基于电子信息系统的雷电防护工程的研究

伴随着科学技术的脚步 知识经济和信息时代已经到来 信息技术已渗透到了人类社会 生产和生活的各个领域 各种信息设备应用的范围之广 品种之多 数量之大是前所未有 的 然而 以微电子技术为基础原电子信息设备因其集成度高 工作电压低 运算速度快 其耐过电压 过电流和抗雷电电磁脉冲 LEMP Lightning Electro Magnetic Pulse 的能力 差 极易遭受雷电的危害 特别是雷电电磁脉冲造成的损害更为严重 因此 国际电工委 员会 IEC 将雷电灾害称为 信息时代的公害 为了消除这一公害 人们进行了深入的理 论研究和广泛的实践探索 研发了品种繁多的电子信息系统的雷电防护产品 并从理论与 实践的结合上不断完善电子信息系统的雷电防护的工程技术 电子信息系统的雷电防护 以下简称信息防雷 是一件关系到我国国民经济的发展 科学技术的进步和国防现代化建设的一件大事 应予高度重视 认真对待 一 加强雷电防护工作的必要性和重要性 一 雷电灾害剧增 损失严重 雷电灾害是十种最严重的自然灾害之一 全球每天约发生 800 万次雷电 每年因雷击 造成的人员伤亡 财产损失不计其数 导致火灾 爆炸 信息系统瘫痪等事故频繁发生 从卫星 通信 导航 计算机网络系统 通信指挥系统和有室外天馈设备的系统更是雷电 的重灾区 从某种意义上说 科技越发达 雷击对人类的危害就越大 1 国外情况 据美国国家雷电安全研究所关于雷电所造成的经济影响的一份调查报告 表明 美国每年因雷击造成的损失约 50 60 亿美元 每年因雷击造成的火灾 3 万多起 50 野 外火灾与雷电有关 30 的电力事故与雷电有关 有 4 5 石油产品储存和储藏罐事故是由 雷击引起的 由于雷电和操作过电压造成物理装置的损失约占 80 据德国一保险公司 1997 年对 8722 件案例损坏原因的分析 雷电及操作过电压占 31 66 2 我国情况 我国也是雷暴活动十分频繁的国家 全国有 21 个省会城市雷暴日都在 50 天以上 最多可达 134 天 据不完全统计 我国每年因雷击造成人员伤亡达 3000 4000 人 财产损失 50 100 亿元人民币 近年来 随着社会经济发展和现代化水平的提高 特 别是信息技术的快速发展 城市建设高层建筑物日益增多 雷电灾害程度和造成的经济损 失及社会影响也越来越大 在 19985 和 1999 年的两年中 全国造成直接经济损失在百万元 以上的雷电灾害就有 38 起 据广东省统计 在 1996 1999 年的四年间 全省发生雷击事 故 6143 起 伤亡 699 人 直接经济损失达 15 亿元 1989 年 8 月 12 日 青岛黄岛油库因 雷击引起特大火灾和爆炸 库区几乎被夷为平地 死亡 19 人 伤 78 人 直接经济损失 2700 多万元 据气象部门的不完全统计 2001 年 全国发生雷电灾害 1747 起 造成人员伤亡 853 起 伤 483 人 死亡 417 人 直接经济损失在上千万元以上和百万以上的实例分别为 2 例 和 10 例 损失是 触目惊心 的 2001 年雷电灾情主要仍然发生在电力 电信 广电 金 融 建筑 石化等部门 雷电造成伤亡主要发生在野外田间劳作的人们 3 电子信息系统受损比重急剧增加 电气和电子技术是现代物质文明的基础 其迅猛 发展促进了生产力的发展 加速了社会繁荣与进步的进程 但也带来了麻烦问题 那就是 各类电磁干扰越来越严重 一方面电气和电子设备的广泛应用造成了严重的环境电磁噪声 干扰 而这些电磁噪声干扰当今是没有得胜价值的 另一方面 电子技术正向高频率 高 速度 微型化 网络化和智能化方向发展 电磁干扰 特别是雷电电磁脉冲干扰对这些设 备和系统的影响越来越突出 对这些设备力系统造成的失效与损坏事故的发生率逐年增高 第三 随着城市建筑物的增高 收发雷电的几率也增大 一个雷电的电磁可影响几公里范 围的电子设备 这也使电子设备受损的几率增大 电子信息系统受损后 除直接损失外 间接损失往往很难估量 因此 信息时代的到来 已使雷电电磁脉冲的防护成为当务之急 这是 90 年代以来雷电灾害最显著的特征 