仪器仪表的雷电防护技术

仪器仪表的雷电防护技术
周志敏
山东莱芜钢铁集团动力部莱芜 271104
摘要：文中简介了仪器仪表的防雷端口，阐述了雷电端口防护的必要性，论述了仪器仪表雷电端口保护的基本原则。

关键词：仪器仪表防雷端口端口防护
静电放电（ESD）和电快速瞬变脉冲群（EFT）对仪器仪表系统会产生不同程度的危害。

静电放电在5～200MHz的频率范围内产生强烈的射频辐射。

此辐射能量的峰值经常出现在35MHz～45MHz之间发生自激振荡。

许多信息传输电缆的谐振频率也通常在这个频率范围内，结果电缆中便串入了大量的静电放电辐射能量。

电快速瞬变脉冲群也产生相当强的辐射发射，从而耦合到电缆和机壳线路。

当电缆暴露在4～8kV静电放电环境中时，信息传输电缆终端负载上可以测量到的感应电压可达到600V，这个电压远远超出了典型数字仪器仪表的门限电压值0.4V，典型的感应脉冲持续时间大约为400纳秒。

仪器仪表在使用中经常会遇到意外的电压瞬变和浪涌，从而导致电子设备的损坏，损坏的原因是仪器仪表中的半导体器件（包括二极管、晶体管、可控硅和集成电路等）被烧毁或击穿。

据统计仪器仪表的故障有75％是由于瞬变和浪涌造成的。

电压的瞬变和浪涌无处不在，电网、雷击、爆破，就连人在地毯上行走都会产生上万伏的静电感应电压，这些，都是仪器仪表的隐形致命杀手。

因此，为了提高仪器仪表的可靠性和人体自身的安全性，必须对电压瞬变和浪涌采取防护措施。

1.防雷端口
根据仪器仪表应用的工程实践，仪器仪表受雷击可大致分为直击雷、感应雷和传导雷。

但不论以哪一种形式到达设备都可归纳为从以下4个部位侵入的雷电浪涌，在此把这些部位称为防雷端口，并以仪器仪表举例说明。

1.1外壳端口
比如说，我们可以把任何一个大的或小的仪器仪表或系统视为一个整体的外壳，如传感器、传输线、信号中继、现场仪表、DCS系统等，它们都有可能完全暴露在环境中受到直接雷击，造成设备损坏。

标准规定，当设备外壳受到4kv 的雷电静电放电时，都会影响仪器仪表或系统的正常运行。

例如放置于室外的传感器端子箱有可能受到雷电接触放电；位于机房内的DCS机柜有可能受到大楼立柱泄流时的空气放电。

1.2信号线端口（含天馈线、数据线、控制线等）
在控制系统中,为了实现信号或信息的传递总要有与外界连接的部位,如过程控制系统的信号交接端的总配线架、数据传输网的终端、微波设备到天线的馈线口等等，那么这些从外界接收信号或发射信号出去的接口都有可能受到雷电浪涌冲击。

