- 雷電對控制系統(tǒng)產(chǎn)生危害的原因
- 雷電波入侵控制系統(tǒng)的途徑分析
- 系統(tǒng)舫雷的分類和作用機理
- 雷擊防護措施
- 劃分防雷區(qū)
- 防傳導侵入
- 電源及信號避雷器的安裝
- 等電位保護
雷電災害是自然界存在的災害之一，其在瞬間釋放的強大脈沖電流會產(chǎn)生巨大的能量，并會誘發(fā)脈沖過電壓或過電流，從而導致嚴重后果。因此電力電子系統(tǒng)需要加強對雷電的防護措施。文中討論了雷電電擊對計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)生危害的原因，分析了雷電波侵入控制系統(tǒng)的主要途徑，并提出相關的計算機控制系統(tǒng)防雷措施。
1 雷電對控制系統(tǒng)產(chǎn)生危害的原因
雷擊對計算機控制系統(tǒng)造成危害的主要原因有：
(1)電源接地存在一定的缺陷，機房的地線和其所控制的范圍未處于同一地，二者間形成電位差，如果受到雷擊該缺陷表現(xiàn)更為明顯，從而危害到計算機系統(tǒng)。
(2)電源線及網(wǎng)絡線的布設不合理，原本需要設置屏蔽接地卻未設置，如果發(fā)生雷擊，則網(wǎng)線及電源線都很容易受到感應雷電的電磁脈沖，使其沿著網(wǎng)絡線路及電源線傳導至系統(tǒng)的設備中，損壞設備。
(3)計算機本身抗干擾能力相對較差，由于計算機控制系統(tǒng)本身屬于弱電設備，如果雷電擊中建筑物頂部，其避雷帶雷電流在流經(jīng)房屋結構柱的柱筋并泄放入地時，引下線附近會產(chǎn)生相對較強的交變磁場，受其影響，控制系統(tǒng)中的電路會受到感應，所產(chǎn)生的高電壓就會擊穿集成電路及電子元件。此外，在雷雨天氣環(huán)境中，雷電波還有可能會沿著潮濕的線路傳導至控制系統(tǒng)，對其造成破壞。
2 雷電波入侵控制系統(tǒng)的途徑分析
(1)直擊雷。所謂直擊雷建筑物中的露天設備直接遭受雷電的電擊，造成損壞或者雷電直接擊中了架空線纜，使得線纜熔斷最終導致設備損壞，這種現(xiàn)象被稱為直擊雷；落雷點在電源的高壓側，雷電會沿著供電線路直接侵入到計算機控制系統(tǒng)的供電電路中，從而產(chǎn)生過電流和過電壓，損壞供電系統(tǒng)的UPS電源，造成斷電，使整個控制系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。雷擊電流在流經(jīng)通信有線線路的過程中，會產(chǎn)生巨大的機械能，以及強大的沖擊波和高溫，損壞通信線路；而過電流及過電壓又經(jīng)過通信電流的有線線路侵入至控制系統(tǒng)的內部，損壞設備的中斷器、電流轉換器等。
(2)雷電感應。靜電感應及電磁感應稱為感應雷，也被稱為二次雷，盡管其破壞性相對直擊雷來說比較小，但是其發(fā)生的機率要遠遠超過直擊雷。通常感應過電壓可以分為以下兩種情況。
1)回路感應過電壓。因為計算機控制系統(tǒng)所在的房屋內有大量的各種類型的線路，這些線路及網(wǎng)絡結構的布局較復雜，建筑物內不同的空間位置都會構成許多回路。如果建筑物受到雷擊，或者鄰近的地區(qū)出現(xiàn)雷電放電，就會在建筑物的內部空間形成一個脈沖暫態(tài)磁場，該磁場進行陜速變化，其與這些回路交鏈后就會在回路中感應暫態(tài)過電壓，與這些回路連接的相關控制設備就會受到損壞。在網(wǎng)絡通信線路系統(tǒng)中，感應過電壓又分為靜電感應和電磁感應兩種，其中靜電感應指的是架空線路與雷擊點相近，雷云團先導通道內充滿了電荷，架空線會受其所產(chǎn)生靜電感應的作用，積累大量反向電荷，一旦雷云團開始放電，雷云團中的電荷會與架空線的電荷快速中和，使得架空線中被束縛的電荷迅速釋放，從而形成暫態(tài)過電壓波。這種暫態(tài)過電壓波以接近光速的速度傳導至架空線的兩側，架空線路兩端所連接的設備受到入侵后被損壞。
如果雷電直擊在避雷針或避雷帶時，雷電流的幅值相對較大，具有較高的波頭陡度，因此在雷電流通道附近就會產(chǎn)生一個較強的瞬變磁場，該磁場的作用較強大，其直接作用在網(wǎng)絡通信線路或者電源線中可以感應出過電壓，侵入計算機控制系統(tǒng)中，設備就會受到損壞。如果雷電放電的電流強度達到一定程度，例如30 kA的雷電流，那么其可以影響到雷擊點1 km半徑范圍內的網(wǎng)絡系統(tǒng)，嚴重時可能導致系統(tǒng)設備損壞。
2)耦合及轉移過電壓。雷擊所引起的暫態(tài)高壓或者過電壓通常經(jīng)過網(wǎng)絡線路的耦合或者轉移到計算機控制網(wǎng)絡設備中，損壞設備。