也是电磁兼容和防护科学技术需要解决的最重要 的课题之一 二 电子信息系统综合防雷技术 二十世纪五十年代以后 各种电子信息设备大量涌现 广泛使用 特别是微电子技术 的飞速发展 微电子器件的集成化 小型化 高速化的水平不断提高 而 三化 的必然结 果是导致各种电子信息设备的耐过压 耐过流和抗雷电电磁脉冲的能力大大降低 例如 对于过电压 Vax 系列电子计算机的串行通信接口芯片 MC1488 的耐压水平约为 103V MC1489 仅达 10V 左右 而 CMOS 芯片仅达 3 5V 对于磁场 当 LEMP 的磁场 脉冲超过 0 07 高斯时 就会引起微机失效 当磁场脉冲超过 2 4 高斯时 集成电路就会发 生永久性损坏 一方面 由于电子信息设备十分 娇嫩 对雷电电磁脉冲 十分 敏感 因此 其遭受 感应雷击的几率比遭受直击雷袭击的几率高的多 所以 在同样的雷电电磁环境下 其受 损的也比建筑设施和一般的机电设备高得多 另一方面 由于电子信息设备的种类多 数量庞大 工作环境复杂 雷电侵入的通道 多 因此 信息防雷遇到了比传统防雷复杂的多的问题 信息防雷包括对直击雷的防护和对雷电电磁脉冲 感应雷 的防护 对雷电电磁脉冲 的防护应综合考虑雷电成灾的多种物理因素 针对雷电的各种耦合途径 耦合通道及其危 害机理 采用相应的综合防雷技术和措施 对于电子信息设备而言 雷电电磁脉冲能量的 耦合主要通过以下三个通道侵入 一是雷电电磁脉冲能量通过各种多发管线通道 多发管 道 多发构件 各种线缆等 的传导耦合 二是通过地线通道的传导耦合 地电位反击 三是雷电电磁脉冲能量通过空间通道的辐射耦合 由于雷电的侵袭是无孔不入的 因此信 息防雷是综合性的系统工程 所采取的技术措施也是多方面的 任何单一的防护措施 其 效果都是有限的 这些防护措施和技术可概括为 两个部分 外部防护 内部防护 和五 项技术 拦截 屏蔽 均压 分流和接地 不同部分和各项技术都有其重要作用 相互之 间紧密联系 不能将它们割裂开来 也不存在替代性 分述如下 一 现代综合防雷的两个部分 1 外部防护 直击雷防护 作用 拦截 泻放雷电流 系统组成 由接闪器 避雷针 避雷带 引下线 接地体组成 可将绝大部分雷 电能量直接导入地下泄放 2 内部防护 雷电电磁脉冲防护 作用 均衡系统电位 限制过电压幅值 组成 由均压等电位连接 各种过电压保护器 避雷器 等组成 技术措施 截流 屏蔽 均压 分流 接地 二 防雷保护区 根据国际电工委员会的 防雷击电磁脉冲 LEMP IEC61312 信息防雷应根据雷 电电磁脉冲的严重程度 将需要保护的空间划分为不同等级的雷电保护区 LPZ 防雷保 护区称电磁兼容分区 是按人 物和信息系统对雷电及雷电电磁脉冲的感受强度不同 把 建筑物内 外电磁环境分成几个区域 LPZ0A 区 本区内的各物体地都可能遭到直接雷击 因此各物体都可能导走全部雷电 流 且本区内雷电电磁脉冲没有衰减 LPZ0B 区 本区内的各物体不可能遭到直接雷击 但本区内雷电电磁脉冲也没有衰减 LPZ1 区 本区内的各物体不可能遭到直接雷击 流往各导体的电流比 LPZ0B 区进一 步减少 本区内雷电电磁脉冲经建筑物外墙的屏蔽而衰减 在防雷保护区的 0 区与 1 区的界面上 对建筑物来说就是屋顶与四周墙壁及地面 尽 管采用笼式避雷网结构 但由于受大网孔 门 窗口等开洞的影响 雷电电磁脉冲仍将通 过多种耦合途径侵入保护区内 其感应电压也会破坏建筑物内部的电气和电子设备 LPZ2 区 本区内的各物体不可能遭到直接雷击 雷电电磁脉冲经建筑物内墙的再次屏 蔽而衰减 又称后续防雷区 如果需要进一步减小所导引的雷电流和电磁场 就应引入后续防雷区 应按照需要保 护的系统所要求的电磁环境选择满足后续防雷区要求的条件 如建立专用的屏蔽室等 LPZ3 区 机壳内部保护区序号越高 预期的干扰能量和干扰电压越低 在现代雷电防 护技术中 划分防雷保护区的意义在于为内部防雷技术措施和有关防雷器件的选用提供电 磁环境的依据 三 现代综合防雷的主要技术措施 1 拦截 信息防雷的第一道防线是拦截直击雷 最经济 最有效的方法仍然是避雷针 