淺談電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)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(jì)和信息時(shí)代已經(jīng)到來。信息技術(shù)已滲透到了人類社會(huì)生產(chǎn)和生活的各個(gè)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(yùn)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(yán)重。因此，國際電工委員會(huì)（IEC）將雷電災(zāi)害稱為“信息時(shí)代的公害”。為了消除這一公害，人們進(jìn)行了深入的理論研究和廣泛的實(shí)踐探索，研發(fā)了品種繁多的電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)產(chǎn)品，并從理論與實(shí)踐的結(jié)合上不斷完善電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)的工程技術(shù)。???電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)（以下簡稱信息防雷）是一件關(guān)系到我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國防現(xiàn)代化建設(shè)的一件大事。應(yīng)予高度重視、認(rèn)真對待。?
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一、加強(qiáng)雷電防護(hù)工作的必要性和重要性??
???
（一）雷電災(zāi)害劇增，損失嚴(yán)重?
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雷電災(zāi)害是十種最嚴(yán)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(cái)產(chǎn)損失不計(jì)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(jì)算機(jī)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(dá)，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(jì)影響的一份調(diào)查報(bào)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(xiǎn)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(dòng)十分頻繁的國家。全國有21個(gè)省會(huì)城市雷暴日都在50天以上，最多可達(dá)134天。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年因雷擊造成人員傷亡達(dá)3000～4000人，財(cái)產(chǎn)損失50～100億元人民幣。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jì)損失及社會(huì)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(jì)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(jì)，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(jì)損失達(dá)15億元；?
據(jù)氣象部門的不完全統(tǒng)計(jì)，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(jì)損失在上千萬元以上和百萬以上的實(shí)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(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，加速了社會(huì)繁榮與進(jìn)步的進(jìn)程，但也帶來了麻煩問題，那就是各類電磁干擾越來越嚴(yán)重。一方面電氣和電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用造成了嚴(yán)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(jià)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(gè)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(shí)代的到來，已使雷電電磁脈沖的防護(hù)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(hù)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(jì)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(jì)算機(jī)的串行通信接口芯片MC1488的耐壓水平約為103V、MC1489僅達(dá)10V左右；而CMOS芯片僅達(dá)3－5V。對于磁場，當(dāng)LEMP的磁場脈沖超過0.07高斯時(shí)，就會(huì)引起微機(jī)失效，當(dāng)磁場脈沖超過2.4高斯時(shí)，集成電路就會(huì)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(jī)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(hù)和對雷電電磁脈沖（感應(yīng)雷）的防護(hù)。對雷電電磁脈沖的防護(hù)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(jī)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(gè)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(hù)措施，其效果都是有限的。這些防護(hù)措施和技術(shù)可概括為：兩個(gè)部分（外部防護(hù)、內(nèi)部防護(hù)）和五項(xiàng)技術(shù)（攔截、屏蔽、均壓、分流和接地）。不同部分和各項(xiàng)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(gè)部分???
1．外部防護(hù)（直擊雷防護(hù)）???
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(hù)（雷電電磁脈沖防護(hù)）??
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(hù)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(hù)區(qū)???
根據(jù)國際電工委員會(huì)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(yán)重程度，將需要保護(hù)的空間劃分為不同等級的雷電保護(hù)區(qū)（LPZ）。防雷保護(hù)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(qiáng)度不同，把建筑物內(nèi)、外電磁環(huán)境分成幾個(gè)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(jìn)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(hù)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(hù)區(qū)內(nèi)，其感應(yīng)電壓也會(huì)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(jìn)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(hù)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(jī)殼內(nèi)部保護(hù)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(hù)技術(shù)中，劃分防雷保護(hù)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(jì)、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(fù)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(hù)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(jī)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(yuǎn)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(shí)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(yuǎn)場條件下可看作平面電磁場傳播。因此，應(yīng)同時(shí)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(xiàng)很重要的技術(shù)措施，它要求對機(jī)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(shí)，還要采用中間接地點(diǎn)。因此，全屏蔽電纜要求多點(diǎn)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(gè)電位補(bǔ)償系統(tǒng)。???
該電位補(bǔ)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(shí)間里，通過這個(gè) 電位補(bǔ)償系統(tǒng)可以迅速地在被保護(hù)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(gè)等電位區(qū)域。這個(gè)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(hù)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(dá)到保護(hù)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(hù)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(hù)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(gè)系統(tǒng)中，阻抗大者分配的能量也大。在進(jìn)行了等電位連接且接地良好的情況下，認(rèn)為三者阻抗近似相等，三個(gè)系統(tǒng)平均分配50%的能量。即各承擔(dān)17%。進(jìn)入各系統(tǒng)的能量又將在各自的內(nèi)部進(jìn)行分配。如一個(gè)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(jìn)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(hù)區(qū)交界處的雷電流分配情況。由于用戶側(cè)絕緣阻抗遠(yuǎn)大于避雷器放電支路處外線路的阻抗，進(jìn)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(zhǔn)、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(bǔ)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(hù)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(huì)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(jī)會(huì)。???
三、電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)工程??
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近十幾年來，隨著社會(huì)需求的拉動(dòng)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(gè)三維空間內(nèi)對雷電的全面防護(hù)，這是一個(gè)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(jìn)行“路”的防護(hù)，更重要的是對“場”的防護(hù)。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(jì)、綜合治理、系統(tǒng)實(shí)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(jì)、綜合治理、系統(tǒng)實(shí)施???
信息防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程，任何單一措施的防護(hù)作用都是不全面的。正確的方法應(yīng)首先對需要防雷保護(hù)的系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)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(zhǔn)、規(guī)范，進(jìn)行正規(guī)的工程設(shè)計(jì)。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(qiáng)電到弱電統(tǒng)籌考慮、系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(jìn)行綜合治理。施工過程中也應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和設(shè)計(jì)圖紙實(shí)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(shí)采用各種經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)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。或在條件允許、經(jīng)濟(jì)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(diǎn)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(hù)范圍內(nèi)的所有不帶電金屬導(dǎo)體應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)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(gè)統(tǒng)一的、適應(yīng)不同負(fù)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（
