計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中雷電的防護(hù)

摘要 雷電災(zāi)害是自然界存在的災(zāi)害之一，其在瞬間釋放的強(qiáng)大脈沖電流會產(chǎn)生巨大的能量，并會誘發(fā)脈沖過電壓或過電流，從而導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此電力電子系統(tǒng)需要加強(qiáng)對雷電的防護(hù)措施。文中討論了雷電電擊對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生危害的原因，分析了雷電波侵入控制系統(tǒng)的主要途徑，并提出相關(guān)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)防雷措施。
關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)；防雷；控制系統(tǒng)

隨著電子器件向著精密化、集成化以及微型化的方向發(fā)展，其應(yīng)用強(qiáng)電磁脈沖的耐受能力就變得越來越差，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越高。

1 雷電對控制系統(tǒng)產(chǎn)生危害的原因
雷擊對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)造成危害的主要原因有：(1)電源接地存在一定的缺陷，機(jī)房的地線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(xiàn)更為明顯，從而危害到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。(2)電源線及網(wǎng)絡(luò)線的布設(shè)不合理，原本需要設(shè)置屏蔽接地卻未設(shè)置，如果發(fā)生雷擊，則網(wǎng)線及電源線都很容易受到感應(yīng)雷電的電磁脈沖，使其沿著網(wǎng)絡(luò)線路及電源線傳導(dǎo)至系統(tǒng)的設(shè)備中，損壞設(shè)備。(3)計(jì)算機(jī)本身抗干擾能力相對較差，由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)本身屬于弱電設(shè)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(jié)構(gòu)柱的柱筋并泄放入地時(shí)，引下線附近會產(chǎn)生相對較強(qiáng)的交變磁場，受其影響，控制系統(tǒng)中的電路會受到感應(yīng)，所產(chǎn)生的高電壓就會擊穿集成電路及電子元件。此外，在雷雨天氣環(huán)境中，雷電波還有可能會沿著潮濕的線路傳導(dǎo)至控制系統(tǒng)，對其造成破壞。

2 雷電波入侵控制系統(tǒng)的途徑分析
(1)直擊雷。所謂直擊雷建筑物中的露天設(shè)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纜，使得線纜熔斷最終導(dǎo)致設(shè)備損壞，這種現(xiàn)象被稱為直擊雷；落雷點(diǎn)在電源的高壓側(cè)，雷電會沿著供電線路直接侵入到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的供電電路中，從而產(chǎn)生過電流和過電壓，損壞供電系統(tǒng)的UPS電源，造成斷電，使整個(gè)控制系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。雷擊電流在流經(jīng)通信有線線路的過程中，會產(chǎn)生巨大的機(jī)械能，以及強(qiáng)大的沖擊波和高溫，損壞通信線路；而過電流及過電壓又經(jīng)過通信電流的有線線路侵入至控制系統(tǒng)的內(nèi)部，損壞設(shè)備的中斷器、電流轉(zhuǎn)換器等。
(2)雷電感應(yīng)。靜電感應(yīng)及電磁感應(yīng)稱為感應(yīng)雷，也被稱為二次雷，盡管其破壞性相對直擊雷來說比較小，但是其發(fā)生的機(jī)率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過直擊雷。通常感應(yīng)過電壓可以分為以下兩種情況。
1)回路感應(yīng)過電壓。因?yàn)橛?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)所在的房屋內(nèi)有大量的各種類型的線路，這些線路及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的布局較復(fù)雜，建筑物內(nèi)不同的空間位置都會構(gòu)成許多回路。如果建筑物受到雷擊，或者鄰近的地區(qū)出現(xiàn)雷電放電，就會在建筑物的內(nèi)部空間形成一個(gè)脈沖暫態(tài)磁場，該磁場進(jìn)行陜速變化，其與這些回路交鏈后就會在回路中感應(yīng)暫態(tài)過電壓，與這些回路連接的相關(guān)控制設(shè)備就會受到損壞。在網(wǎng)絡(luò)通信線路系統(tǒng)中，感應(yīng)過電壓又分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩種，其中靜電感應(yīng)指的是架空線路與雷擊點(diǎn)相近，雷云團(tuán)先導(dǎo)通道內(nèi)充滿了電荷，架空線會受其所產(chǎn)生靜電感應(yīng)的作用，積累大量反向電荷，一旦雷云團(tuán)開始放電，雷云團(tuán)中的電荷會與架空線的電荷快速中和，使得架空線中被束縛的電荷迅速釋放，從而形成暫態(tài)過電壓波。這種暫態(tài)過電壓波以接近光速的速度傳導(dǎo)至架空線的兩側(cè)，架空線路兩端所連接的設(shè)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產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的瞬變磁場，該磁場的作用較強(qiáng)大，其直接作用在網(wǎng)絡(luò)通信線路或者電源線中可以感應(yīng)出過電壓，侵入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，設(shè)備就會受到損壞。如果雷電放電的電流強(qiáng)度達(dá)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(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備損壞。
2)耦合及轉(zhuǎn)移過電壓。雷擊所引起的暫態(tài)高壓或者過電壓通常經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)線路的耦合或者轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，損壞設(shè)備。
(3)雷南地電位抬高。雷電波侵入，如果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電源線、進(jìn)入控制室的金屬管線以及信號傳輸線受到雷電感應(yīng)或者遭雷擊時(shí)，雷電所產(chǎn)生的雷電波就會經(jīng)過這些金屬導(dǎo)體直接侵入設(shè)備，產(chǎn)生電位差而損壞設(shè)備，這種現(xiàn)象就稱其為雷電波侵入。如果控制系統(tǒng)中設(shè)備的絕緣距離不夠，并且設(shè)備和避雷系統(tǒng)不共地，二者間會產(chǎn)生極高電壓，并且會產(chǎn)生放電擊穿事故，雷電波侵入會間接導(dǎo)致設(shè)備的損壞，甚至危及到人身安全。
(4)控制系統(tǒng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的抗干擾能力分析。
由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由大量大規(guī)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(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)采取了很多相應(yīng)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(dǎo)致的過電壓及過電流，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)過數(shù)據(jù)傳輸線路以及電源線路侵入到設(shè)備內(nèi)部，損壞計(jì)算機(jī)的主板、多功能卡、相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及通信電流的中繼等。
實(shí)際情況中，雷擊對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)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)過水平接地引線向另一處傳遞；或者雷擊在大地時(shí)，雷電流經(jīng)過地下的金屬管道向建筑物內(nèi)傳導(dǎo)；架空線受到感應(yīng)后再向著建筑物內(nèi)傳導(dǎo)，從而傳遞至敏感設(shè)備造成設(shè)備損壞等。其具體的雷擊損壞計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的途徑，如圖1所示。