避雷带 避雷网 法 尽管避雷针对于电子信息设备有很多负作用 对其应抱趋利避害 积极 稳妥的态度 采取有效的技术措施予以抑制 2 屏蔽 屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段之一 屏蔽的目的 一是限制某一 区域内部的电磁能量向外传播 二是防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播 由于电场 磁场及电磁场的性质不同 因而屏蔽的机理也不同 按屏蔽的要求不同可 分别采用屏蔽室 盒 管 的完整屏蔽体 或金属网 波导管及蜂窝结构的非完整屏蔽体 屏蔽一般分为电场屏蔽 磁场屏蔽及电磁场屏蔽几种 静电屏蔽 电场屏蔽 是为了消除和抑制静电电场的干扰 磁场屏蔽 是为了消除或抑制由磁场耦合引起的干扰 磁场屏蔽又分为低频屏蔽和 高频磁屏蔽两种情况 电磁场屏蔽 一般在远离干扰源的空间单纯的电场或磁场是少见的 干扰是以电场 磁场同时存在的高频电磁场辐射的形式发生的 雷电电磁脉冲在远场条件下可看作平面电 磁场传播 因此 应同时考虑电场和磁场的屏蔽 信号传输电缆的全屏蔽 电缆的屏蔽是一项很重要的技术措施 它要求对机房内 外所有架空 埋地的电缆都用金属层屏蔽起来 以防雷电电磁脉冲的干扰 这称作全屏蔽 当全屏蔽电缆接触或穿过另一金属部分时 还要采用中间接地点 因此 全屏蔽电缆要求 多点接地 3 均压 均衡 均压也称电位均衡连接 简称等电位连接 就是把所有导体相互作良好的导电性 连接 并与接地系统连通 其中非带电导体直接用导线连接 带电导体通过避雷器连接 其本质是由可靠的接地系统 等电位连接用的金属导线 等电位连接器 即避雷器 地线 隔离器 和所有导体组成一个电位补偿系统 该电位补偿系统的作用 一是为雷电流提供低阻抗的连续通道 使其迅速导入大地泄 放 二是使系统各部分不产生足以致损的电位差 即在瞬态现象存在的极短时间里 通过 这个 电位补偿系统可以迅速地在被保护系统所处区域内的所有导电部件之间建立起五个 等电位区域 这个区域相对于外界可能存在着数十千伏的电位差 重要的是在需要保护的 系统所处区域内部 所有导电部件之间不能存在显著的电位差 从而达到保护设备和人身 安全的目的 等电位连接 A 不带电金属物体 如各种金属管道 线缆屏蔽层 设备的金属底座 金属外壳等 B 带电金属物体 如电源线 各种信号传输线等 4 分流 是将雷电流能量向大地泄放过程中应符合层次性原则 层次性就是按照所划分的防 雷保护区对雷电能量分级泻放 尽可能多 尽可能 将多余能量在引入信息系统之前泄放 入地 由于雷电过电压的能量很大 单一的措施或一道防线都无法消除雷电过电压的侵害 必须采取多级防护措施才能将侵入的雷电过电压限制在安全的 设备能够承受的范围之内 雷电能量分配模型 设有避雷针的建筑物 A 前级评估模式 用于评估 LPZ0B 区与 LPZ1 区交界处的雷电流分配情况 该级的 雷电流用 10 350 波形表示 避雷针系统 分配 50 的能量 金属管道 电源线路 通信线缆等共分配 50 的能量 后三个系统中 阻抗大者分配的能量也大 在进行了等电位连接且接地良好的情况下 认 为三者阻抗近似相等 三个系统平均分配 50 的能量 即各承担 17 进入各系统的能量 又将在各自的内部进行分配 如一个 200KA 的雷电流 避雷针系统承担 100KA 金属管 道 电源线路 通信线缆等系统各承担 33KA 进入电源线路的能量又将在 3 根火线 或 3 1 上平均分配即每相各承担 11KA 或 8 3KA B 后续评估模式 用于评估 LPZ1 区以后各级保护区交界处的雷电流分配情况 由于 用户侧绝缘阻抗远大于避雷器放电支路处外线路的阻抗 进入后续防雷区的雷电流将减少 该区域的雷电流用 8 20 s 波形表示 许多行业的标准 规范中都规定在低压电源系统应安装多级避雷器 使雷电流分级泻 放入地 各级避雷器的规格要与各级可能承担的雷电能量和各级设备的耐压配合 5 接地 接地是分流和泻放直击雷和雷电电磁干扰能量的最有效的手段之一 也是电位均衡补 偿系统基础 