电子信息系统防雷工程研究

1雷电对电子信息系统的危害

1.1直击雷击。所谓的直击雷击从实质上看就是一种放电现象，只不过这种放电借由雷云产生的电流直接投放到地面建筑上的某一点或者是雷云放射出的电流直接与地面及其建筑物中的某一点发生了导电反应。直击雷击所带来的危害有三点：①被雷电袭击的物体会突然之间承受巨大的雷电流导致电流之间产生热效应从而爆发巨大的能量使得被击中的物体骤然升温；②雷电的到来往往是会携带高强度的电流，如此大的能量造成空气的膨胀度不断提高，传播扩散的速度极快，再和周围的冷空气产生碰撞，就会形成激波，从而威胁到周边的建筑或树木；③新增的雷电磁场会产生电动力效应造成电力设备损坏，影响电子信息系统供电质量。1.2感应雷击。所谓的感应雷击指的建筑物防雷装置落雷后，雷电流在入地的过程中，雷电流附近产生强大的电磁场，在周围的金属导体内产生强大的过电压瞬态波，即雷电电涌。电子信息设备的电磁兼容能力低下，抗雷电电涌的能力十分脆弱，因此感应雷击会沿着金属导线对电子信息设备的电源、信号端口产生巨大的破坏作用。电子信息系统受到直击雷的概率相对较低，但由于设备接口多、线路长，比较容易受到雷电电涌侵入，造成电子设备失效。因此，雷电电涌防护的主要手段是在雷电电涌侵入的通道上设置合适的电涌保护器，对雷电流进行限压、分流，以达到保护电子信息系统的目的。

2雷电电涌入侵电子信息设备的路径

石化企业的电子信息系统所构成的子系统很多，电子信息系统的设备不光安装在建筑物内，还有很大一部分终端设备是安装在户外装置区内，电子信息系统的电源端口、信号端口都有可能遭到雷电电涌威胁。安装在建筑物内或户外装置区内的电子信息设备受到相关建、构筑物外部防雷装置的保护，基本上能免遭直击雷的威胁，但是，却容易遭受雷电电涌对电子信息设备的损害。下面讨论雷电电涌入侵电子信息设备的主要路径。参照《低压电涌保护器第22部分：电信和信号网络的电涌保护器（SPD）选择和应用导则》（GB/T18802.22-2008）中7.2条[1]，耦合机理：雷电电涌入侵电子信息设备的主要路径主要有（S1）雷击建筑物、（S2）雷击建筑物附近区域地面、（S3）雷击电子信息线路、（S4）雷击电子信息线路附近区域等四种情况，文章仅讨论雷电危害，因此未将交流供电系统影响列入其中，详见图1。下面对这四种情况进行详细分析，并根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）4.2.3条条文说明规范中表5查得预期雷击的电涌电流[2]。①雷直击建筑物外部接闪器（S1），通过引下线将雷电流IB引下，建筑物地电位升高，雷电流分流后分别进入地下及建筑物内等电位连接体，电子信息设备及配电箱地电位升高，设备地电位与设备信号线路、电源线路之间会形成较大的电位差，造成对设备接口的损坏。另外，雷电流通过引下线、电源线路还会在信号线路中感应出雷电电涌，进而损坏设备接口。建筑物信号线路产生两种雷电电涌：一种雷电电涌的特征是电流波形为（10/350）μs、最大电流2kA。另一种雷电电涌的特征是电压波形（1.2/50）μs、电流波形（8/20）μs、最大电流10kA。②雷直击建筑物外附近地面（S2），雷电在室外线路产生雷电电涌，雷电电涌沿着信号线路进入建筑物，损坏设备接口；室外信号线路产生雷电电涌的特征是电压波形（1.2/50）μs、电流波形（8/20）μs、最大电流0.2kA。③雷直击室外线路（S3），雷电流沿信号线路进入建筑物损坏设备接口。信号线路上雷电电涌的特征是电流波形为（10/350）μs、最大电流2kA。④雷直击室外电子信息线路附近地面（S4），雷电在室外线路产生雷电电涌，雷电电涌沿着信号线路进入建筑物，损坏设备接口；室外信号线路产生雷电电涌的特征是电压波形（1.2/50）μs、电流波形（8/20）μs、最大电流0.16kA。

3电涌保护器的选用原则

3.1信号电涌保护器的选用。通过对雷电电涌入侵电子信息设备的主要路径分析，可以看到信号线路上影响最大的是电流波形（10/350）μs、电流值2kA的雷电电涌，因此，在室外电子信息设备信号电涌保护器及信号线路引入建筑物时的信号电涌保护器应装设具备防护此类雷电电涌的能力。另外，还需要根据雷电过电压、过电流幅值和设备端口耐冲击电压额定值，设置单级电涌保护器或多级电涌保护器。参考《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2012）中的表5.4.4[3]和《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）“电子系统的室外线路采用金属线时，在其引入安装D1类高能量试验类型的电涌保护器”的要求，并结合现有产品特点绘制雷电防护区边界信号线路电涌保护器选择表，详见表1。表1中：①D1类别的信号电涌保护器的试验类型为高能量，开路电压大于1kV，短路电流为（0.5~2.5）kA[电流波形：（10/350）μs]；②C1类别的信号电涌保护器的试验类型为快上升率，开路电压（0.5~1）Kv[电压波形（1.2/50）μs]，短路电流为（0.25~1）kA[电流波形：（8/20）μs]；③C2类别的信号电涌保护器的试验类型为快上升率，开路电压（2~10）Kv[电压波形（1.2/50）μs]，短路电流为（1~5）kA[电流波形：（8/20）μs]；电子信息系统信号电涌保护器除考虑放电电流外还应根据信号的接口形式、额定电压Un、负载电流、输入功率、工作频率和传输速率等参数，当然，电子信息设备信号接口的种类较多，需要确定的参数也不尽相同。总的来说，应选择插入损耗小、分布电容小、并与纵向平衡、近端串扰指标适配的电涌保护器。最大持续电压Uc应大于额定电压Un的1.2倍，电压保护水平Up应低于被保护设备的耐冲击电压额定值Uw。3.2电源电涌保护器的选用。电子信息系统的电源电涌保护器设置参考《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2012）表5.4.3，并根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）要求“电源引入总配电箱处应装设Ⅰ级试验的电涌保护器”的要求绘制雷电防护区边界电源线路电涌保护器选择表，详见表2。3.3爆炸危险环境内电涌保护器的选用。石化企业装置现场多为爆炸危险区域，在这些区域内选用的电涌保护器需要考虑其设备保护级别和组别不低于该爆炸危险环境内爆炸性混合物的级别和组别，并根据设备保护级别来进一步确认设备防爆形式。

4结语

综上所述，在具体的工程实例中，要依照具体的实际情况选择性的安装电涌保护器，在将技术标准和工程的实施方案考虑在内的情况下，就可以逐步实现低成本，高效率的将雷击的概率降到最低，这样就可以有效地避免由于雷电造成的经济损失或人员伤亡。

参考文献

[1]GB/T18802.22—2008低压电涌保护器[S].

[2]GB50057—2010建筑物防雷设计规范[S].

[3]GB50343—2012建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

作者:傅海波 单位:镇海石化工程股份有限公司