淺談電子信息系統(tǒng)的雷電防護工程技術(shù)
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伴隨著科學技術(shù)的腳步，知識經(jīng)濟和信息時代已經(jīng)到來。信息技術(shù)已滲透到了人類社會生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域,，各種信息設(shè)備應用的范圍之廣,、品種之多、數(shù)量之大是前所未有的,。然而,，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)原電子信息設(shè)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沖[LEMP（Lightning?Electro?Magnetic?Pulse）]的能力差,，極易遭受雷電的危害,，特別是雷電電磁脈沖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“信息時代的公害”,。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(fā)了品種繁多的電子信息系統(tǒng)的雷電防護產(chǎn)品,，并從理論與實踐的結(jié)合上不斷完善電子信息系統(tǒng)的雷電防護的工程技術(shù)。???電子信息系統(tǒng)的雷電防護（以下簡稱信息防雷）是一件關(guān)系到我國國民經(jīng)濟的發(fā)展,、科學技術(shù)的進步和國防現(xiàn)代化建設(shè)的一件大事,。應予高度重視、認真對待,。?
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一,、加強雷電防護工作的必要性和重要性??
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（一）雷電災害劇增，損失嚴重?
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雷電災害是十種最嚴重的自然災害之一,。全球每天約發(fā)生800萬次雷電,，每年因雷擊造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失不計其數(shù),。導致火災,、爆炸、信息系統(tǒng)癱瘓等事故頻繁發(fā)生,。從衛(wèi)星,、通信、導航,、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng),、通信指揮系統(tǒng)和有室外天饋設(shè)備的系統(tǒng)更是雷電的重災區(qū)。從某種意義上說,，科技越發(fā)達,，雷擊對人類的危害就越大,。???
1．國外情況 據(jù)美國國家雷電安全研究所關(guān)于雷電所造成的經(jīng)濟影響的一份調(diào)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(guān)；30%的電力事故與雷電有關(guān),；有4／5石油產(chǎn)品儲存和儲藏罐事故是由雷擊引起的,；由于雷電和操作過電壓造成物理裝置的損失約占80%。據(jù)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(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年因雷擊造成人員傷亡達3000～4000人,，財產(chǎn)損失50～100億元人民幣,。近年來，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和現(xiàn)代化水平的提高,，特別是信息技術(shù)的快速發(fā)展,，城市建設(shè)高層建筑物日益增多，雷電災害程度和造成的經(jīng)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(jīng)濟損失在百萬元以上的雷電災害就有38起。據(jù)廣東省統(tǒng)計,，在1996～1999年的四年間，全省發(fā)生雷擊事故6143起,，傷亡699人,，直接經(jīng)濟損失達15億元；?
據(jù)氣象部門的不完全統(tǒng)計,，2001年,，全國發(fā)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(jīng)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(fā)生在電力,、電信,、廣電、金融,、建筑,、石化等部門，雷電造成傷亡主要發(fā)生在野外田間勞作的人們,。???
3．電子信息系統(tǒng)受損比重急劇增加 電氣和電子技術(shù)是現(xiàn)代物質(zhì)文明的基礎(chǔ),，其迅猛發(fā)展促進了生產(chǎn)力的發(fā)展，加速了社會繁榮與進步的進程,，但也帶來了麻煩問題,，那就是各類電磁干擾越來越嚴重。一方面電氣和電子設(shè)備的廣泛應用造成了嚴重的環(huán)境電磁噪聲干擾,，而這些電磁噪聲干擾當今是沒有得勝價值的,。另一方面，電子技術(shù)正向高頻率,、高速度,、微型化、網(wǎng)絡化和智能化方向發(fā)展,。電磁干擾,，特別是雷電電磁脈沖干擾對這些設(shè)備和系統(tǒng)的影響越來越突出，對這些設(shè)備力系統(tǒng)造成的失效與損壞事故的發(fā)生率逐年增高,。第三,，隨著城市建筑物的增高，收發(fā)雷電的幾率也增大,。一個雷電的電磁可影響幾公里范圍的電子設(shè)備,，這也使電子設(shè)備受損的幾率增大。電子信息系統(tǒng)受損后,，除直接損失外,，間接損失往往很難估量。因此,，信息時代的到來,，已使雷電電磁脈沖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征,，也是電磁兼容和防護科學技術(shù)需要解決的最重要的課題之一,。???
