计算机控制系统中雷电的防护

摘要 雷电灾害是自然界存在的灾害之一，其在瞬间释放的强大脉冲电流会产生巨大的能量，并会诱发脉冲过电压或过电流，从而导致严重后果。因此电力电子系统需要加强对雷电的防护措施。文中讨论了雷电电击对计算机控制系统产生危害的原因，分析了雷电波侵入控制系统的主要途径，并提出相关的计算机控制系统防雷措施。
关键词 计算机；防雷；控制系统

    随着电子器件向着精密化、集成化以及微型化的方向发展，其应用强电磁脉冲的耐受能力就变得越来越差，但其作用却在生产中变得日益重要，所以对其安全性的要求也越来越高。

1 雷电对控制系统产生危害的原因
    雷击对计算机控制系统造成危害的主要原因有：(1)电源接地存在一定的缺陷，机房的地线和其所控制的范围未处于同一地，二者间形成电位差，如果受到雷击该缺陷表现更为明显，从而危害到计算机系统。(2)电源线及网络线的布设不合理，原本需要设置屏蔽接地却未设置，如果发生雷击，则网线及电源线都很容易受到感应雷电的电磁脉冲，使其沿着网络线路及电源线传导至系统的设备中，损坏设备。(3)计算机本身抗干扰能力相对较差，由于计算机控制系统本身属于弱电设备，如果雷电击中建筑物顶部，其避雷带雷电流在流经房屋结构柱的柱筋并泄放入地时，引下线附近会产生相对较强的交变磁场，受其影响，控制系统中的电路会受到感应，所产生的高电压就会击穿集成电路及电子元件。此外，在雷雨天气环境中，雷电波还有可能会沿着潮湿的线路传导至控制系统，对其造成破坏。

2 雷电波入侵控制系统的途径分析
    (1)直击雷。所谓直击雷建筑物中的露天设备直接遭受雷电的电击，造成损坏或者雷电直接击中了架空线缆，使得线缆熔断最终导致设备损坏，这种现象被称为直击雷；落雷点在电源的高压侧，雷电会沿着供电线路直接侵入到计算机控制系统的供电电路中，从而产生过电流和过电压，损坏供电系统的UPS电源，造成断电，使整个控制系统处于瘫痪状态。雷击电流在流经通信有线线路的过程中，会产生巨大的机械能，以及强大的冲击波和高温，损坏通信线路；而过电流及过电压又经过通信电流的有线线路侵入至控制系统的内部，损坏设备的中断器、电流转换器等。
    (2)雷电感应。静电感应及电磁感应称为感应雷，也被称为二次雷，尽管其破坏性相对直击雷来说比较小，但是其发生的机率要远远超过直击雷。通常感应过电压可以分为以下两种情况。
    1)回路感应过电压。因为计算机控制系统所在的房屋内有大量的各种类型的线路，这些线路及网络结构的布局较复杂，建筑物内不同的空间位置都会构成许多回路。如果建筑物受到雷击，或者邻近的地区出现雷电放电，就会在建筑物的内部空间形成一个脉冲暂态磁场，该磁场进行陕速变化，其与这些回路交链后就会在回路中感应暂态过电压，与这些回路连接的相关控制设备就会受到损坏。在网络通信线路系统中，感应过电压又分为静电感应和电磁感应两种，其中静电感应指的是架空线路与雷击点相近，雷云团先导通道内充满了电荷，架空线会受其所产生静电感应的作用，积累大量反向电荷，一旦雷云团开始放电，雷云团中的电荷会与架空线的电荷快速中和，使得架空线中被束缚的电荷迅速释放，从而形成暂态过电压波。这种暂态过电压波以接近光速的速度传导至架空线的两侧，架空线路两端所连接的设备受到入侵后被损坏。
    如果雷电直击在避雷针或避雷带时，雷电流的幅值相对较大，具有较高的波头陡度，因此在雷电流通道附近就会产生一个较强的瞬变磁场，该磁场的作用较强大，其直接作用在网络通信线路或者电源线中可以感应出过电压，侵入计算机控制系统中，设备就会受到损坏。如果雷电放电的电流强度达到一定程度，例如30 kA的雷电流，那么其可以影响到雷击点1 km半径范围内的网络系统，严重时可能导致系统设备损坏。
    2)耦合及转移过电压。雷击所引起的暂态高压或者过电压通常经过网络线路的耦合或者转移到计算机控制网络设备中，损坏设备。
    (3)雷南地电位抬高。雷电波侵入，如果计算机控制系统的电源线、进入控制室的金属管线以及信号传输线受到雷电感应或者遭雷击时，雷电所产生的雷电波就会经过这些金属导体直接侵入设备，产生电位差而损坏设备，这种现象就称其为雷电波侵入。如果控制系统中设备的绝缘距离不够，并且设备和避雷系统不共地，二者间会产生极高电压，并且会产生放电击穿事故，雷电波侵入会间接导致设备的损坏，甚至危及到人身安全。
    (4)控制系统设备、网络设备的抗干扰能力分析。
    由于计算机控制系统及相关网络设备由大量大规模集成电路所组成，因此抗干扰能力相对较差，尽管在进行系统设计时已经采取了很多相应的抗干扰措施，但是其只是对低能量的干扰比较有效，对于电磁脉冲以及雷电侵袭而导致的过电压及过电流，其抵抗能力则薄弱，特别是雷电磁脉冲及浪涌等尤其敏感，十几伏的电压就有可能经过数据传输线路以及电源线路侵入到设备内部，损坏计算机的主板、多功能卡、相关的网络设备以及通信电流的中继等。
    实际情况中，雷击对计算机控制系统的侵入和破坏往往是几种方式的混合作用，比如从一处地电位升高经过水平接地引线向另一处传递；或者雷击在大地时，雷电流经过地下的金属管道向建筑物内传导；架空线受到感应后再向着建筑物内传导，从而传递至敏感设备造成设备损坏等。其具体的雷击损坏计算机控制系统的途径，如图1所示。

