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(xué)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(yīng)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(zāi)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(xué)技術(shù)的進步和國防現(xiàn)代化建設(shè)的一件大事。應(yīng)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(zāi)害劇增,，損失嚴重?
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雷電災(zāi)害是十種最嚴重的自然災(zāi)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(dǎo)致火災(zāi)、爆炸,、信息系統(tǒng)癱瘓等事故頻繁發(fā)生,。從衛(wèi)星、通信,、導(dǎo)航,、計算機網(wǎng)絡(luò)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(zāi)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(zāi)3萬多起,，50%野外火災(zāi)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(zāi)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(zāi)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(zāi)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(zāi)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(yīng)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(dāng)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(luò)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(dāng)務(wù)之急,。這是90年代以來雷電災(zāi)害最顯著的特征,，也是電磁兼容和防護科學(xué)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(dǎo)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(dāng)LEMP的磁場脈沖超過0.07高斯時，就會引起微機失效,，當(dāng)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(yīng)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(fù)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(fù)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(yīng)雷）的防護,。對雷電電磁脈沖的防護應(yīng)綜合考慮雷電成災(zāi)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(yīng)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(dǎo)耦合；二是通過地線通道的傳導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)引的雷電流和電磁場,，就應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū),。應(yīng)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(yù)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．?dāng)r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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(dāng)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(dǎo)體相互作良好的導(dǎo)電性連接，并與接地系統(tǒng)連通,。其中非帶電導(dǎo)體直接用導(dǎo)線連接,，帶電導(dǎo)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(dǎo)線,、等電位連接器（即避雷器、地線隔離器）和所有導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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 （設(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(dān)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(dān)100KA，金屬管道,、電源線路,、通信線纜等系統(tǒng)各承擔(dān)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(dān)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(biāo)準、規(guī)范中都規(guī)定在低壓電源系統(tǒng)應(yīng)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(dān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(biāo)準,、規(guī)范，進行正規(guī)的工程設(shè)計,。在此過程中,，應(yīng)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(luò),，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(yīng)的技術(shù)措施,，進行綜合治理。施工過程中也應(yīng)嚴格按照標(biāo)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(yīng)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(yīng)電壓?；蛟跅l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(dǎo)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(yīng)設(shè)置專用的屏蔽室,。設(shè)備外殼和屏蔽室的屏蔽體都應(yīng)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(luò),。對保護范圍內(nèi)的所有不帶電金屬導(dǎo)體應(yīng)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(yīng)不同負載特性和頻率的低阻攔接地網(wǎng)絡(luò),。該網(wǎng)絡(luò)由總等電位連接箱（