二、電子信息系統(tǒng)綜合防雷技術(shù)????
二十世紀五十年代以后,，各種電子信息設(shè)備大量涌現(xiàn),、廣泛使用,，特別是微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微電子器件的集成化,、小型化,、高速化的水平不斷提高，而“三化”的必然結(jié)果是導致各種電子信息設(shè)備的耐過壓,、耐過流和抗雷電電磁脈沖的能力大大降低,。例如：對于過電壓，Vax系列電子計算機的串行通信接口芯片MC1488的耐壓水平約為103V,、MC1489僅達10V左右,；而CMOS芯片僅達3－5V。對于磁場,，當LEMP的磁場脈沖超過0.07高斯時,，就會引起微機失效，當磁場脈沖超過2.4高斯時,，集成電路就會發(fā)生永久性損壞,。???
一方面，由于電子信息設(shè)備十分“嬌嫩”,，對雷電電磁脈沖“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(huán)境下，其受損的也比建筑設(shè)施和一般的機電設(shè)備高得多,。???
另一方面,，由于電子信息設(shè)備的種類多、數(shù)量龐大,、工作環(huán)境復雜,、雷電侵入的通道多。因此,，信息防雷遇到了比傳統(tǒng)防雷復雜的多的問題。?
信息防雷包括對直擊雷的防護和對雷電電磁脈沖（感應雷）的防護,。對雷電電磁脈沖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,，采用相應的綜合防雷技術(shù)和措施,。對于電子信息設(shè)備而言，雷電電磁脈沖能量的耦合主要通過以下三個通道侵入：一是雷電電磁脈沖能量通過各種多發(fā)管線通道（多發(fā)管道,、多發(fā)構(gòu)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）；三是雷電電磁脈沖能量通過空間通道的輻射耦合,。由于雷電的侵襲是無孔不入的,，因此信息防雷是綜合性的系統(tǒng)工程，所采取的技術(shù)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(shù)可概括為：兩個部分（外部防護,、內(nèi)部防護）和五項技術(shù)（攔截,、屏蔽、均壓,、分流和接地）,。不同部分和各項技術(shù)都有其重要作用，相互之間緊密聯(lián)系,，不能將它們割裂開來,，也不存在替代性。分述如下：???
（一）現(xiàn)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(tǒng)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(nèi)部防護（雷電電磁脈沖防護）??
⑴?作用：均衡系統(tǒng)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(shù)措施：截流,、屏蔽、均壓,，分流,、接地。???
（二）防雷保護區(qū)???
根據(jù)國際電工委員會的《防雷擊電磁脈沖（LEMP）》（IEC61312）,，信息防雷應根據(jù)雷電電磁脈沖的嚴重程度,，將需要保護的空間劃分為不同等級的雷電保護區(qū)（LPZ）。防雷保護區(qū)稱電磁兼容分區(qū),。是按人,、物和信息系統(tǒng)對雷電及雷電電磁脈沖的感受強度不同，把建筑物內(nèi),、外電磁環(huán)境分成幾個區(qū)域,。???
LPZ
LPZ0B區(qū) 本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊,，但本區(qū)內(nèi)雷電電磁脈沖也沒有衰減。???
LPZ1區(qū) 本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊,，流往各導體的電流比LPZ0B區(qū)進一步減少,。本區(qū)內(nèi)雷電電磁脈沖經(jīng)建筑物外墻的屏蔽而衰減。???
在防雷保護區(qū)的0區(qū)與1區(qū)的界面上,，對建筑物來說就是屋頂與四周墻壁及地面,，盡管采用籠式避雷網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但由于受大網(wǎng)孔,、門,、窗口等開洞的影響，雷電電磁脈沖仍將通過多種耦合途徑侵入保護區(qū)內(nèi),，其感應電壓也會破壞建筑物內(nèi)部的電氣和電子設(shè)備,。???
