儀器儀表的防雷設計探討

黑龍江省完達山乳業(yè)股份有限公司 蔚艷霞

儀器儀表的防雷設計探討

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儀器儀表主要是指用于檢測、計量、觀察、計算各類物質成分、物理量以及物性參數(shù)的設備或器具，如壓力表、真空檢漏儀、測長儀等都屬于儀器儀表范疇。近些年來，隨著儀器儀表朝著電子化、集成化的方向發(fā)展，大部分的儀器儀表采用的都是集成電路和微處理設備。由于集成電路的抗雷擊能力比較弱，一旦遭遇雷擊很容易使設備損壞，從而影響儀器儀表的正常運行，給企業(yè)生產(chǎn)帶來不便。

一、雷擊常見形式

目前，常見的雷擊形式主要有以下3種：

1.直擊雷。指雷云中的雷電荷會通過電氣設備直接進入到地下，此時設備所承受的雷擊就是直擊雷。目前，對于直擊雷的防護常采用安裝避雷針或避雷帶等方法，由于直擊雷產(chǎn)生的電流較大，從而加大了直擊雷防護的難度，想要有效且徹底的防護這種雷擊形式是十分困難的。

2.雷電場感應雷。當雷云放電后，會使地面上的一些金屬感應到雷電壓，這部分電壓在失去雷云的控制以后，便會對地放電。若地面金屬的接地電阻小于5 Ω，便會受到這種形式的雷擊。

3.雷電流感應雷。在雷云放電的過程中，會產(chǎn)生較大的雷電流，由于該電流的脈沖較強，故被感應的電壓也相對較大。大部分弱電設備故障都是由這種形式的雷擊造成的。

二、儀器儀表防雷器件的選擇

1.火花放電管。常用的火花放電管主要有二級放電管和三級放電管兩類。其優(yōu)點是抗雷擊能力強、無需進行特殊維護、極間電容較??；缺點是響應時間較長且殘留電壓較高。如果采用三級放電管，當其中一條導線的電極先放電時，由此所產(chǎn)生的電弧會在很短的時間內(nèi)促使另一條導線電極隨之放電，這樣既能確保放電同步，又能保證回路中不會形成電位差。

2.瞬變抑制二極管。該防雷器件具體可分為單級和雙極兩類，其優(yōu)點是殘留電壓較小，響應時間短，鉗位電壓比較準確；缺點是極間電容大且抗雷擊能力相對較低。

3.壓敏電阻。這種防雷器件最顯著的特點就是抗雷擊能力超強，并且響應時間也比較快。此外，壓敏電壓的范圍較寬，不會形成續(xù)流。由于該器件的極間電容較大，致使其在高頻電路中的使用受到一定的限制。

三、儀器儀表的具體防雷設計技術

1.外部防雷設計。這里所指的外部防雷設計就是要讓儀器儀表設備處于電氣專業(yè)防雷擊的保護范圍以內(nèi)。如果儀器儀表安裝的位置是在較為空曠的地域或是高處的話，必須加裝金屬保護箱，并且應將保護箱與現(xiàn)場的金屬設施進行等電位連接，然后再接入防雷接地系統(tǒng)。

2.內(nèi)部防雷設計。目前，儀器儀表設備的內(nèi)部防雷主要有以下幾種方法：

（1）等電位連接。由于電位差過大會造成儀器儀表損壞，而采取等電位連接就是為了確保在遭受雷擊時不會因電位差過大而導致儀器儀表設備受損?？蓪x器儀表所在工作現(xiàn)場的全部金屬導體進行連接，以此來形成一個等電位體，然后再接入防雷接地系統(tǒng)當中，這樣便可以使雷感電壓達到均衡。

（2）屏蔽。由于雷擊時會產(chǎn)生強大的電磁干擾，而屏蔽最主要的作用就是能夠有效降低電磁干擾對儀器儀表設備的影響，常用的屏蔽方法有電磁屏蔽和靜電屏蔽兩種。對于在室外運行的儀器儀表設備應對其金屬外殼或保護箱進行全封閉處理，電源線及通信線應采用帶有金屬屏蔽層的線纜，并且應將線纜穿于鋼管內(nèi)部后再敷設。

3.接地。其最終目的就是將雷電電流散布到大地當中，這是雷電泄放的一個主要渠道，也是儀器儀表防雷擊最有效的途徑之一。正確合理的接地能夠充分發(fā)揮出防雷系統(tǒng)的最大功效。儀器儀表設備防雷接地系統(tǒng)應采用等電位的方式進行連接，它由接地連接系統(tǒng)和接地裝置構成，其中接地裝置可與電氣專業(yè)共用。在具體設計過程中，應特別注意接地的連續(xù)性。如果現(xiàn)場采用接線箱，那么必須將外層屏蔽連接到接線箱內(nèi)，并與箱體進行連接，接線箱應就近進行可靠接地。同時，電纜穿線鋼管除必須按照規(guī)定要求進行接地外，還應進行多點重復接地，以利于雷電流的泄放。

4.合理化的布線設計。受電磁感應影響，儀器儀表的信號線和電源在遭受雷擊的過程中極易產(chǎn)生感應過電壓。合理進行布線設計，為導線上的感應電壓提供合適的導流途徑，就可以降低雷電流對設備的影響。接地導線和各類電纜要科學敷設，必須使儀器儀表配線遠離避雷引下線和接地引下線，禁止與其平行敷設。

5.浪涌防護器。通常，微電子設備的電路極限電壓在幾十伏的范圍內(nèi)，易受到感應雷襲擊；這不僅會導致設備的電穩(wěn)定性下降、電路漂移加大、熱穩(wěn)定性受損，還會使設備抗擊下一次沖擊的能力減弱，縮短儀器儀表的使用壽命，嚴重的會使設備部分功能喪失，發(fā)生開路或短路現(xiàn)象。使用浪涌防護器，可以實現(xiàn)浪涌電流分走，對瞬態(tài)過電壓進行限制，進而將由內(nèi)部感應和外部侵入感應的過電壓波隔離在設備之外，降低壓敏元件所輸出的殘壓，將電壓水平控制在限定的范圍內(nèi)，以此確保微電子設備的使用安全。