月12日，青島黃島油庫因雷擊引起特大火災和爆炸，庫區幾乎被夷為平地，死亡19人，傷78人，直接經濟損失2700多萬元。 據氣象部門的不完全統計，2001年，全國發生雷電災害1747起，造成人員傷亡853起（傷483人，死亡417人），直接經濟損失在上千萬元以上和百萬以上的實例分別為2例和10例。損失是“觸目驚心”的。2001年雷電災情主要仍然發生在電力、電信、廣電、金融、建築、石化等部門，雷電造成傷亡主要發生在野外田間勞作的人們。 3．一方面電氣和電子設備的廣泛應用造成了嚴重的環境電磁雜訊干擾，而這些電磁雜訊干擾當今是沒有得勝價值的。另一方面，電子技術正向高頻率、高速度、微型化、網路化和智慧化方向發展。電磁干擾，特別是雷電電磁脈衝干擾對這些設備和系統的影響越來越突出，對這些設備力系統造成的失效與損壞事故的發生率逐年增高。第三，隨著城市建築物的增高，收發雷電的幾率也增大。一個雷電的電磁可影響幾公里範圍的電子設備，這也使電子設備受損的幾率增大。電子資訊系統受損後，除直接損失外，間接損失往往很難估量。因此，資訊時代的到來，已使雷電電磁脈衝的防護成為當務之急。這是90年代以來雷電災害最顯著的特徵，也是電磁相容和防護科學技術需要解決的最重要的課題之一。 二、電子資訊系統綜合防雷技術 二十世紀五十年代以後，各種電子資訊設備大量湧現、廣泛使用，特別是微電子技術的飛速發展，微電子器件的集成化、小型化、高速化的水準不斷提高，而“三化”的必然結果是導致各種電子資訊設備的耐過壓、耐過流和抗雷電電磁脈衝的能力大大降低。例如：對於過電壓，Vax系列電子電腦的串列通信介面晶片MC1488的耐壓水準約為103V、MC1489僅達10V左右；而CMOS晶片僅達3－5V。對於磁場，當LEMP的磁場脈衝超過0.07高斯時，就會引起微機失效，當磁場脈衝超過2.4高斯時，積體電路就會發生永久性損壞。 一方面，由於電子資訊設備十分“嬌嫩”，對雷電電磁脈衝“十分”敏感。因此，其遭受感應雷擊的幾率比遭受直擊雷襲擊的幾率高的多。所以，在同樣的雷電電磁環境下，其受損的也比建築設施和一般的機電設備高得多。 另一方面，由於電子資訊設備的種類多、數量龐大、工作環境複雜、雷電侵入的通道多。因此，資訊防雷遇到了比傳統防雷複雜的多的問題。 資訊防雷包括對直擊雷的防護和對雷電電磁脈衝（感應雷）的防護。對雷電電磁脈衝的防護應綜合考慮雷電成災的多種物理因素，針對雷電的各種耦合途徑、耦合通道及其危害機理，採用相應的綜合防雷技術和措施。對於電子資訊設備而言，雷電電磁脈衝能量的耦合主要通過以下三個通道侵入：一是雷電電磁脈衝能量通過各種多發管線通道（多發管道、多發構件、各種線纜等）的傳導耦合；二是通過地線通道的傳導耦合（地電位反擊）；三是雷電電磁脈衝能量通過空間通道的輻射耦合。由於雷電的侵襲是無孔不入的，因此資訊防雷是綜合性的系統工程，所採取的技術措施也是多方面的。任何單一的防護措施，其效果都是有限的。這些防護措施和技術可概括為：兩個部分（外部防護、內部防護）和五項技術（攔截、遮罩、均壓、分流和接地）。不同部分和各項技術都有其重要作用，相互之間緊密聯繫，不能將它們割裂開來，也不存在替代性。分述如下： （一）現代綜合防雷的兩個部分 1．外部防護（直擊雷防護） ⑴ 作用：攔截、瀉放雷電流 ⑵ 系統組成：由接閃器（避雷針、避雷帶）、引下線、接地體組成，可將絕大部分雷電能量直接導入地下泄放。 2．內部防護（雷電電磁脈衝防護） ⑴ 作用：均衡系統電位，限制過電壓幅值。 ⑵ 組成：由均壓等電位連接、各種過電壓保護器（避雷器）等組成。 ⑶ 技術措施：截流、遮罩、均壓，分流、接地。 （二）防雷保護區 根據國際電工委員會的《防雷擊電磁脈衝（LEMP）》（IEC61312），資訊防雷應根據雷電電磁脈衝的嚴重程度，將需要保護的空間劃分為不同等級的雷電保護區（LPZ）。