電子信息系統(tǒng)防雷工程中電涌保護(hù)器的選用

傅海波

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司）

1 雷電對(duì)電子信息系統(tǒng)的危害

1.1 直擊雷擊

所謂的直擊雷擊從實(shí)質(zhì)上看就是一種放電現(xiàn)象，只不過(guò)這種放電借由雷云產(chǎn)生的電流直接投放到地面建筑上的某一點(diǎn)或者是雷云放射出的電流直接與地面及其建筑物中的某一點(diǎn)發(fā)生了導(dǎo)電反應(yīng)。直擊雷擊所帶來(lái)的危害有三點(diǎn)：

①被雷電襲擊的物體會(huì)突然之間承受巨大的雷電流導(dǎo)致電流之間產(chǎn)生熱效應(yīng)從而爆發(fā)巨大的能量使得被擊中的物體驟然升溫；

②雷電的到來(lái)往往是會(huì)攜帶高強(qiáng)度的電流，如此大的能量造成空氣的膨脹度不斷提高，傳播擴(kuò)散的速度極快，再和周圍的冷空氣產(chǎn)生碰撞，就會(huì)形成激波，從而威脅到周邊的建筑或樹(shù)木；

③新增的雷電磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)力效應(yīng)造成電力設(shè)備損壞，影響電子信息系統(tǒng)供電質(zhì)量。

1.2 感應(yīng)雷擊

所謂的感應(yīng)雷擊指的建筑物防雷裝置落雷后，雷電流在入地的過(guò)程中，雷電流附近產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，在周圍的金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的過(guò)電壓瞬態(tài)波，即雷電電涌。電子信息設(shè)備的電磁兼容能力低下，抗雷電電涌的能力十分脆弱，因此感應(yīng)雷擊會(huì)沿著金屬導(dǎo)線對(duì)電子信息設(shè)備的電源、信號(hào)端口產(chǎn)生巨大的破壞作用。

電子信息系統(tǒng)受到直擊雷的概率相對(duì)較低，但由于設(shè)備接口多、線路長(zhǎng)，比較容易受到雷電電涌侵入，造成電子設(shè)備失效。因此，雷電電涌防護(hù)的主要手段是在雷電電涌侵入的通道上設(shè)置合適的電涌保護(hù)器，對(duì)雷電流進(jìn)行限壓、分流，以達(dá)到保護(hù)電子信息系統(tǒng)的目的。

2 雷電電涌入侵電子信息設(shè)備的路徑

石化企業(yè)的電子信息系統(tǒng)所構(gòu)成的子系統(tǒng)很多，電子信息系統(tǒng)的設(shè)備不光安裝在建筑物內(nèi)，還有很大一部分終端設(shè)備是安裝在戶外裝置區(qū)內(nèi)，電子信息系統(tǒng)的電源端口、信號(hào)端口都有可能遭到雷電電涌威脅。安裝在建筑物內(nèi)或戶外裝置區(qū)內(nèi)的電子信息設(shè)備受到相關(guān)建、構(gòu)筑物外部防雷裝置的保護(hù)，基本上能免遭直擊雷的威脅，但是，卻容易遭受雷電電涌對(duì)電子信息設(shè)備的損害。下面討論雷電電涌入侵電子信息設(shè)備的主要路徑。

參照《低壓電涌保護(hù)器 第22部分：電信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電涌保護(hù)器（SPD）選擇和應(yīng)用導(dǎo)則》（GB/T 18802.22-2008）中7.2條[1]，耦合機(jī)理：雷電電涌入侵電子信息設(shè)備的主要路徑主要有（S1）雷擊建筑物、（S2）雷擊建筑物附近區(qū)域地面、（S3）雷擊電子信息線路、（S4）雷擊電子信息線路附近區(qū)域等四種情況，文章僅討論雷電危害，因此未將交流供電系統(tǒng)影響列入其中，詳見(jiàn)圖1。

下面對(duì)這四種情況進(jìn)行詳細(xì)分析，并根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057-2010）4.2.3條條文說(shuō)明規(guī)范中表5查得預(yù)期雷擊的電涌電流[2]。

①雷直擊建筑物外部接閃器（S1），通過(guò)引下線將雷電流IB引下，建筑物地電位升高，雷電流分流后分別進(jìn)入地下及建筑物內(nèi)等電位連接體，電子信息設(shè)備及配電箱地電位升高，設(shè)備地電位與設(shè)備信號(hào)線路、電源線路之間會(huì)形成較大的電位差，造成對(duì)設(shè)備接口的損壞。另外，雷電流通過(guò)引下線、電源線路還會(huì)在信號(hào)線路中感應(yīng)出雷電電涌，進(jìn)而損壞設(shè)備接口。建筑物信號(hào)線路產(chǎn)生兩種雷電電涌：一種雷電電涌的特征是電流波形為（10/350）μs、最大電流2kA。另一種雷電電涌的特征是電壓波形（1.2/50）μs、電流波形（8/20）μs、最大電流10kA。

