雷电浪涌对水库自动化系统的危害及防护措施

摘要 本文阐述了雷电浪涌的危害及侵入途径，根据其产生的机理论述防治雷电浪涌的措施、解决方案，以便更有效的防治雷电浪涌对电子设备的损害，从而达到保护水库工程自动化系统的目的。

关键词：电子设备 雷电电磁脉冲 雷电浪涌 自动化系统避雷器 防雷器 防雷保护

1 概述

近年来，随着微电子技术的不断发展，各种性能先进的、现代化的电子设备正在被各行各业所采用。自动化管理控制系统在各个方面的使用也越来越广泛，人们在受益于电子设备带来的极大便捷同时，也受到其一旦损坏就损失巨大的困扰。在水库工程自动化管理控制系统中，均采用了先进的、现代化的电子设备对工程设施进行管理。系统中的电子设备对过电压干扰十分敏感，超出系统电压的过电压足以对其造成永久的损坏。因此，必须加强电子设备的过压、过流保护功能；降低过压、过流对电子设备的损害。

2 雷电浪涌及其危害

雷电浪涌是近年来由于微电子设备的不断使用而引起人们极大重视的一种雷电危害形式。对于电子设备系统的防雷而言，除雷电直击外，最具有破坏作用的是雷电的二次效应，由于雷电具有高电位、大冲击电流、瞬时性的特点，强大的闪电产生静电场、交变电磁场和电磁辐射，以雷LEMP，产生强大的变电磁场，使周围的金属产生感应电势和感应电流，有线通信；更为严重的是由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。浪涌电压可以从电源线或数据信号线等途径窜入计算机等设备。这样的浪涌电压完全有可能一次性将设备损坏。另一方面由于微电子设备内部结构高度集成化，从而造成设备耐过压、耐过流的水平下降，对雷电的承受能力下降；雷电浪涌侵入电源或微电设备的信号接入口，击穿、烧毁元器件，从而使电子设置损坏。

3 雷电波入侵的方式

雷电波入侵形式有两种，一种是直击雷，另一种是感应雷。一般来说，直击雷击中电子设备的可能性很小。感应雷是由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压，过电流开成雷击。

感应雷入侵电子设备及计算机系统主要由于交流供电电源线路、数据通信线路和雷电的地电位反击电压通过接地体等途径入侵。但不管是通过哪种形式，哪种途径入侵。都会使电子设备及计算机系统受到不同程度的损坏或严重干扰。

4 防护措施

4.1水库自动化系统的特点

水库工程自动化系统采用的是计算机或单板机进行控制。其电子设备的核心部件为大规模或超大规模集成电路，他们体积小、能耗低，但耐过压、耐过流的能力也低，经受不起雷电浪涌的冲击。雷击瞬间释放的能量达到数百兆焦耳、过电压达到几千伏，甚至有的高达万伏，和微电子设备所能承受的能力相差悬殊，因此必须对电子设备加以保护。

水库工程自动化管理系统的数据传输有的采用有线传输、有的采用无线传输或者直接接收卫星传输的数据信息。有线传输又以地埋线、架空线等形式传输回控制中心居多。水库工程自动测报系统的各个测报站点分布在水库中、上游，它主要以无线传输方式传输数据，数据由各测报站点以无线电波的形式经中继传输回控制中心；卫星云图接收系统利用架设在控制中心楼顶平台的碟形天线，接收传输线以埋入地下方式传输回计算机中心，该区域为开阔地，无有效的防雷设施，极易遭受落地雷和直击雷的袭击；供水计量系统和工程区监控系统的数据传输线为架空线，线路沿着山坡地势，由低到高传输到位于山顶的控制中心，线路易于遭受雷电感应的袭击。

根据水库工程自动化系统的结构特点，对其产生破坏性影响主要是来自雷电电磁脉冲所产生的雷电浪涌。

4.2水库自动化系统的防护措施

首先完善电子设备外部雷电防护，将绝大部分雷电流直接接闪入在下泄散；其次限制、钳位被保护设备上浪涌过压、过流幅值控制在设备可承受的范围；第三要阻塞沿电源线或数据、信号线等引入的过电压波。这三道防线，相互配合，各行其责，缺一不可。