LPZ2區(qū) 本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊。雷電電磁脈沖經(jīng)建筑物內(nèi)墻的再次屏蔽而衰減,。又稱后續(xù)防雷區(qū),。???
如果需要進一步減小所導引的雷電流和電磁場，就應引入后續(xù)防雷區(qū),。應按照需要保護的系統(tǒng)所要求的電磁環(huán)境選擇滿足后續(xù)防雷區(qū)要求的條件,。如建立專用的屏蔽室等。?
LPZ3區(qū) 機殼內(nèi)部保護區(qū)序號越高,，預期的干擾能量和干擾電壓越低,。在現(xiàn)代雷電防護技術(shù)中，劃分防雷保護區(qū)的意義在于為內(nèi)部防雷技術(shù)措施和有關(guān)防雷器件的選用提供電磁環(huán)境的依據(jù),。??
（三）現(xiàn)代綜合防雷的主要技術(shù)措施???
1．攔截 信息防雷的第一道防線是攔截直擊雷,。最經(jīng)濟、最有效的方法仍然是避雷針（避雷帶,、避雷網(wǎng)）法,。盡管避雷針對于電子信息設(shè)備有很多負作用，對其應抱趨利避害,、積極,、穩(wěn)妥的態(tài)度，采取有效的技術(shù)措施予以抑制,。???
2．屏蔽 屏蔽是防止任何形式電磁干擾的基本手段之一。屏蔽的目的,，一是限制某一區(qū)域內(nèi)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,。???
由于電場、磁場及電磁場的性質(zhì)不同,，因而屏蔽的機理也不同,。按屏蔽的要求不同可分別采用屏蔽室（盒、管）的完整屏蔽體,，或金屬網(wǎng),、波導管及蜂窩結(jié)構(gòu)的非完整屏蔽體。屏蔽一般分為電場屏蔽,、磁場屏蔽及電磁場屏蔽幾種,。???
⑴?靜電屏蔽（電場屏蔽） 是為了消除和抑制靜電電場的干擾。???
⑵?磁場屏蔽 是為了消除或抑制由磁場耦合引起的干擾,。磁場屏蔽又分為低頻屏蔽和高頻磁屏蔽兩種情況,。???
⑶?電磁場屏蔽 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(fā)生的,。雷電電磁脈沖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屏蔽,。???
⑷?信號傳輸電纜的全屏蔽 電纜的屏蔽是一項很重要的技術(shù)措施，它要求對機房內(nèi),、外所有架空,、埋地的電纜都用金屬層屏蔽起來，以防雷電電磁脈沖的干擾,，這稱作全屏蔽,。當全屏蔽電纜接觸或穿過另一金屬部分時，還要采用中間接地點,。因此,，全屏蔽電纜要求多點接地。???
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,，并與接地系統(tǒng)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(zhì)是由可靠的接地系統(tǒng)、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(tǒng)。???
該電位補償系統(tǒng)的作用，一是為雷電流提供低阻抗的連續(xù)通道,，使其迅速導入大地泄放,。二是使系統(tǒng)各部分不產(chǎn)生足以致?lián)p的電位差。即在瞬態(tài)現(xiàn)象存在的極短時間里,，通過這個 電位補償系統(tǒng)可以迅速地在被保護系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)的所有導電部件之間建立起五個等電位區(qū)域,。這個區(qū)域相對于外界可能存在著數(shù)十千伏的電位差。重要的是在需要保護的系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)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(shè)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,，線纜屏蔽層，設(shè)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(qū)對雷電能量分級瀉放,。盡可能多,、盡可能 將多余能量在引入信息系統(tǒng)之前泄放入地。???
由于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,，必須采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(shè)備能夠承受的范圍之內(nèi),。???
⑵?雷電能量分配模型?。ㄔO(shè)有避雷針的建筑物）???