防雷保護區稱電磁相容分區。是按人、物和資訊系統對雷電及雷電電磁脈衝的感受強度不同，把建築物內、外電磁環境分成幾個區域。 LPZ0A區 本區內的各物體地都可能遭到直接雷擊，因此各物體都可能導走全部雷電流，且本區內雷電電磁脈衝沒有衰減。 LPZ0B區 本區內的各物體不可能遭到直接雷擊，但本區內雷電電磁脈衝也沒有衰減。 LPZ1區 本區內的各物體不可能遭到直接雷擊，流往各導體的電流比LPZ0B區進一步減少。本區內雷電電磁脈衝經建築物外牆的遮罩而衰減。 在防雷保護區的0區與1區的介面上，對建築物來說就是屋頂與四周牆壁及地面，儘管採用籠式避雷網結構，但由於受大網孔、門、視窗等開洞的影響，雷電電磁脈衝仍將通過多種耦合途徑侵入保護區內，其感應電壓也會破壞建築物內部的電氣和電子設備。 LPZ2區 本區內的各物體不可能遭到直接雷擊。雷電電磁脈衝經建築物內牆的再次遮罩而衰減。又稱後續防雷區。 如果需要進一步減小所導引的雷電流和電磁場，就應引入後續防雷區。應按照需要保護的系統所要求的電磁環境選擇滿足後續防雷區要求的條件。如建立專用的遮罩室等。 LPZ3區 機殼內部保護區序號越高，預期的干擾能量和干擾電壓越低。在現代雷電防護技術中，劃分防雷保護區的意義在於為內部防雷技術措施和有關防雷器件的選用提供電磁環境的依據。 （三）現代綜合防雷的主要技術措施 1．攔截 資訊防雷的第一道防線是攔截直擊雷。最經濟、最有效的方法仍然是避雷針（避雷帶、避雷網）法。儘管避雷針對於電子資訊設備有很多負作用，對其應抱趨利避害、積極、穩妥的態度，採取有效的技術措施予以抑制。 2．遮罩 遮罩是防止任何形式電磁干擾的基本手段之一。遮罩的目的，一是限制某一區域內部的電磁能量向外傳播，二是防止或降低外界電磁輻射能量向被保護的空間傳播。 由於電場、磁場及電磁場的性質不同，因而遮罩的機理也不同。按遮罩的要求不同可分別採用遮罩室（盒、管）的完整遮罩體，或金屬網、波導管及蜂窩結構的非完整遮罩體。遮罩一般分為電場遮罩、磁場遮罩及電磁場遮罩幾種。 ⑴ 靜電屏蔽（電場遮罩） 是為了消除和抑制靜電電場的干擾。 ⑵ 磁場遮罩 是為了消除或抑制由磁場耦合引起的干擾。磁場遮罩又分為低頻遮罩和高頻磁遮罩兩種情況。 ⑶ 電磁場遮罩 一般在遠離干擾源的空間單純的電場或磁場是少見的，干擾是以電場、磁場同時存在的高頻電磁場輻射的形式發生的。雷電電磁脈衝在遠場條件下可看作平面電磁場傳播。因此，應同時考慮電場和磁場的遮罩。 ⑷ 信號傳輸電纜的全遮罩 電纜的遮罩是一項很重要的技術措施，它要求對機房內、外所有架空、埋地的電纜都用金屬層遮罩起來，以防雷電電磁脈衝的干擾，這稱作全遮罩。當全遮罩電纜接觸或穿過另一金屬部分時，還要採用中間接地點。因此，全遮罩電纜要求多點接地。 3．均壓（均衡） ⑴ 均壓也稱電位均衡連接（簡稱等電位連接）。就是把所有導體相互作良好的導電性連接，並與接地系統連通。其中非帶電導體直接用導線連接，帶電導體通過避雷器連接。其本質是由可靠的接地系統、等電位連接用的金屬導線、等電位連接器（即避雷器、地線隔離器）和所有導體組成一個電位補償系統。 該電位補償系統的作用，一是為雷電流提供低阻抗的連續通道，使其迅速導入大地泄放。二是使系統各部分不產生足以致損的電位差。即在瞬態現象存在的極短時間裏，通過這個 電位補償系統可以迅速地在被保護系統所處區域內的所有導電部件之間建立起五個等電位區域。這個區域相對於外界可能存在著數十千伏的電位差。重要的是在需要保護的系統所處區域內部，所有導電部件之間不能存在顯著的電位差，從而達到保護設備和人身安全的目的。 ⑵ 等電位連接 A．不帶電金屬物體。如各種金屬管道，線纜遮罩層，設備的金屬底座、金屬外殼等。 B．帶電金屬物體。如電源線、各種信號傳輸線等。 4．