因为从楼外信号端口进来的浪涌往往通过长电缆，所以采用10/700μs 波形，标准规定线到线间浪涌电压为0.5kV，线到地间浪涌电压为1 kV。

而楼内仪器仪表之间传递信号的端口受到浪涌冲击相当于电源线上的浪涌冲击，采用1.2/50（8/20）μs组合波，线到线、线到地浪涌电压限值不变。

一旦超过限值，信号端口和端口后的设备有可能遭受损坏。

1.3电源端口
电源端口是分布最广泛也最容易感应或传导雷电浪的部位，从配电箱到电源插
座这些电源端口可以处在任何位置。

标准规定在1.2/50（8/20）μs 波形下线与线之间浪涌电压限值为0.5kV，线到地浪涌电压限制为1kv。

但这里的浪涌电压是指明工作电压为220V交流进入的，如果工作电压较低则不能以此为标准，电源线上受较小的浪涌冲击不一定立即损坏设备，但至少寿命有影响。

1.4接地端口
尽管在标准中没有专门提到接地端口的指标，实际上信息技术设备地端口是非常重要的。

在雷电发生时接地端口有可能受到地电位反击、地电位升高影响，或者由于接地不良、接地不当使地阻过大达不到参考电位要求使设备损坏。

接地端口不仅对接地电阻/接地线极（长度、直径、材料）、接地方式、地网的设置等有要求，而且还与设备的电特性、工作频段、工作环境等有直接的关系。

同时从接地端还有可能反击到直流电源端口损坏直流工作电压的设备。

综上所述，信息技术设备的防雷可以考虑从四个关键的端口入手，如图1。

2.仪器仪表的端口保护
2.1外壳端口
仪器仪表的外壳端口保护不仅仅是建筑物外壳，也应当包括某个设备的外壳或者某套系统的外壳，比如说机柜、计算机室等。

按照IEC 1312—1《雷电电磁脉冲的防护》第一部分（一般原则）的适用范围为：建筑物内或建筑物顶部仪器仪表系统有效的雷电防护系统的设计、安装、检查、维护。

其保护方法主要有三种：接地、屏蔽及等电位连接。

2.1.1接地；IEC1024—1已经阐述了建筑物防雷接地的方法，主要通过建筑物地下网状接地系统达到要求。

仪器仪表系统防雷时还要求对相邻两建筑物之间通过的电力线，通信电缆均必须与建筑物接地系统连接起来（不能形成回路），以利用多条并行路径减少电缆中的电流。

仪器仪表系统的接地更应当注意系统的安全性和防止其它系统干扰。

一般来说工作状态下仪器仪表系统接地不能直接和防雷地线相连，否则将有杂散电流进入仪器仪表系统引起信号干扰。

正确的连接方式应当在地下将两个不同地网，通过放电器低压避雷器连接，使其在雷击状态下自动连通。

2.1.2屏蔽；从理论上考虑，屏蔽对仪器仪表外壳防雷是非常有效的。

但从经济合理角度来看，还是应当从设备元器件抗扰度及对屏蔽效能的要求来选择不同的屏蔽方法。

线路屏蔽，即在仪器仪表系统中采用屏蔽电缆已被广泛应用。

但对于设备或系统的屏蔽需要视具体情况而定。

IEC提出了采用建筑物钢筋连到金属框
架的措施举例。

IEC1312—2作了如下描述：建筑物内部仪器仪表系统的主要电磁干扰源是由一次闪击是的几个雷击的瞬时电流造成的瞬态磁场。

如果包含仪器仪表系统的建筑物或房间，用大空间屏蔽，通常在这样的措施下瞬时电场被减少到一个足够低的值。

2.1.3等电位接连；等电位连接的目的是减小仪器仪表之间和仪器仪表与金属部件之间的电位差。

在防雷区的界面处的等电位连接要考虑建筑物内的仪器仪表系统，在那些对雷电电磁脉冲效应要求最小的地方，等电位连接带最好采用金属板，并多次与建筑物的钢筋连接或连接在其它屏蔽物的构件上。

对于仪器仪表系统的外露导电物应建立等位连接网，原则上一个电位连接网不需要直接连在大地，但实际上所有等电位连接网都有通大地的连接。

2.2信号线端口
信号线端口保护现在已经在已有许多类型的较为成熟的保护器件，比如仪器仪表信号网络不同接口保护器、天馈线保护器、终端设备的保安单元等。

在保护器选择时除了保护器本身的性能外，应该注意保护设备的传输速率、插入衰耗限值、驻波比、工作电压、工作电流等相关指标，如果在同一系统（或网络）使用多级保护还应该考虑相互配合问题。

值得提出的是，当前由于商业因素，在同一网络中有过多使用保护器的倾向，其反而带来降低速率、增大衰耗、传输失真、信息丢失等问题。

因此笔者认为对某一网络的信号端口保护应在网络信号进出的交界面处安装合适的保护器即可。

在信号端口窜入的瞬态电流最容易损坏信号交换或转换单元及过程控制计算机，如主板、并行口、信号接口卡等。

事实上瞬态电流或浪涌可能通过不同途径被引入到信号传输网络中，IEEE 802—3以太网标准中列出了四种可能对网络造成威胁的情况：
①局域网络元件和供电回路或受电影响的电路发生直接接触。

②局域网电缆和元件上的静电效果。

③高能量瞬态电流同局域网络系统耦合（由网络电缆附近的电缆引入）。

④彼此相连的网络元件的地线电压间有细小差别（例如两幢不同建筑的安全地线电压就有可能略有不同）。

以数据通信线为例，在RS—232的串、并行口的标准中，用于泄放高能浪涌和故障电流的地线同数据信号的返回路径共享一条线路，而小至几十伏的瞬态电压都有可能通过这些串、并行口而毁坏计算机及打印机等设备，信号传输线也能直接将户外电源线上的瞬态浪涌传导进来，而信号接口能够传导由闪电和静电泄漏引起的浪涌电压。

用户应当对数据线保护器慎重选择，有些保护器虽然起到了“分流”作用，但常常是将硅雪崩二极管（SAD）接在被保护线路和保护器外壳之间，测试表明SAD 的钳位性能很好，但它电涌分流能力有限。

同时压敏电阻（MOV）也不能在数据线保护器上使用。

先进的过程控制系统的信号接口防雷保护装置（无论是RS—232串等通信接口还是计算机同轴网络适配器接口）目前均采用瞬态过电压半导体放电管，其冲击残压参数指标很重要。

有条件能够采取多级保护设计电路效果更佳。

天馈线保护器基本采用波导分流原理，其中发射功率400W，额定测试放电电流（8/20μs）5 kA，传输频率＜2.5GHz，插入损耗＜0.8dB,响应时间＜100ns。

2.3电源端口
原则上采用多级SPD做电源保护，但信息系统的电源保护由于其敏感性必须采用较低的残压值的保护器件，且此残压应当低于需要保护设备的耐压能力。

同时还必须考虑到电磁干扰对仪器仪表系统的影响，因此带过滤波的分流设计应当更加理想。

所以对于仪器仪表系统电源保护特别注意的两点是：前两级采用通流容量大的保护器，在仪器仪表终端处则采用残压较低的保护器。

最后一级的保护器中最好有滤波电路。

对仪器仪表系统电源端口安装SPD时应注意以下问题：
①多级SPD应当考虑能量配合、时间配合、距离配合。

如果配合不当的话，效果将适得其反。

②连接防雷保护器的引线应当尽量粗和短。

③全保护时尽可能将所有连接线捆扎在一起。