計算機控制系統中雷電的防護

摘要 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(huì )產(chǎn)生巨大的能量，并會(huì )誘發(fā)脈沖過(guò)電壓或過(guò)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(chǎn)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(guān)的計算機控制系統防雷措施。
關(guān)鍵詞 計算機；防雷；控制系統

隨著(zhù)電子器件向著(zhù)精密化、集成化以及微型化的方向發(fā)展，其應用強電磁脈沖的耐受能力就變得越來(lái)越差，但其作用卻在生產(chǎn)中變得日益重要，所以對其安全性的要求也越來(lái)越高。

1 雷電對控制系統產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)及網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)的布設不合理，原本需要設置屏蔽接地卻未設置，如果發(fā)生雷擊，則網(wǎng)線(xiàn)及電源線(xiàn)都很容易受到感應雷電的電磁脈沖，使其沿著(zhù)網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路及電源線(xiàn)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(jīng)房屋結構柱的柱筋并泄放入地時(shí)，引下線(xiàn)附近會(huì )產(chǎn)生相對較強的交變磁場(chǎng)，受其影響，控制系統中的電路會(huì )受到感應，所產(chǎn)生的高電壓就會(huì )擊穿集成電路及電子元件。此外，在雷雨天氣環(huán)境中，雷電波還有可能會(huì )沿著(zhù)潮濕的線(xiàn)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(xiàn)纜，使得線(xiàn)纜熔斷最終導致設備損壞，這種現象被稱(chēng)為直擊雷；落雷點(diǎn)在電源的高壓側，雷電會(huì )沿著(zhù)供電線(xiàn)路直接侵入到計算機控制系統的供電電路中，從而產(chǎn)生過(guò)電流和過(guò)電壓，損壞供電系統的UPS電源，造成斷電，使整個(gè)控制系統處于癱瘓狀態(tài)。雷擊電流在流經(jīng)通信有線(xiàn)線(xiàn)路的過(guò)程中，會(huì )產(chǎn)生巨大的機械能，以及強大的沖擊波和高溫，損壞通信線(xiàn)路；而過(guò)電流及過(guò)電壓又經(jīng)過(guò)通信電流的有線(xiàn)線(xiàn)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(chēng)為感應雷，也被稱(chēng)為二次雷，盡管其破壞性相對直擊雷來(lái)說(shuō)比較小，但是其發(fā)生的機率要遠遠超過(guò)直擊雷。通常感應過(guò)電壓可以分為以下兩種情況。
1)回路感應過(guò)電壓。因為計算機控制系統所在的房屋內有大量的各種類(lèi)型的線(xiàn)路，這些線(xiàn)路及網(wǎng)絡(luò )結構的布局較復雜，建筑物內不同的空間位置都會(huì )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(huì )在建筑物的內部空間形成一個(gè)脈沖暫態(tài)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)進(jìn)行陜速變化，其與這些回路交鏈后就會(huì )在回路中感應暫態(tài)過(guò)電壓，與這些回路連接的相關(guān)控制設備就會(huì )受到損壞。在網(wǎng)絡(luò )通信線(xiàn)路系統中，感應過(guò)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(xiàn)路與雷擊點(diǎn)相近，雷云團先導通道內充滿(mǎn)了電荷，架空線(xiàn)會(huì )受其所產(chǎn)生靜電感應的作用，積累大量反向電荷，一旦雷云團開(kāi)始放電，雷云團中的電荷會(huì )與架空線(xiàn)的電荷快速中和，使得架空線(xiàn)中被束縛的電荷迅速釋放，從而形成暫態(tài)過(guò)電壓波。這種暫態(tài)過(guò)電壓波以接近光速的速度傳導至架空線(xiàn)的兩側，架空線(xiàn)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(shí)，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(huì )產(chǎn)生一個(gè)較強的瞬變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的作用較強大，其直接作用在網(wǎng)絡(luò )通信線(xiàn)路或者電源線(xiàn)中可以感應出過(guò)電壓，侵入計算機控制系統中，設備就會(huì )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(diǎn)1 km半徑范圍內的網(wǎng)絡(luò )系統，嚴重時(shí)可能導致系統設備損壞。
2)耦合及轉移過(guò)電壓。雷擊所引起的暫態(tài)高壓或者過(guò)電壓通常經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路的耦合或者轉移到計算機控制網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)、進(jìn)入控制室的金屬管線(xiàn)以及信號傳輸線(xiàn)受到雷電感應或者遭雷擊時(shí)，雷電所產(chǎn)生的雷電波就會(huì )經(jīng)過(guò)這些金屬導體直接侵入設備，產(chǎn)生電位差而損壞設備，這種現象就稱(chēng)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(huì )產(chǎn)生極高電壓，并且會(huì )產(chǎn)生放電擊穿事故，雷電波侵入會(huì )間接導致設備的損壞，甚至危及到人身安全。
(4)控制系統設備、網(wǎng)絡(luò )設備的抗干擾能力分析。
由于計算機控制系統及相關(guān)網(wǎng)絡(luò )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(jìn)行系統設計時(shí)已經(jīng)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(guò)電壓及過(guò)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(jīng)過(guò)數據傳輸線(xiàn)路以及電源線(xiàn)路侵入到設備內部，損壞計算機的主板、多功能卡、相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )設備以及通信電流的中繼等。
實(shí)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(jīng)過(guò)水平接地引線(xiàn)向另一處傳遞；或者雷擊在大地時(shí)，雷電流經(jīng)過(guò)地下的金屬管道向建筑物內傳導；架空線(xiàn)受到感應后再向著(zhù)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。