目的是使雷电流通过低阻抗接地系统向大地泄放 从而保护建筑物 人员和 设备的安全 没有良好的接地系统或者接地不良的避雷设施会成为引雷入室的祸患 避雷 装置接地不好 还提供了雷电电磁脉冲对电气和电子设备产生电感性 电容性耦合干扰的 机会 三 电子信息系统雷电防护工程 近十几年来 随着社会需求的拉动和理论探索的深入 信息防雷技术有了较大的发展 信息防雷是在闪电通道和避雷针泄流通道及其周围整个三维空间内对雷电的全面防护 这 是一个全新的思维 即 不但要防直击雷 更重要的是防感应雷 雷电电磁脉冲 不但要 进行 路 的防护 更重要的是对 场 的防护 全面的信息防雷原则和行之有效的工程技术 方法应为 整体设计 综合治理 系统实施 原则和 有效拦截 良好屏蔽 均衡连接 合理 接地 堵截通道 全面防御 的工程技术方法 一 整体设计 综合治理 系统实施 信息防雷是一个系统工程 任何单一措施的防护作用都是不全面的 正确的方法应首 先对需要防雷保护的系统进行详细勘察 制订技术方案 并依据国家和有关行业的技术标 准 规范 进行正规的工程设计 在此过程中 应从宏观到微观 从内部防雷到外部防雷 从天线到地线 从强电到弱电统筹考虑 系统设计 即对避雷针 地线 屏蔽 均压接地 网络 以及雷电过电压容易侵入的通道 如电源系统 天馈系统 信号传输系统等有针对 性地采取相应的技术措施 进行综合治理 施工过程中也应严格按照标准 规范和设计图 纸实施 二 有效拦截 良好屏蔽 1 有效拦截 其思路是 改善直击雷措施是根据技术规范完善避雷针 避雷带等设施 必要时采用 各种经过实践检验的 对雷电流某一物理效应有明显效果的新型避雷针和优化避雷针 以 降低雷电流陡度 di dt 从而减小二次雷击的感应电压 或在条件允许 经济可承受的前 提下 尽量降低接地电阻等 2 良好屏蔽 信号电缆的屏蔽 要点是 过早地敷设 排流防雷 穿管 槽 走线 可靠接地 电缆的屏蔽性能与电缆外导体或屏蔽体是否接地以及它的敷设形式有关 电缆不同的敷设 形式 其屏蔽效果也大不相同 架空电缆比埋地电缆更易受雷电损坏 设备的屏蔽 主要依赖其外壳 对于屏蔽要求很高的设备 应设置专用的屏蔽室 设备外壳和屏蔽室的屏蔽体都应良好接地 三 均衡连接 合理接地 1 均衡连接 即完善均压网络 对保护范围内的所有不带电金属导体应进行严密的等电位连接 并 与符合要求的地线可靠连接 从而形成一个统一的 适应不同负载特性和频率的低阻拦接 地网络 该网络由总等电位连接箱 MEXT 局部等电位连接箱 MEXT 和等电位连接 导线组成 该网络内各部分之间只能由等电位连接点 公共接地点 与接地装置连接 彼 此间没有闭合回路 工程实践中应注意处理好如下几个方面的等电位连接问题 建筑物内不带电金属物的等电位连接 包括各种金属管道 建筑钢筋 电缆屏蔽层 供电系统中的中性线或保护接地线 各种金属机械设备的外壳和它们间的金属管路等 建筑物顶不带电金属物的等电位连接 如电梯 通风 空调 旗杆 广告牌 铁栏 杆等 建筑物外带电金属物的等电位连接 如上述设施的电源线 信号线 控制线等 2 合理接地 改造地线 依据规范和不同的信息系统对接地的要求 对不符合要求的地线进行适 当改造 必要时采用低阻 高效 非金属接地模块和高效降阻剂 以减小地线电阻 从而 为降低反击电位和 共地 提供前提条件 合理接地 最好将信息系统的接地和防雷接地实行共地 即由公共接地点提供保护 接地 工作接地和防雷接地等所需的基准零电位 避免出现因各系统分别接地在个各地线 间产生毁坏性电位差 工程实践中应注意处理好如下几个方面的接地问题 A 电子信息设备的单点接地 B 电子信息设备接地与建筑物防雷接地 C 信号传输电缆的全屏蔽 多点接地 与电子设备的单点接地 上述措施运用得当 可在一定程度上抑制建筑避雷系统对信息系统的负作用 即为感 应雷的防护提供了良好的前提 四 堵截通道 全面防御 对雷电电磁脉冲容易入侵的所有通道 如电源线 天馈线和各种信号传输线等带电金 属通道 除要求合理布线 严密屏蔽外 最简便 最经济的措施是分别加装避雷装置 以 堵截雷电过电压 加装避雷装置的实质是使带电金属导体实