4.2.1电子设备的外部防护

首先电子设备的外部防护是使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引入大地。

其次是在将雷电流引入大地的时候尽量将雷电流分流，避免造成雷电过电压危害设备。

第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉第笼，起到一定的屏蔽作用。

第四是建筑物各点的电位均衡，避免由于电位差危害设备。

第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷击建筑物时接点电位损坏设备。

4.2.2电子设备内部保护

多级分级保护原则：即根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定保护要点作分类保护；根据雷电过压危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。

电源部分防护。雷电侵害电子设备电源主要是通过线路侵入。在所有重要的、精密的设备以及CPU的前端对地加装避雷器或保护器，目的是用分流（限幅）技术即采用高吸收能量的分流设备（避雷针）将雷电电磁脉冲能量分流泄入大地，以达到保护目的。

在水库中心控制室的UPS前，安装了电源避雷针和电源隔离变压器，把多交流电网感应来的雷击信号和干扰信号旁路掉，消除浪涌，实现浪涌保护。对于浪涌过压保护，是在被保护的电子设备前加装保护设备，如压敏电阻、放电管、瞬态抑制二级管等过电保护元件组成的浪涌保护器。这些浪涌保护器的工作原理不同，但具有相似的伏安特性，即当两端电压高于启动电压后，通过的电源呈现指数规律增加，而电压被控制在一定的范围内，几乎不随着电流的变化而变化；当两端的电压低于启动电压时，器件呈现高阻态，通过的电流很小。从而给系统提供净化的电源。

4.2.3接地保护

为有效防止雷电电磁波的地电位侵入反击，工程控制中心设有设备地网和避雷地网。设备地网和避雷地网相距在10m以上，对地电阻小于4欧姆。控制中心的所有设备接地线连接在一起，形成一个“等电位岛”连接到专用的设备地网，以便于释放雷电所产生的电流。各个测站房铺设环形均衡接地网，对地电阻要求小于4欧姆。系统的接地装置采用导电涂料和阴极保护技术进行防腐处理；在接地网的周围使用降阻材料一降阻剂，降低土壤的电阻率，已减小接地电阻阻值。

对于地电位反击引起的雷电电磁波，一方面采用带屏蔽的电缆，且电缆的外皮保持良好的接地。另一方面对地网进行均压。屏蔽是将电磁场干扰源至器件或设备的传输路线切断，从而消除或减弱干扰源对其它器件或设备的影响。采用屏蔽电缆作为抑制雷电电磁波的干扰没有屏蔽作用，必须对屏蔽层进行接地且一点接地。如果有两点或多点接地，当雷击时在屏蔽层上就会产生电势差，两点的电位不等就会产生感应电流，而屏蔽层为很薄的金属锡箔，若其电流很大就会烧熔屏蔽层与外层胶皮，造成事故。在做接地网时，采用了方孔地网以改善地面电位分布，防止局部电位升高。特别是避雷器、构架避雷针和主要设备接地部分要增加垂直接地极或放射状接地极，以改善冲击电位的分布，防止雷电流在泄入大地时造成局地电位升高，高电压向低电压反击，破坏系统的电源设备或低压控制回路。

在整个工程自动化控制系统中，主要应用了分流技术、屏蔽技术、接地技术。在电源提供过程中采用交流稳压器及电源避雷器、防雷隔离变压器、增加了浪涌保护器（SPD）；在天线收发系统中采用同轴避雷器；在信号采集和传输系统中采用瞬态电压吸收器和光电隔离；其他的如接闪器、引下线、接地装置、等电位连接、共用接系统。

5 结语

随着通信设备、网络设备、计算机应用系统等的大规模使用权用，雷电浪涌造成的危害越来越严重。以往的防护体系已不能满足通信、网络、计算机等安全的要求。应从单纯一维防护（避雷针引雷人地一无源防护）转为三维防护（有源和无源防护）。包括：防直击雷，防感应雷电波浸入，防雷电电磁感应，防地电位反击等多方面作系统综合考虑。

现代防雷技术强调全方位防护、综合治理、层层设防，综合运用分流（泄流）、均压（等电位）、屏蔽、接地和保护（箝位）等各项技术，构成一个完整的防护体系。