儀器儀表的雷電防護技術

儀器儀表的雷電防護技術 

靜電放電（ESD）和電快速瞬變脈沖群（EFT）對儀器儀表系統會產生不同程度的危害。靜電放電在5～200MHz的頻率范圍內產生強烈的射頻輻射。此輻射能量的峰值經常出現在35MHz～45MHz之間發生自激振蕩。許多信息傳輸電纜的諧振頻率也通常在這個頻率范圍內，結果電纜中便串入了大量的靜電放電輻射能量。電快速瞬變脈沖群也產生相當強的輻射發射，從而耦合到電纜和機殼線路。當電纜暴露在4～8kV靜電放電環境中時，信息傳輸電纜終端負載上可以測量到的感應電壓可達到600V，這個電壓遠遠超出了典型數字儀器儀表的門限電壓值0.4V，典型的感應脈沖持續時間大約為400納秒。
   儀器儀表在使用中經常會遇到意外的電壓瞬變和浪涌，從而導致電子設備的損壞，損壞的原因是儀器儀表中的半導體器件（包括二極管、晶體管、可控硅和集成電路等）被燒毀或擊穿。據統計儀器儀表的故障有75％是由于瞬變和浪涌造成的。電壓的瞬變和浪涌無處不在，電網、雷擊、爆破，就連人在地毯上行走都會產生上萬伏的靜電感應電壓，這些，都是儀器儀表的隱形致命殺手。因此，為了提高儀器儀表的可靠性和人體自身的安全性，必須對電壓瞬變和浪涌采取防護措施。
1.防雷端口
    根據儀器儀表應用的工程實踐，儀器儀表受雷擊可大致分為直擊雷、感應雷和傳導雷。但不論以哪一種形式到達設備都可歸納為從以下4個部位侵入的雷電浪涌，在此把這些部位稱為防雷端口，并以儀器儀表舉例說明。
1.1外殼端口
    比如說，我們可以把任何一個大的或小的儀器儀表或系統視為一個整體的外殼，如傳感器、傳輸線、信號中繼、現場儀表、DCS系統等，它們都有可能*暴露在環境中受到直接雷擊，造成設備損壞。標準規定，當設備外殼受到4kv的雷電靜電放電時，都會影響儀器儀表或系統的正常運行。例如放置于室外的傳感器端子箱有可能受到雷電接觸放電；位于機房內的DCS機柜有可能受到大樓立柱泄流時的空氣放電。
1.2信號線端口（含天饋線、數據線、控制線等）
    在控制系統中,為了實現信號或信息的傳遞總要有與外界連接的部位,如過程控制系統的信號交接端的總配線架、數據傳輸網的終端、微波設備到天線的饋線口等等，那么這些從外界接收信號或發射信號出去的接口都有可能受到雷電浪涌沖擊。因為從樓外信號端口進來的浪涌往往通過長電纜，所以采用10/700μs波形，標準規定線到線間浪涌電壓為0.5kV，線到地間浪涌電壓為1 kV。而樓內儀器儀表之間傳遞信號的端口受到浪涌沖擊相當于電源線上的浪涌沖擊，采用1.2/50（8/20）μs組合波，線到線、線到地浪涌電壓限值不變。一旦超過限值，信號端口和端口后的設備有可能遭受損壞。
1.3電源端口
    電源端口是分布zui廣泛也zui容易感應或傳導雷電浪的部位，從配電箱到電源插座這些電源端口可以處在任何位置。標準規定在1.2/50（8/20）μs 波形下線與線之間浪涌電壓限值為0.5kV，線到地浪涌電壓限制為1kv。但這里的浪涌電壓是指明工作電壓為220V交流進入的，如果工作電壓較低則不能以此為標準，電源線上受較小的浪涌沖擊不一定立即損壞設備，但至少壽命有影響。
1.4接地端口
    盡管在標準中沒有專門提到接地端口的指標，實際上信息技術設備地端口是非常重要的。在雷電發生時接地端口有可能受到地電位反擊、地電位升高影響，或者由于接地不良、接地不當使地阻過大達不到參考電位要求使設備損壞。接地端口不僅對接地電阻/接地線極（長度、直徑、材料）、接地方式、地網的設置等有要求，而且還與設備的電特性、工作頻段、工作環境等有直接的關系。同時從接地端還有可能反擊到直流電源端口損壞直流工作電壓的設備。綜上所述，信息技術設備的防雷可以考慮從四個關鍵的端口入手
2.儀器儀表的端口保護
2.1外殼端口
    儀器儀表的外殼端口保護不僅僅是建筑物外殼，也應當包括某個設備的外殼或者某套系統的外殼，比如說機柜、計算機室等。按照IEC 1312—1《雷電電磁脈沖的防護》*部分（一般原則）的適用范圍為：建筑物內或建筑物頂部儀器儀表系統有效的雷電防護系統的設計、安裝、檢查、維護。其保護方法主要有三種：接地、屏蔽及等電位連接。
2.1.1接地
    IEC1024—1已經闡述了建筑物防雷接地的方法，主要通過建筑物地下網狀接地系統達到要求。儀器儀表系統防雷時還要求對相鄰兩建筑物之間通過的電力線，通信電纜均必須與建筑物接地系統連接起來（不能形成回路），以利用多條并行路徑減少電纜中的電流。
儀器儀表系統的接地更應當注意系統的安全性和防止其它系統干擾。一般來說工作狀態下儀器儀表系統接地不能直接和防雷地線相連，否則將有雜散電流進入儀器儀表系統引起信號干擾。正確的連接方式應當在地下將兩個不同地網，通過放電器低壓避雷器連接，使其在雷擊狀態下自動連通。
2.1.2屏蔽
    從理論上考慮，屏蔽對儀器儀表外殼防雷是非常有效的。但從經濟合理角度來看，還是應當從設備元器件抗擾度及對屏蔽效能的要求來選擇不同的屏蔽方法。線路屏蔽，即在儀器儀表系統中采用屏蔽電纜已被廣泛應用。但對于設備或系統的屏蔽需要視具體情況而定。IEC提出了采用建筑物鋼筋連到金屬框架的措施舉例。