曾宇

摘 要：自动控制系统的防雷问题近年受到越来越多的重视。随着防雷意识的逐步提高，需要对目前行业中存在的各种不规范甚至错误的防雷方式、方法作出正确引导，才能真正起到防患于未然的有效作用。现就防雷体系中的几项关键措施作出分析和说明。

关键词：接地；等电位连接；电磁封锁；浪涌保护器

随着国民经济的持续发展，电气自动化控制系统不断向多功能、复杂化、大型化的方向演变，各种电子设备及微电子设备得到广泛应用，各种现场仪器仪表的精密度在不断提高，此类设备一般工作电压低、耐压水平低、敏感性高、抗干扰能力低，因而极易受到雷电电流脉冲的危害，每年都会直接或间接地造成巨大的经济损失。对企业而言，轻则导致仪表的损坏，重则使生产流程受到严重影响甚至瘫痪，直接影响整个企业的经济利益。近年来，人们对于雷害的认识在不断上升，在注意防范直击雷的同时，更多的关注已经投入到如何有效防止感应雷造成的损害这一课题上。

1 雷电的成因及主要形式

根据大量科学测试可知，地球上存在一个带正电的电离层，与大地之间形成一个已充电的电容器，场强为上正下负。当地面含水蒸汽的空气受到地面烘烤受热上升，或者温暖潮湿的空气与冷空气相遇而被垫高都会产生向上的气流。上升气流温度逐渐下降形成水成物（雨滴、冰雹），并由于地球静电场的作用而被极化，负电荷在上，正电荷在下，它们受重力作用落下与云粒子发生碰撞，其结果是云粒子带走了水成物前端的部分正电荷，从而使水成物带上负电。持续碰撞的结果使带正电的云粒子在云的上部，而带负电荷的水成物在云的下部。

当电场强度达到足够高（25～30kV/cm）时将引起雷云间的强烈放电，或是雷云中的内部放电，或是雷云对地放电，即所谓的雷电。雷电按其作用形式主要分为直击雷和感应雷。直击雷所造成的危害很直观，一般会引起火灾、燃烧等。主要靠加装避雷针、避雷线、避雷带、避雷网等来防护。感应雷没有直击雷那么猛烈，但它发生的几率比直击雷高得多。不论是雷云间闪击或雷云对地闪击，都有可能发生感应雷而形成电磁场，当磁场强度到达一定水平将会对电气设备的集成电路造成暂时的、甚至永久性的损坏，影响电子设备的稳定性，令通讯设备的传输信号失真等。因此对于自动控制系统而言，更应该关注如何有效防止感应雷，避免（减少）感应雷引起的损害。

2 瞬间过电压对电子设备的危害

瞬间过电压使电子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失，致使电子设备产生误动作或暂时瘫痪重复影响会降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切都会给生产和工作带来较大损失。

3 自动控制系统的防雷及防电涌保护

3.1 合理接地

防雷工程的关键在于接地，长久以来的观点认为接地关键在于接地电阻的大小，接地电阻值越小，对雷电流的泄放能力就越强，被雷击物高电位保持时间越短，因此危险性也就越小。防雷的最终措施是“泄放”，因而对“接地”切不可轻心。接地主要有建筑物接地、配电系统及强电设备接地、计算机自控系统接地。如这三种接地配置不合理，极易在雷击时通过接地网对自控系统造成雷击。

计算机自控系统是一个特殊用电系统，其接地电阻应达到的标准系统工作地（小于4Ω），直流工作地（信号屏蔽地、逻辑地等小于2Ω），安全保护地（小于4Ω）。地网分开设置时应注意避免地网之间的闪络。雷击时，会在地网及附近导体中产生很高电位。所以，地网之间的距离当涉及自控系统接地时应大于10m。在接地线引入室内时，若与其他地网距离太近，可局部采取既绝缘又屏蔽的措施。