分流 ⑴ 是將雷電流能量向大地泄放過程中應符合層次性原則。層次性就是按照所劃分的防雷保護區對雷電能量分級瀉放。盡可能多、盡可能 將多餘能量在引入資訊系統之前泄放入地。 由於雷電過電壓的能量很大，單一的措施或一道防線都無法消除雷電過電壓的侵害，必須採取多級防護措施才能將侵入的雷電過電壓限制在安全的、設備能夠承受的範圍之內。 ⑵ 雷電能量分配模型 （設有避雷針的建築物） A．前級評估模式 用於評估LPZ0B區與LPZ1區交界處的雷電流分配情況。該級的雷電流用10/350波形表示。 避雷針系統：分配50%的能量；金屬管道、電源線路、通信線纜等共分配50%的能量。後三個系統中，阻抗大者分配的能量也大。在進行了等電位連接且接地良好的情況下，認為三者阻抗近似相等，三個系統平均分配50%的能量。即各承擔17%。進入各系統的能量又將在各自的內部進行分配。如一個200KA的雷電流，避雷針系統承擔100KA，金屬管道、電源線路、通信線纜等系統各承擔33KA。進入電源線路的能量又將在3根火線（或3＋1）上平均分配即每相各承擔11KA（或8.3KA）。 B．後續評估模式 用於評估LPZ1區以後各級保護區交界處的雷電流分配情況。由於用戶側絕緣阻抗遠大于避雷器放電支路處外線路的阻抗，進入後續防雷區的雷電流將減少。該區域的雷電流用8/20μs波形表示。 許多行業的標準、規範中都規定在低壓電源系統應安裝多級避雷器，使雷電流分級瀉放入地。各級避雷器的規格要與各級可能承擔的雷電能量和各級設備的耐壓配合。 5．接地 接地是分流和瀉放直擊雷和雷電電磁干擾能量的最有效的手段之一，也是電位均衡補償系統基礎。目的是使雷電流通過低阻抗接地系統向大地泄放，從而保護建築物、人員和設備的安全。沒有良好的接地系統或者接地不良的避雷設施會成為引雷入室的禍患；避雷裝置接地不好，還提供了雷電電磁脈衝對電氣和電子設備產生電感性、電容性耦合干擾的機會。 三、電子資訊系統雷電防護工程 近十幾年來，隨著社會需求的拉動和理論探索的深入，資訊防雷技術有了較大的發展。資訊防雷是在閃電通道和避雷針泄流通道及其周圍整個三維空間內對雷電的全面防護，這是一個全新的思維。即，不但要防直擊雷，更重要的是防感應雷（雷電電磁脈衝）；不但要進行“路”的防護，更重要的是對“場”的防護。全面的資訊防雷原則和行之有效的工程技術方法應為“整體設計、綜合治理、系統實施”原則和“有效攔截、良好遮罩、均衡連接、合理接地、堵截通道、全面防禦”的工程技術方法。 （一）整體設計、綜合治理、系統實施 資訊防雷是一個系統工程，任何單一措施的防護作用都是不全面的。正確的方法應首先對需要防雷保護的系統進行詳細勘察，制訂技術方案，並依據國家和有關行業的技術標準、規範，進行正規的工程設計。在此過程中，應從宏觀到微觀、從內部防雷到外部防雷、從天線到地線、從強電到弱電統籌考慮、系統設計。即對避雷針、地線、遮罩、均壓接地網路，以及雷電過電壓容易侵入的通道，如電源系統、天饋系統、信號傳輸系統等有針對性地採取相應的技術措施，進行綜合治理。施工過程中也應嚴格按照標準、規範和設計圖紙實施。 （二）有效攔截、良好遮罩 1．有效攔截 其思路是：改善直擊雷措施是根據技術規範完善避雷針、避雷帶等設施。必要時採用各種經過實踐檢驗的、對雷電流某一物理效應有明顯效果的新型避雷針和優化避雷針，以降低雷電流陡度（di/dt），從而減小二次雷擊的感應電壓。或在條件允許、經濟可承受的前提下，儘量降低接地電阻等。 2．良好遮罩 ⑴ 信號電纜的遮罩，要點是：過早地敷設、排流防雷、穿管（槽）走線、可靠接地。電纜的遮罩性能與電纜外導體或遮罩體是否接地以及它的敷設形式有關。電纜不同的敷設形式，其遮罩效果也大不相同，架空電纜比埋地電纜更易受雷電損壞。 ⑵ 設備的遮罩，主要依賴其外殼。對於遮罩要求很高的設備，應設置專用的遮罩室。