A．前級評估模式 用于評估LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)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(tǒng)：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,。后三個系統(tǒng)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(tǒng)平均分配50%的能量,。即各承擔17%,。進入各系統(tǒng)的能量又將在各自的內(nèi)部進行分配,。如一個200KA的雷電流，避雷針系統(tǒng)承擔100KA,，金屬管道,、電源線路、通信線纜等系統(tǒng)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．后續(xù)評估模式 用于評估LPZ1區(qū)以后各級保護區(qū)交界處的雷電流分配情況,。由于用戶側(cè)絕緣阻抗遠大于避雷器放電支路處外線路的阻抗,，進入后續(xù)防雷區(qū)的雷電流將減少。該區(qū)域的雷電流用8/20μs波形表示,。???
許多行業(yè)的標準,、規(guī)范中都規(guī)定在低壓電源系統(tǒng)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(guī)格要與各級可能承擔的雷電能量和各級設(shè)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(tǒng)基礎(chǔ),。目的是使雷電流通過低阻抗接地系統(tǒng)向大地泄放,，從而保護建筑物、人員和設(shè)備的安全,。沒有良好的接地系統(tǒng)或者接地不良的避雷設(shè)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沖對電氣和電子設(shè)備產(chǎn)生電感性,、電容性耦合干擾的機會,。???
三、電子信息系統(tǒng)雷電防護工程??
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近十幾年來,，隨著社會需求的拉動和理論探索的深入,，信息防雷技術(shù)有了較大的發(fā)展。信息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(nèi)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（雷電電磁脈沖）,；不但要進行“路”的防護，更重要的是對“場”的防護,。全面的信息防雷原則和行之有效的工程技術(shù)方法應為“整體設(shè)計,、綜合治理、系統(tǒng)實施”原則和“有效攔截,、良好屏蔽,、均衡連接、合理接地、堵截通道,、全面防御”的工程技術(shù)方法,。???
（一）整體設(shè)計、綜合治理,、系統(tǒng)實施???
信息防雷是一個系統(tǒng)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(tǒng)進行詳細勘察,，制訂技術(shù)方案,，并依據(jù)國家和有關(guān)行業(yè)的技術(shù)標準、規(guī)范,，進行正規(guī)的工程設(shè)計,。在此過程中，應從宏觀到微觀,、從內(nèi)部防雷到外部防雷,、從天線到地線、從強電到弱電統(tǒng)籌考慮,、系統(tǒng)設(shè)計,。即對避雷針、地線,、屏蔽,、均壓接地網(wǎng)絡，以及雷電過電壓容易侵入的通道,，如電源系統(tǒng),、天饋系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)等有針對性地采取相應的技術(shù)措施,，進行綜合治理,。施工過程中也應嚴格按照標準、規(guī)范和設(shè)計圖紙實施,。???
（二）有效攔截,、良好屏蔽???
1．有效攔截???
其思路是：改善直擊雷措施是根據(jù)技術(shù)規(guī)范完善避雷針、避雷帶等設(shè)施,。必要時采用各種經(jīng)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(yōu)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(jīng)濟可承受的前提下,，盡量降低接地電阻等,。???
2．良好屏蔽???
⑴?信號電纜的屏蔽,，要點是：過早地敷設(shè),、排流防雷、穿管（槽）走線,、可靠接地,。電纜的屏蔽性能與電纜外導體或屏蔽體是否接地以及它的敷設(shè)形式有關(guān)。電纜不同的敷設(shè)形式,，其屏蔽效果也大不相同,，架空電纜比埋地電纜更易受雷電損壞。???
⑵?設(shè)備的屏蔽,，主要依賴其外殼。對于屏蔽要求很高的設(shè)備,，應設(shè)置專用的屏蔽室,。設(shè)備外殼和屏蔽室的屏蔽體都應良好接地。?
（三）均衡連接,、合理接地???
1．均衡連接???
即完善均壓網(wǎng)絡,。對保護范圍內(nèi)的所有不帶電金屬導體應進行嚴密的等電位連接，并與符合要求的地線可靠連接,。從而形成一個統(tǒng)一的,、適應不同負載特性和頻率的低阻攔接地網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡由總等電位連接箱（