(3)雷南地電位抬高。雷電波侵入，如果計算機控制系統(tǒng)的電源線、進入控制室的金屬管線以及信號傳輸線受到雷電感應或者遭雷擊時，雷電所產(chǎn)生的雷電波就會經(jīng)過這些金屬導體直接侵入設備，產(chǎn)生電位差而損壞設備，這種現(xiàn)象就稱其為雷電波侵入。如果控制系統(tǒng)中設備的絕緣距離不夠，并且設備和避雷系統(tǒng)不共地，二者間會產(chǎn)生極高電壓，并且會產(chǎn)生放電擊穿事故，雷電波侵入會間接導致設備的損壞，甚至危及到人身安全。
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(4)控制系統(tǒng)設備、網(wǎng)絡設備的抗干擾能力分析。
由于計算機控制系統(tǒng)及相關網(wǎng)絡設備由大量大規(guī)模集成電路所組成，因此抗干擾能力相對較差，盡管在進行系統(tǒng)設計時已經(jīng)采取了很多相應的抗干擾措施，但是其只是對低能量的干擾比較有效，對于電磁脈沖以及雷電侵襲而導致的過電壓及過電流，其抵抗能力則薄弱，特別是雷電磁脈沖及浪涌等尤其敏感，十幾伏的電壓就有可能經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸線路以及電源線路侵入到設備內部，損壞計算機的主板、多功能卡、相關的網(wǎng)絡設備以及通信電流的中繼等。
實際情況中，雷擊對計算機控制系統(tǒng)的侵入和破壞往往是幾種方式的混合作用，比如從一處地電位升高經(jīng)過水平接地引線向另一處傳遞；或者雷擊在大地時，雷電流經(jīng)過地下的金屬管道向建筑物內傳導；架空線受到感應后再向著建筑物內傳導，從而傳遞至敏感設備造成設備損壞等。其具體的雷擊損壞計算機控制系統(tǒng)的途徑，如圖1所示。
圖1 雷擊損壞計算機控制系統(tǒng)的途徑示意圖
一個完善的系統(tǒng)防雷方案必須包括內部與外部防雷兩個方面，其中外部防雷措施包括避雷針和避雷帶以及接地極與引下線等，其主要作用是確保房屋本體不受直擊雷的襲擊，把可能擊中建筑的雷電利用這些防雷措施泄放入大地中；而內部防雷的作用則是保護建筑內部人員及設備的安全，內部防雷是將一個適用的避雷器安裝在受保護設備的前端，使得大地、線路以及受保護設備三者形成有條件的等電位體，從而把可能入侵的雷電流攔截在外，把受到雷擊后內部設施感應的雷電流安全泄入大地。
4 雷擊防護措施
(1)防雷區(qū)的劃分。系統(tǒng)防雷中一個重要的概念即為防雷區(qū)的劃分，圖2為某公司防雷區(qū)劃分示意圖。
圖2 雷電防護區(qū)劃分簡圖
(2)防傳導侵入。雷電通過傳導經(jīng)過電阻性耦合最終侵入計算機控制系統(tǒng)的主要途徑有兩種，即電源系統(tǒng)以及信號傳輸通道，因此要針對這兩部分采取相應的防護措施。
1)電源系統(tǒng)的防護。針對低壓電源系統(tǒng)所采取的防雷措施通常采用三級防護方案，即將電流逐層分流、降低殘留電壓以及對控制系統(tǒng)的用電設備加以保護。一般電源浪涌防護器主要有金屬氧化物避雷器、氣體放電間隙避雷器以及組合避雷器等。
2)信號系統(tǒng)的防護。引入或者引出機房的信號電纜需要穿過金屬鋼管，并保證金屬鋼管接地良好，對信號系統(tǒng)的線路可起到屏蔽的作用，以減少或者防止直接雷擊以及感應雷擊電磁脈沖。還可把線路進行埋地敷設，同樣可進行防雷擊保護。此外，在各種信號線及網(wǎng)絡數(shù)據(jù)線進出機房時，可以在設備端安裝SPD，按照實際的面線長度，在信號線及數(shù)據(jù)線的一頭或兩頭安裝SPD。總之針對控制系統(tǒng)輸入及輸出信號采取相應的防護措施是必要的。
(3)電源及信號避雷器的安裝。在電源及信號系統(tǒng)中可以采取以下避雷措施：在UPS電源的前端設置單相串聯(lián)電源浪涌保護器，在中繼器通信線路和計算機主機間，設置數(shù)據(jù)信號電涌保護器，在電流信號轉換器的信號輸入端安裝信號電涌保護器。把中繼器和主機的通信線路換為光纖，并將其固定鋼索進行可靠接地。而監(jiān)控室與其他受控單位間的通信網(wǎng)絡線，盡量敷設金屬電纜。
(4)等電位保護。電子設備的機柜機架、金屬外殼、金屬管槽、屏蔽線纜外層、信息設備的防靜電接地端、安全保護接地端、浪涌保護接地端等，在同等電位連接網(wǎng)絡的接地端子相連接時，均需采用最短的距離。控制系統(tǒng)的等電位連接，通常分為“S型星型結構”以及“M型網(wǎng)狀結構兩種”，其中在控制系統(tǒng)中設備較少或者進行局部控制時通常采用S型星型結構，而在相對較大的控制系統(tǒng)中則采用M型的網(wǎng)狀結構。等電位連接的基本方式如圖3所示。
圖3 計算機控制系統(tǒng)等電位連接的基本方式
計算機控制系統(tǒng)的防雷措施有多種，在實際應用中要注意：室外的網(wǎng)絡布線盡可能采用光纖通信介質，假如采用電纜則要避免架空走線，應采取地埋式敷設電纜。而信息中心是整個控制系統(tǒng)的關鍵部分，其選位要充分考慮防雷安全，通常可以選擇建筑物的邊角或者頂部位置。此外，防雷系統(tǒng)的施工設計具有專業(yè)性，所以在實際設計施工過程中，需要建立相應的審核機制。