3.2 电磁封锁

中国一直以来对仪表线缆的敷设有过不少的行业标准，但较少顾及防雷的问题。原则上要求单端接地，另一端悬空。这是为了防止因地电位差产生的静电感应（电容性耦合）会对仪表传输信号产生噪声和干扰，以致传输信号失真。但是对于防雷工程来说，单端接地是不能预防电感性耦合产生的电磁干扰，更阻挡不了雷电波的侵入。这就提出一个问题，如何在保证检测信号不受损害的情况下有效地防雷？应采用有绝缘隔开的双层屏蔽，外屏蔽层应至少在两端做等电位连接。这一条规定很好地诠释了两者之间看似矛盾的概念。

雷击时，由于电磁感应在导体附近产生一干扰磁场；外屏蔽层与地之间，或与其他同样做了等电位连接的导体之间构成环路，感应出一电流。根据右手螺旋定则，该感应电流产生的磁场将抵消（或部分抵消）掉源干扰磁场的磁通，从而抑制（或部分抑制）无外屏蔽层时由于电感耦合而产生的电压，防止雷电波的入侵。

实现双层屏蔽，应采用铠装电缆或带金属屏蔽层的电缆，穿金属保护管埋地（或架空）敷设，并保证两端可靠接地。在进出建筑物、管道交叉、分支处均应可靠接地，对于长直管道，应每隔25～30m接地一次，防止因距离过长引起的地电位差变化幅度过大。

3.3 合理安装SPD

SPD的作用是把因雷电感应而窜入电力线、信号传输线的瞬态过电压限制在一定的范围内，保证用电设备不被击穿。加装SPD可把电器设备实际承受的电压限制在允许范围内，以起到保护设备的作用。

根据被保护的设备供电系统类型和电源电压，选择不同防护结构的SPD。检验其限流能力的标准是使用10/350μs与8/20μs的雷电流波形。前者是指闪电直接击在建筑物附近，以及闪电直接击在引入建筑物的电源线路上或该段电源线路附近时使用的波形；后者是检验雷电电磁脉冲使用的波形。

根据被保护的设备、SPD安装处雷击情况及所在的防雷区域，应该在各防雷分区处分级安装SPD，逐步减少瞬态浪涌电流/电压值，最后1级将浪涌电压限制在设备能安全承受的范围内。第1级SPD应尽量靠近建筑物电源进线处，Imax（最大放电电流）应大于100kA（8/20μs），残压限制在1.5～1.8kV；第2级SPD应尽量靠近被保护设备，Imax应大于40kA（8/20μs），残压限制在0.9～1.2kV；第3级SPD尽量靠近被保护设备，Imax应大于15kA（8/20μs），残压限制在0.1～0.4kV。一般电子元件都可以承受2倍其额定电压以上的瞬时过电压，通过这三级对浪涌电流的泄放以及限压，最后加载在设备上的过电压一般都不会对设备造成影响。

对于自动控制系统的防雷，主要是指第2，3级的防雷。控制室一般都会作等电位连接，为防强磁场干扰，部分控制室更会以金属格栅或钢筋围绕，形成一个法拉第笼。在进出控制室处（即雷电防护区LPZ分区处）的线路上安装SPD，以防止浪涌电流进入控制室。DCS，PLC等设备与现场仪表之间，仪表设备配电盘之前，均应安装SPD，所有仪表供电应引自同一个受到SPD保护的配电盘。相比之下，室外仪表更易受到雷击时的电磁干扰，尤其对于建在无遮挡的野外的大型库区、水处理场等工业设施，仪表重要性较高，需连续生产，不易更换，因此应加装SPD。

4 结束语

近年来关于防雷工程的各种书藉、杂志纷纷涌现，相应的行业规范、标准也在不断更新。对于防雷工程的方式方法要在实践中继续摸索前进，结合现有理论使防雷工作不断完善！踏前人之基石，创后世之丰碑！

参考文献

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