②雷直擊建筑物外附近地面（S2），雷電在室外線路產(chǎn)生雷電電涌，雷電電涌沿著信號(hào)線路進(jìn)入建筑物，損壞設(shè)備接口；室外信號(hào)線路產(chǎn)生雷電電涌的特征是電壓波形（1.2/50）μs、電流波形（8/20）μs、最大電流0.2kA。

圖1 雷電電涌入侵電子信息設(shè)備的路徑及電涌保護(hù)器的設(shè)置

③雷直擊室外線路（S3），雷電流沿信號(hào)線路進(jìn)入建筑物損壞設(shè)備接口。信號(hào)線路上雷電電涌的特征是電流波形為（10/350）μs、最大電流2kA。

④雷直擊室外電子信息線路附近地面（S4），雷電在室外線路產(chǎn)生雷電電涌，雷電電涌沿著信號(hào)線路進(jìn)入建筑物，損壞設(shè)備接口；室外信號(hào)線路產(chǎn)生雷電電涌的特征是電壓波形（1.2/50）μs、電流波形（8/20）μs、最大電流0.16kA。

3 電涌保護(hù)器的選用原則

3.1 信號(hào)電涌保護(hù)器的選用

通過(guò)對(duì)雷電電涌入侵電子信息設(shè)備的主要路徑分析，可以看到信號(hào)線路上影響最大的是電流波形（10/350）μs、電流值2kA的雷電電涌，因此，在室外電子信息設(shè)備信號(hào)電涌保護(hù)器及信號(hào)線路引入建筑物時(shí)的信號(hào)電涌保護(hù)器應(yīng)裝設(shè)具備防護(hù)此類雷電電涌的能力。另外，還需要根據(jù)雷電過(guò)電壓、過(guò)電流幅值和設(shè)備端口耐沖擊電壓額定值，設(shè)置單級(jí)電涌保護(hù)器或多級(jí)電涌保護(hù)器。

參考《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB 50343-2012）中的表5.4.4[3]和《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057-2010）“電子系統(tǒng)的室外線路采用金屬線時(shí)，在其引入安裝D1類高能量試驗(yàn)類型的電涌保護(hù)器”的要求，并結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品特點(diǎn)繪制雷電防護(hù)區(qū)邊界信號(hào)線路電涌保護(hù)器選擇表，詳見(jiàn)表1。

表1中：

①D1類別的信號(hào)電涌保護(hù)器的試驗(yàn)類型為高能量，開(kāi)路電壓大于1kV，短路電流為（0.5～2.5）kA[ 電流波形：（10/350）μs]；

②C1類別的信號(hào)電涌保護(hù)器的試驗(yàn)類型為快上升率，開(kāi)路電壓（0.5～1）Kv[電壓波形（1.2/50）μs]，短路電流為（0.25～1）kA[ 電流波形 ：（8/20）μs] ；

③C2類別的信號(hào)電涌保護(hù)器的試驗(yàn)類型為快上升率，開(kāi)路電壓（2～10）Kv[電壓波形（1.2/50）μs]，短路電流為（1～5）kA[ 電流波形 ：（8/20）μs] ；

電子信息系統(tǒng)信號(hào)電涌保護(hù)器除考慮放電電流外還應(yīng)根據(jù)信號(hào)的接口形式、額定電壓Un、負(fù)載電流、輸入功率、工作頻率和傳輸速率等參數(shù)，當(dāng)然，電子信息設(shè)備信號(hào)接口的種類較多，需要確定的參數(shù)也不盡相同。總的來(lái)說(shuō)，應(yīng)選擇插入損耗小、分布電容小、并與縱向平衡、近端串?dāng)_指標(biāo)適配的電涌保護(hù)器。最大持續(xù)電壓Uc應(yīng)大于額定電壓Un的1.2倍，電壓保護(hù)水平Up應(yīng)低于被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊電壓額定值Uw。

3.2 電源電涌保護(hù)器的選用

電子信息系統(tǒng)的電源電涌保護(hù)器設(shè)

表1 雷電防護(hù)區(qū)邊界信號(hào)線路電涌保護(hù)器選擇表

表2 雷電防護(hù)區(qū)邊界電源線路電涌保護(hù)器選擇表

置參考《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB 50343-2012）表5.4.3，并根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057-2010）要求“電源引入總配電箱處應(yīng)裝設(shè)Ⅰ級(jí)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器”的要求繪制雷電防護(hù)區(qū)邊界電源線路電涌保護(hù)器選擇表，詳見(jiàn)表2。

3.3 爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)電涌保護(hù)器的選用

石化企業(yè)裝置現(xiàn)場(chǎng)多為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，在這些區(qū)域內(nèi)選用的電涌保護(hù)器需要考慮其設(shè)備保護(hù)級(jí)別和組別不低于該爆炸危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)爆炸性混合物的級(jí)別和組別，并根據(jù)設(shè)備保護(hù)級(jí)別來(lái)進(jìn)一步確認(rèn)設(shè)備防爆形式。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在具體的工程實(shí)例中，要依照具體的實(shí)際情況選擇性的安裝電涌保護(hù)器，在將技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工程的實(shí)施方案考慮在內(nèi)的情況下，就可以逐步實(shí)現(xiàn)低成本，高效率的將雷擊的概率降到最低，這樣就可以有效地避免由于雷電造成的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。