計算機控制系統(tǒng)中雷電的防護

摘要 雷電災害是自然界存在的災害之一，其在瞬間釋放的強大脈沖電流會產生巨大的能量，并會誘發(fā)脈沖過電壓或過電流，從而導致嚴重后果。因此電力電子系統(tǒng)需要加強對雷電的防護措施。文中討論了雷電電擊對計算機控制系統(tǒng)產生危害的原因，分析了雷電波侵入控制系統(tǒng)的主要途徑，并提出相關的計算機控制系統(tǒng)防雷措施。
關鍵詞 計算機；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，其應用強電磁脈沖的耐受能力就變得越來越差，但其作用卻在生產中變得日益重要，所以對其安全性的要求也越來越高。

1 雷電對控制系統(tǒng)產生危害的原因
雷擊對計算機控制系統(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更為明顯，從而危害到計算機系統(tǒng)。(2)電源線及網絡線的布設不合理，原本需要設置屏蔽接地卻未設置，如果發(fā)生雷擊，則網線及電源線都很容易受到感應雷電的電磁脈沖，使其沿著網絡線路及電源線傳導至系統(tǒng)的設備中，損壞設備。(3)計算機本身抗干擾能力相對較差，由于計算機控制系統(tǒng)本身屬于弱電設備，如果雷電擊中建筑物頂部，其避雷帶雷電流在流經房屋結構柱的柱筋并泄放入地時，引下線附近會產生相對較強的交變磁場，受其影響，控制系統(tǒng)中的電路會受到感應，所產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致設備損壞，這種現象被稱為直擊雷；落雷點在電源的高壓側，雷電會沿著供電線路直接侵入到計算機控制系統(tǒng)的供電電路中，從而產生過電流和過電壓，損壞供電系統(tǒng)的UPS電源，造成斷電，使整個控制系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。雷擊電流在流經通信有線線路的過程中，會產生巨大的機械能，以及強大的沖擊波和高溫，損壞通信線路；而過電流及過電壓又經過通信電流的有線線路侵入至控制系統(tǒng)的內部，損壞設備的中斷器、電流轉換器等。
(2)雷電感應。靜電感應及電磁感應稱為感應雷，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)生的機率要遠遠超過直擊雷。通常感應過電壓可以分為以下兩種情況。
1)回路感應過電壓。因為計算機控制系統(tǒng)所在的房屋內有大量的各種類型的線路，這些線路及網絡結構的布局較復雜，建筑物內不同的空間位置都會構成許多回路。如果建筑物受到雷擊，或者鄰近的地區(qū)出現雷電放電，就會在建筑物的內部空間形成一個脈沖暫態(tài)磁場，該磁場進行陜速變化，其與這些回路交鏈后就會在回路中感應暫態(tài)過電壓，與這些回路連接的相關控制設備就會受到損壞。在網絡通信線路系統(tǒng)中，感應過電壓又分為靜電感應和電磁感應兩種，其中靜電感應指的是架空線路與雷擊點相近，雷云團先導通道內充滿了電荷，架空線會受其所產生靜電感應的作用，積累大量反向電荷，一旦雷云團開始放電，雷云團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至架空線的兩側，架空線路兩端所連接的設備受到入侵后被損壞。
如果雷電直擊在避雷針或避雷帶時，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生一個較強的瞬變磁場，該磁場的作用較強大，其直接作用在網絡通信線路或者電源線中可以感應出過電壓，侵入計算機控制系統(tǒng)中，設備就會受到損壞。如果雷電放電的電流強度達到一定程度，例如30 kA的雷電流，那么其可以影響到雷擊點1 km半徑范圍內的網絡系統(tǒng)，嚴重時可能導致系統(tǒng)設備損壞。
2)耦合及轉移過電壓。雷擊所引起的暫態(tài)高壓或者過電壓通常經過網絡線路的耦合或者轉移到計算機控制網絡設備中，損壞設備。
(3)雷南地電位抬高。雷電波侵入，如果計算機控制系統(tǒng)的電源線、進入控制室的金屬管線以及信號傳輸線受到雷電感應或者遭雷擊時，雷電所產生的雷電波就會經過這些金屬導體直接侵入設備，產生電位差而損壞設備，這種現象就稱其為雷電波侵入。如果控制系統(tǒng)中設備的絕緣距離不夠，并且設備和避雷系統(tǒng)不共地，二者間會產生極高電壓，并且會產生放電擊穿事故，雷電波侵入會間接導致設備的損壞，甚至危及到人身安全。
(4)控制系統(tǒng)設備、網絡設備的抗干擾能力分析。
由于計算機控制系統(tǒng)及相關網絡設備由大量大規(guī)模集成電路所組成，因此抗干擾能力相對較差，盡管在進行系統(tǒng)設計時已經采取了很多相應的抗干擾措施，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過數據傳輸線路以及電源線路侵入到設備內部，損壞計算機的主板、多功能卡、相關的網絡設備以及通信電流的中繼等。
實際情況中，雷擊對計算機控制系統(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過水平接地引線向另一處傳遞；或者雷擊在大地時，雷電流經過地下的金屬管道向建筑物內傳導；架空線受到感應后再向著建筑物內傳導，從而傳遞至敏感設備造成設備損壞等。其具體的雷擊損壞計算機控制系統(tǒng)的途徑，如圖1所示。