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引 言
弱電信號主要包括以下幾個方面：
(1)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DCS)，主要用在石油化工、燃?xì)?、自來水、氣象、電力、通信、部隊等行業(yè)的各種數(shù)據(jù)采集單元。
(2)自動化控制系統(tǒng)(PLC)，廣泛應(yīng)用在石油、化工、燃?xì)?、消防、重型機械等生產(chǎn)過程控制中。
(3)智能化建筑，如計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，程控交換機、視頻監(jiān)控、消防、門禁、一卡通、車管系統(tǒng)等。
(4)精細(xì)保護(hù)系統(tǒng)，如石油、化工的本征安全，精密儀器的保護(hù);各種精密傳感器，如稱重、壓力、角度、溫度、流量計等器件的保護(hù)。
(5)工業(yè)控制總線的保護(hù)，如消防用的RS-485，CAN總線、profibus總線的保護(hù)。
由于這些系統(tǒng)大量采用了COMS電路，工作電平在TTL，極易受到雷擊電磁脈沖的沖擊。輕則造成軟件故障、當(dāng)機，停工停產(chǎn)。重則造成設(shè)備損壞、生產(chǎn)癱瘓。因此應(yīng)引起各行各業(yè)的高度重視。
1 雷電對弱電系統(tǒng)的損害
1.1雷電的危害
在地球表面每時每刻同時發(fā)生2000次左右的閃電，其中雷擊大地的閃電就多達(dá)30～100個，因此，雷暴災(zāi)害被聯(lián)合國列為世界十大自然災(zāi)害之一，一點不為過。
我國每年的雷害損失達(dá)100億人民幣，特別是在化工、石油、燃?xì)狻熁?、鞭炮、煤礦等高危爆炸行業(yè)，人員傷亡更為突出。
1.1.1直擊雷的危害。
理論上，直接雷的波形一般為10/350μs，能量非常大，一次雷擊能達(dá)到幾十庫侖的電量，在直擊雷的通道上，人、畜、建筑物、弱電設(shè)備、架空線纜都將遭到毀滅性的打擊，所有防雷工程第一步就是要做好直擊雷的防護(hù)。
一些工程防雷技術(shù)人員擔(dān)心避雷針是引雷針，安裝避雷針會引來更多的雷擊事故，這種想法是錯誤的。從吸引雷電迎面先導(dǎo)，然后通過引下線到接地裝置泄放雷電流這個意義上講，避雷針起到引雷作用，但它不可能把2～3公里以外的雷電吸引過來，造成自身雷擊。當(dāng)鋪天蓋地的雷云過來時，雷電將打在較高的物體上，在沒有避雷針時，可能打在地面建筑的屋沿、屋角，屋脊任意一點。當(dāng)有避雷針時，由于避雷針上空電場強度增強，避雷針尖端大氣容易擊穿形成電流通道。60～70%雷電優(yōu)先擊中避雷針。我們作過調(diào)查分析，一幢安裝了18m避雷塔的25m大樓作分析計算雷擊概率僅增加了0.02%。因此在研究弱電系統(tǒng)雷電保護(hù)時，直擊雷的防護(hù)是必須要考慮的。
1.1.2 雷電感應(yīng)的損壞
當(dāng)雷電擊中某一建筑物或電源線、信號線附近時(一般在1～2km范圍內(nèi))，建筑物內(nèi)的電源線，信號線、金屬管道周圍將產(chǎn)生強大的電磁場，在線路中感應(yīng)較強的雷電流、雷電壓，對弱電系統(tǒng)中的器件或者軟件造成破壞。
1.2 我們用天線線圈做實驗，測算感應(yīng)電壓的大小
1.2.1 天線線圈的感應(yīng)電壓計算
對于信號系統(tǒng)部分，通訊電纜為直徑1cm的同軸電纜，同時沿線附有一根較細(xì)引下線，外面包有直徑2cm的塑料管，通訊電纜經(jīng)過天線傳輸信號到達(dá)屋內(nèi)的雙向傳輸終端設(shè)備，在這個線路段的走向過程中形成回路的可能性非常小，只有其中存在回路的時候才會由雷電流的產(chǎn)生的磁場變化而產(chǎn)生電流，以致?lián)p壞終端設(shè)備。在電纜自身形成感應(yīng)環(huán)路的時候，應(yīng)采取以下公式計算感應(yīng)電壓：
在IEC-61312-2-1999_EMP防護(hù)之屏蔽接地中，當(dāng)附近有雷擊情況發(fā)生時，處在LPZ0區(qū)的天線將會受到雷電流形成的電磁場的影響，雷電流對于距電擊點距離為L處的磁場強度H，可以用以下公式得到：
產(chǎn)生的最大感應(yīng)電壓為：
假設(shè)雷擊點距離電纜回路20m，對于10/350μs，幅值為100kA時di/dt最大值近似為1×1010A/S; 對于8/20μs，幅值為100kA時di/dt最大值近似為1.25×1010A/s;我國采用2.6/40μs的固定波頭長度，則di/dt最大值近似為4×1010A/s。
天線的面積假設(shè)天線距離雷擊點大約20m，得到感應(yīng)電動勢為12.5V。當(dāng)距離天線距離更近，電流更大的時候，會產(chǎn)生更大的電流，可能會導(dǎo)致電子設(shè)備的損壞。