設備外殼和遮罩室的遮罩體都應良好接地。 （三）均衡連接、合理接地 1．均衡連接 即完善均壓網路。對保護範圍內的所有不帶電金屬導體應進行嚴密的等電位連接，並與符合要求的地線可靠連接。從而形成一個統一的、適應不同負載特性和頻率的低阻攔接地網路。該網路由總等電位連接箱（MEXT）、局部等電位連接箱（MEXT）和等電位連接導線組成。該網路內各部分之間只能由等電位連接點（公共接地點）與接地裝置連接，彼此間沒有閉合回路。工程實踐中應注意處理好如下幾個方面的等電位連接問題： ⑴ 建築物內不帶電金屬物的等電位連接：包括各種金屬管道、建築鋼筋、電纜遮罩層、供電系統中的中性線或保護接地線、各種金屬機械設備的外殼和它們間的金屬管路等。 ⑵ 建築物頂不帶電金屬物的等電位連接：如電梯、通風、空調、旗杆、看板、鐵欄杆等。 ⑶ 建築物外帶電金屬物的等電位連接：如上述設施的電源線、信號線、控制線等。 2．合理接地 ⑴ 改造地線，依據規範和不同的資訊系統對接地的要求，對不符合要求的地線進行適當改造。必要時採用低阻、高效、非金屬接地模組和高效降阻劑，以減小地線電阻，從而為降低反擊電位和“共地”提供前提條件。 ⑵ 合理接地，最好將資訊系統的接地和防雷接地實行共地。即由公共接地點提供保護接地、工作接地和防雷接地等所需的基準零電位，避免出現因各系統分別接地在個各地線間產生毀壞性電位差。工程實踐中應注意處理好如下幾個方面的接地問題： A．電子資訊設備的單點接地。 B．電子資訊設備接地與建築物防雷接地。 C．信號傳輸電纜的全遮罩（多點接地）與電子設備的單點接地。 上述措施運用得當，可在一定程度上抑制建築避雷系統對資訊系統的負作用，即為感應雷的防護提供了良好的前提。 （四）堵截通道、全面防禦 對雷電電磁脈衝容易入侵的所有通道，如電源線、天饋線和各種信號傳輸線等帶電金屬通道，除要求合理佈線、嚴密遮罩外，最簡便、最經濟的措施是分別加裝避雷裝置，以堵截雷電過電壓。加裝避雷裝置的實質是使帶電金屬導體實現等電位均壓連接。 1．在此過程中，嚴格遵從以下原則： ⑴ 多級防護原則； ⑵ 能量配合原則； ⑶ 絕緣配合原則； ⑷ 區別不同接地制式原則。 同時，在施工中應嚴格遵從接線、接地和接熔絲的要求。 2．天饋通道 對處於不同雷暴日分區和不同設備的天饋系統，根據其工作頻率、功率、阻抗等參數的不同，選擇加裝不同的天饋避雷裝置。一般在室外端和室內與設備的介面端分兩級設置。 3．信號傳輸通道 資訊系統是一個廣義概念，包括的專業領域很多。如程式控制電話交換（語音通信）、資料通信、電腦網路、有線電視（閉路電視）、電視監控及各種控制系統等。同樣是電腦網路，也分為很多類型。他們的系統結構、設備配置、工作電壓、工作頻率、傳輸速率及阻抗等均有很大差別。因此，它們所要求的防雷技術方案和防雷器件也不同。好在現代科技的發展，已有針對不同資訊系統防雷要求的、標準化的防雷器件與它們相適應。這就為防雷工程的應用提供了很大的方便。 信號傳輸系統同樣應根據雷暴日分區和防雷分區及不同的系統類型、系統結構、設備配置、工作電壓、工作頻率、傳輸速率及阻抗等，選擇加裝不同的信號避雷裝置。一般也需實行粗細兩級保護。 以上是資訊防雷工程的基本環節和主要工程措施，它們之間也是既相互獨立又相互聯繫的。面對無孔不入的雷電電磁脈衝，所有有源或無源通道都是其入侵的途徑。把加裝幾個避雷器就理解為資訊防雷是很不全面的，把埋設或改善地線就理解為資訊防雷更是錯誤的。資訊防雷工程是現代防雷多項技術措施綜合運用的系統工程。任何單方面的措施，其防雷效果都將大打折扣，其投資的效費比也將大大降低。 因此，資訊系統防雷工程必須從全面考慮，做到層層防護，不留一絲隱患。 轉引自“防雷天地網站”
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