3 系统舫雷的分类和作用机理
    一个完善的系统防雷方案必须包括内部与外部防雷两个方面，其中外部防雷措施包括避雷针和避雷带以及接地极与引下线等，其主要作用是确保房屋本体不受直击雷的袭击，把可能击中建筑的雷电利用这些防雷措施泄放入大地中；而内部防雷的作用则是保护建筑内部人员及设备的安全，内部防雷是将一个适用的避雷器安装在受保护设备的前端，使得大地、线路以及受保护设备三者形成有条件的等电位体，从而把可能入侵的雷电流拦截在外，把受到雷击后内部设施感应的雷电流安全泄入大地。

4 雷击防护措施
    (1)防雷区的划分。系统防雷中一个重要的概念即为防雷区的划分，图2为某公司防雷区划分示意图。

    由图2可以看出，该建筑物内由外到内按照顺序划分为：FA1为直击雷的非防护区；FB1为直击雷防护区；FA2则为第一防护区；FB2为第二防护区。直击雷非防护区FA1的划分：该区域内的各对象会承受直击雷，流过全部电流，而雷电的电磁场并没有衰减。该区其实是房屋顶部及上部没有受到避雷网所保护的部分。直击雷防护区FB1的划分：该区域的各对象不会受到直击雷的侵入，但是雷电的电磁场也未衰退，该区域为建筑物顶部及上部避雷网的保护部分，防雷措施所采用的是避雷网和接地装置。第一防护区FA2，在该区域内的各对象不会受到直击雷的侵入，并且雷电流在该区域会有所分流，如果设置相应的屏蔽，那么电磁场作用就会相应地衰退，其实现代的钢筋结构从某种意义上来说就是一个屏蔽。由图可以看出该区域其实位于房内，雷电流分散至各引下线。该区域主要的防雷措施就是等电位连接和浪涌防护器，其中等电位连接的位置就在FA1及FA2的交界，而浪涌防护器则接在FA2的入口。第二防护区FB2由图可知其实际位于楼内某防雷及防电流涌要求较高的监控室内，如果雷电的电磁脉冲需要进一步减少，那么该区域就采用次级浪涌防护器以及机房屏蔽；如果仍需再做减少，则需要再划分防雷分区。
    (2)防传导侵入。雷电通过传导经过电阻性耦合最终侵入计算机控制系统的主要途径有两种，即电源系统以及信号传输通道，因此要针对这两部分采取相应的防护措施。
    1)电源系统的防护。针对低压电源系统所采取的防雷措施通常采用三级防护方案，即将电流逐层分流、降低残留电压以及对控制系统的用电设备加以保护。一般电源浪涌防护器主要有金属氧化物避雷器、气体放电间隙避雷器以及组合避雷器等。
    2)信号系统的防护。引入或者引出机房的信号电缆需要穿过金属钢管，并保证金属钢管接地良好，对信号系统的线路可起到屏蔽的作用，以减少或者防止直接雷击以及感应雷击电磁脉冲。还可把线路进行埋地敷设，同样可进行防雷击保护。此外，在各种信号线及网络数据线进出机房时，可以在设备端安装SPD，按照实际的面线长度，在信号线及数据线的一头或两头安装SPD。总之针对控制系统输入及输出信号采取相应的防护措施是必要的。
    (3)电源及信号避雷器的安装。在电源及信号系统中可以采取以下避雷措施：在UPS电源的前端设置单相串联电源浪涌保护器，在中继器通信线路和计算机主机间，设置数据信号电涌保护器，在电流信号转换器的信号输入端安装信号电涌保护器。把中继器和主机的通信线路换为光纤，并将其固定钢索进行可靠接地。而监控室与其他受控单位间的通信网络线，尽量敷设金属电缆。
    (4)等电位保护。电子设备的机柜机架、金属外壳、金属管槽、屏蔽线缆外层、信息设备的防静电接地端、安全保护接地端、浪涌保护接地端等，在同等电位连接网络的接地端子相连接时，均需采用最短的距离。控制系统的等电位连接，通常分为“S型星型结构”以及“M型网状结构两种”，其中在控制系统中设备较少或者进行局部控制时通常采用S型星型结构，而在相对较大的控制系统中则采用M型的网状结构。等电位连接的基本方式如图3所示。

5 结束语
    计算机控制系统的防雷措施有多种，在实际应用中要注意：室外的网络布线尽可能采用光纤通信介质，假如采用电缆则要避免架空走线，应采取地埋式敷设电缆。而信息中心是整个控制系统的关键部分，其选位要充分考虑防雷安全，通常可以选择建筑物的边角或者顶部位置。此外，防雷系统的施工设计具有专业性，所以在实际设计施工过程中，需要建立相应的审核机制。