- 雷電對控制系統產生危害的原因
- 雷電波入侵控制系統的途徑分析
- 系統舫雷的分類和作用機理
- 雷擊防護措施
- 劃分防雷區
- 防傳導侵入
- 電源及信號避雷器的安裝
- 等電位保護
雷電災害是自然界存在的災害之一，其在瞬間釋放的強大脈沖電流會產生巨大的能量，并會誘發脈沖過電壓或過電流，從而導致嚴重后果。因此電力電子系統需要加強對雷電的防護措施。文中討論了雷電電擊對計算機控制系統產生危害的原因，分析了雷電波侵入控制系統的主要途徑，并提出相關的計算機控制系統防雷措施。
1 雷電對控制系統產生危害的原因
雷擊對計算機控制系統造成危害的主要原因有：
(1)電源接地存在一定的缺陷，機房的地線和其所控制的范圍未處于同一地，二者間形成電位差，如果受到雷擊該缺陷表現更為明顯，從而危害到計算機系統。
(2)電源線及網絡線的布設不合理，原本需要設置屏蔽接地卻未設置，如果發生雷擊，則網線及電源線都很容易受到感應雷電的電磁脈沖，使其沿著網絡線路及電源線傳導至系統的設備中，損壞設備。
(3)計算機本身抗干擾能力相對較差，由于計算機控制系統本身屬于弱電設備，如果雷電擊中建筑物頂部，其避雷帶雷電流在流經房屋結構柱的柱筋并泄放入地時，引下線附近會產生相對較強的交變磁場，受其影響，控制系統中的電路會受到感應，所產生的高電壓就會擊穿集成電路及電子元件。此外，在雷雨天氣環境中，雷電波還有可能會沿著潮濕的線路傳導至控制系統，對其造成破壞。
2 雷電波入侵控制系統的途徑分析
(1)直擊雷。所謂直擊雷建筑物中的露天設備直接遭受雷電的電擊，造成損壞或者雷電直接擊中了架空線纜，使得線纜熔斷最終導致設備損壞，這種現象被稱為直擊雷；落雷點在電源的高壓側，雷電會沿著供電線路直接侵入到計算機控制系統的供電電路中，從而產生過電流和過電壓，損壞供電系統的UPS電源，造成斷電，使整個控制系統處于癱瘓狀態。雷擊電流在流經通信有線線路的過程中，會產生巨大的機械能，以及強大的沖擊波和高溫，損壞通信線路；而過電流及過電壓又經過通信電流的有線線路侵入至控制系統的內部，損壞設備的中斷器、電流轉換器等。
(2)雷電感應。靜電感應及電磁感應稱為感應雷，也被稱為二次雷，盡管其破壞性相對直擊雷來說比較小，但是其發生的機率要遠遠超過直擊雷。通常感應過電壓可以分為以下兩種情況。
1)回路感應過電壓。因為計算機控制系統所在的房屋內有大量的各種類型的線路，這些線路及網絡結構的布局較復雜，建筑物內不同的空間位置都會構成許多回路。如果建筑物受到雷擊，或者鄰近的地區出現雷電放電，就會在建筑物的內部空間形成一個脈沖暫態磁場，該磁場進行陜速變化，其與這些回路交鏈后就會在回路中感應暫態過電壓，與這些回路連接的相關控制設備就會受到損壞。在網絡通信線路系統中，感應過電壓又分為靜電感應和電磁感應兩種，其中靜電感應指的是架空線路與雷擊點相近，雷云團先導通道內充滿了電荷，架空線會受其所產生靜電感應的作用，積累大量反向電荷，一旦雷云團開始放電，雷云團中的電荷會與架空線的電荷快速中和，使得架空線中被束縛的電荷迅速釋放，從而形成暫態過電壓波。這種暫態過電壓波以接近光速的速度傳導至架空線的兩側，架空線路兩端所連接的設備受到入侵后被損壞。
如果雷電直擊在避雷針或避雷帶時，雷電流的幅值相對較大，具有較高的波頭陡度，因此在雷電流通道附近就會產生一個較強的瞬變磁場，該磁場的作用較強大，其直接作用在網絡通信線路或者電源線中可以感應出過電壓，侵入計算機控制系統中，設備就會受到損壞。如果雷電放電的電流強度達到一定程度，例如30 kA的雷電流，那么其可以影響到雷擊點1 km半徑范圍內的網絡系統，嚴重時可能導致系統設備損壞。
2)耦合及轉移過電壓。雷擊所引起的暫態高壓或者過電壓通常經過網絡線路的耦合或者轉移到計算機控制網絡設備中，損壞設備。
(3)雷南地電位抬高。雷電波侵入，如果計算機控制系統的電源線、進入控制室的金屬管線以及信號傳輸線受到雷電感應或者遭雷擊時，雷電所產生的雷電波就會經過這些金屬導體直接侵入設備，產生電位差而損壞設備，這種現象就稱其為雷電波侵入。如果控制系統中設備的絕緣距離不夠，并且設備和避雷系統不共地，二者間會產生極高電壓，并且會產生放電擊穿事故，雷電波侵入會間接導致設備的損壞，甚至危及到人身安全。