1.2.2 在雷電直擊情況下，由于雷電流有極大峰值和陡度，在它周圍的空間有強大的變化的電磁場，處在這電磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出較大的電動勢。電子設(shè)備內(nèi)一個很小的開口金屬環(huán)，在緊靠避雷針引下線處放置，當(dāng)雷電流通過引下線入地時，在小金屬環(huán)開口處可感應(yīng)出高達(dá)數(shù)千伏的高電壓，足以擊壞附近的電子元器件。
雷電流的急劇變化導(dǎo)致H和B的急劇變化，從而在電纜形成的回路里面生成較大的感應(yīng)電壓，當(dāng)形成閉合回路的時候生成較大的電流，危及與這回路相接的電子設(shè)備。
因此IEC一份技術(shù)報告中明確確定，在多雷區(qū)，連接設(shè)備之間電線小于30m時，重要一端設(shè)備安裝過電壓保護(hù)器(SPD)，線間距離超過30m時，兩端設(shè)備均要安裝過電壓保護(hù)器(SPD)。
實踐證明，雷電波沿著電源、信號線路侵入設(shè)備是造成弱電設(shè)備損壞的主要根源。因此我們對雷電波侵入采取多層次系統(tǒng)防護(hù)。除了做好直接雷防護(hù)外，還要采取以下措施，阻止或削弱雷電波侵入。
2 防護(hù)基本措施
2.1等電位連接
我們對于弱電設(shè)備的建筑利用主筋、圈梁筋、地筋形成三維等電位連接。弱電機房采用S型或M型等電位連接。金屬法蘭盤橋架等均應(yīng)做好等電位連接。
2.2共用接地
我們要把能夠直接相聯(lián)的交流地、直流地、靜電地、防雷地、保護(hù)地統(tǒng)統(tǒng)接在一起。不能直接相連需用SPD連接在一起。但直接雷的接地點(如鐵塔、避雷針帶及引下線)與通信機房接地點至少應(yīng)離開5m距離。
2.3屏蔽
為了使弱電系統(tǒng)處于一個雷電磁脈沖比較弱的環(huán)境，因此要求建筑物的內(nèi)外有良好的屏蔽，特別重要的機房內(nèi)部要作六面體屏蔽，所有電源線、通信線纜應(yīng)作有效屏蔽。
2.4弱電系統(tǒng)SPD的選擇
弱電系統(tǒng)的6V、12V、24V、48V信號電源應(yīng)安裝相應(yīng)的過電壓保護(hù)器。
3 弱電系統(tǒng)的信號SPD選擇方式
(1)首先要弄清楚測量和控制系統(tǒng)(或電信系統(tǒng))是否只受電涌(作為沖擊電源用8/20μs波模擬)威脅，還是也受到首次雷擊分電流的威脅(用10/350μs沖擊電流模擬)一般情況下架空明線進(jìn)入建筑物，應(yīng)采用高能量(10/350μs)SPD，其它則采用8/20μs波形SPD。
(2)共模保護(hù)還是差模保護(hù)
共模電涌電流總是出現(xiàn)在信號線與地之間，差模電涌電流是兩根信號線之間產(chǎn)生的。弱電系統(tǒng)中的電涌大部分是共模電流。一般情況下，選用共模SPD、但有些情況下為了對精密儀器進(jìn)行保護(hù)，有必要增加差模電流的保護(hù)。
(3)是否先用帶去耦電路的SPD
為了保護(hù)光耦合器輸入或帶內(nèi)部保護(hù)電路(鉗位二極管)的輸入，因此在輸出端加去耦電阻。
(4)頻率特性的選擇
為了使SPD在被保護(hù)電路中的插入損耗小于3db，要求插入的SPD的截止頻率不得低于5倍的信號基波頻率。
(5)SPD的標(biāo)稱通流In選擇
SPD的標(biāo)稱通流In是根據(jù)流量、控制和調(diào)節(jié)(MCR)系統(tǒng)的工作電流來確定的。一般情況下In應(yīng)大于MCR系統(tǒng)的工作電流，如0.1A，0.5A，1A等。
(6)SPD的標(biāo)稱耐壓UN選擇
SPD的標(biāo)稱電壓 高于MCR電路中出現(xiàn)的最高工作電壓。這樣使保護(hù)設(shè)備在正常條件下就不會出現(xiàn)任何限制的效果。
(7)線/線或線/地電壓的選擇
MCR電路中的信號源可以是差分(對稱)的也可以不是差分(不對稱)的，因此系統(tǒng)的工作電壓，一方面可以指示為線/線電壓，而另一方面也可以指示為線/地電壓。對不同的精密保護(hù)電路選擇不同的電壓。
(8)SPD的串聯(lián)阻抗數(shù)據(jù)的選擇
為了保護(hù)元件的配合，SPD內(nèi)部安裝了去耦阻抗。由于去耦阻抗直接串聯(lián)在信號網(wǎng)絡(luò)中，會影響回路的信號電流，特別是在電流環(huán)路(0～20MA或4～20MA)回路中，因此去耦阻抗的選擇，必須考慮不會影響電流環(huán)回路的允許電流。
(9)SPD的配合特性的選擇。
對于不同電磁環(huán)境中的MCR設(shè)備，給出了不同的測試嚴(yán)酷度，SPD的抗擾度必須滿足相應(yīng)的抗擾度的要求。如果在易爆易燃場所，還應(yīng)考慮本征安全(EX)的要求。
(10)選擇單級還是多級保護(hù)。
選擇單級保護(hù)還是多級保護(hù)是根據(jù)MCR系統(tǒng)所處雷擊環(huán)境、設(shè)備的耐沖擊電壓及電路的響應(yīng)時間定的。一般情況下放電管有較大的沖擊通流(3kA～5kA),而TVS瞬變二極管有較快的響應(yīng)時間 1～2ns，選用多級保護(hù)時，級間應(yīng)有去耦電阻或電感。
4 小結(jié)
本文主要講述了弱電系統(tǒng)雷電防護(hù)的一般原則。特別是MCR系統(tǒng)或通信系統(tǒng)中SPD的選擇，為從事防雷工程設(shè)計的人員提供參考。