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(4)控制系統設備、網絡設備的抗干擾能力分析。
由于計算機控制系統及相關網絡設備由大量大規模集成電路所組成，因此抗干擾能力相對較差，盡管在進行系統設計時已經采取了很多相應的抗干擾措施，但是其只是對低能量的干擾比較有效，對于電磁脈沖以及雷電侵襲而導致的過電壓及過電流，其抵抗能力則薄弱，特別是雷電磁脈沖及浪涌等尤其敏感，十幾伏的電壓就有可能經過數據傳輸線路以及電源線路侵入到設備內部，損壞計算機的主板、多功能卡、相關的網絡設備以及通信電流的中繼等。
實際情況中，雷擊對計算機控制系統的侵入和破壞往往是幾種方式的混合作用，比如從一處地電位升高經過水平接地引線向另一處傳遞；或者雷擊在大地時，雷電流經過地下的金屬管道向建筑物內傳導；架空線受到感應后再向著建筑物內傳導，從而傳遞至敏感設備造成設備損壞等。其具體的雷擊損壞計算機控制系統的途徑，如圖1所示。
圖1 雷擊損壞計算機控制系統的途徑示意圖
一個完善的系統防雷方案必須包括內部與外部防雷兩個方面，其中外部防雷措施包括避雷針和避雷帶以及接地極與引下線等，其主要作用是確保房屋本體不受直擊雷的襲擊，把可能擊中建筑的雷電利用這些防雷措施泄放入大地中；而內部防雷的作用則是保護建筑內部人員及設備的安全，內部防雷是將一個適用的避雷器安裝在受保護設備的前端，使得大地、線路以及受保護設備三者形成有條件的等電位體，從而把可能入侵的雷電流攔截在外，把受到雷擊后內部設施感應的雷電流安全泄入大地。
4 雷擊防護措施
(1)防雷區的劃分。系統防雷中一個重要的概念即為防雷區的劃分，圖2為某公司防雷區劃分示意圖。
圖2 雷電防護區劃分簡圖
(2)防傳導侵入。雷電通過傳導經過電阻性耦合最終侵入計算機控制系統的主要途徑有兩種，即電源系統以及信號傳輸通道，因此要針對這兩部分采取相應的防護措施。
1)電源系統的防護。針對低壓電源系統所采取的防雷措施通常采用三級防護方案，即將電流逐層分流、降低殘留電壓以及對控制系統的用電設備加以保護。一般電源浪涌防護器主要有金屬氧化物避雷器、氣體放電間隙避雷器以及組合避雷器等。
2)信號系統的防護。引入或者引出機房的信號電纜需要穿過金屬鋼管，并保證金屬鋼管接地良好，對信號系統的線路可起到屏蔽的作用，以減少或者防止直接雷擊以及感應雷擊電磁脈沖。還可把線路進行埋地敷設，同樣可進行防雷擊保護。此外，在各種信號線及網絡數據線進出機房時，可以在設備端安裝SPD，按照實際的面線長度，在信號線及數據線的一頭或兩頭安裝SPD。總之針對控制系統輸入及輸出信號采取相應的防護措施是必要的。
(3)電源及信號避雷器的安裝。在電源及信號系統中可以采取以下避雷措施：在UPS電源的前端設置單相串聯電源浪涌保護器，在中繼器通信線路和計算機主機間，設置數據信號電涌保護器，在電流信號轉換器的信號輸入端安裝信號電涌保護器。把中繼器和主機的通信線路換為光纖，并將其固定鋼索進行可靠接地。而監控室與其他受控單位間的通信網絡線，盡量敷設金屬電纜。
(4)等電位保護。電子設備的機柜機架、金屬外殼、金屬管槽、屏蔽線纜外層、信息設備的防靜電接地端、安全保護接地端、浪涌保護接地端等，在同等電位連接網絡的接地端子相連接時，均需采用最短的距離。控制系統的等電位連接，通常分為“S型星型結構”以及“M型網狀結構兩種”，其中在控制系統中設備較少或者進行局部控制時通常采用S型星型結構，而在相對較大的控制系統中則采用M型的網狀結構。等電位連接的基本方式如圖3所示。
圖3 計算機控制系統等電位連接的基本方式
計算機控制系統的防雷措施有多種，在實際應用中要注意：室外的網絡布線盡可能采用光纖通信介質，假如采用電纜則要避免架空走線，應采取地埋式敷設電纜。而信息中心是整個控制系統的關鍵部分，其選位要充分考慮防雷安全，通常可以選擇建筑物的邊角或者頂部位置。此外，防雷系統的施工設計具有專業性，所以在實際設計施工過程中，需要建立相應的審核機制。
