仪器仪表的防雷设计技术

仪器仪表的防雷设计技术

刘洋

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摘要：雷电是很正常的事情，大概百分之十五的雷电都会击中目标，然后对目标造成不同程度的伤害。如何有效地预防雷电对仪器设备的破坏，是确保仪器设备能够正常、平稳地工作的关键。文章从防雷原理出发，对防雷原理和防雷原理进行了探讨。

关键词：仪器仪表防雷措施方法分析

引言

随着工业自动化、智能时代的来临，仪器仪表行业的快速发展，以及快速发展的现代电子技术，使得越来越多的复杂电子装置被应用并实现了网络化。使用了许多微电装置的仪器仪表，都有绝缘强度低、抗电涌能力差等缺点，所以，对智能仪器仪表的防雷非常关键，特别是在雷雨天气，要从内外两个角度来防范雷电，避免带来巨大的经济损失。

尤其是自控装置中的电气装置，经常受到各类冲击与过压腐蚀的作用，如：直劈、诱导劈劈、暂态劈劈、零电位偏移等，这些冲击与过压对电气装置造成了严重的破坏。因为有些电子器件只能工作在数 V以下，所以传送讯号的电流是很低的，而且容易受到外界的扰动。雷电产生的高压能高达几十万伏，瞬间产生的电流能高达几十万安，具有很强的杀伤力。该现象是造成众多电气产品失效的重要原因之一。因此，如何有效地预防雷电对仪器设备的破坏，是保证仪器设备的安全、可靠、可靠工作的先决条件。

1、雷击对仪表系统的干扰

打雷和雷电是自然界中很普遍的一种现象。夏天，在午后或黄昏时分，温暖的气流将许多水蒸汽送至空中，从而产生广泛的积雨云。在云层的各个区域，积累着许多带着正、负电的带电粒子，这些带电粒子就构成了雷暴现象。地表接触到与云相对的极化方向相反的电荷，同时地表也承载着与其极化方向相反的电荷。随着电荷在云中不断积累，直到某一程度，大气就会破裂，于是就会出现一条狭长的隧道，强行释放出大量的电流，形成一道雷电。约有15%的雷会掉到地面，然后对地面进行破坏。就仪器而言，因为其监控装置一般设置在被防护的建筑内，所以，一般情况下，仪器都是固定在装置或管线上的，二者均为导电体。另外，由于电表自身体积很小，所以电表系统很少有直接接受电表的机会。然而，将现场设备与控制设备相连的线缆却有传送雷电感生波动的潜力。这是由于在装置中布设了大量的电力线缆，且相距较远，一旦出现雷电，其周围的线缆将会在雷电落下时，将其与“地”相连，从而引起瞬间放电。

2、雷电入侵路径分析

雷电对装备的破坏主要有四种方式：一是直击，雷电对实体的打击，例如：建筑、大地、防雷装置等。其特征为：高功率、强脉冲电流、高温度、剧烈冲击等；第二，雷电流，也就是在周围的导线上发生雷电的电流，通过静电和磁场的作用，所产生的雷电电磁脉冲和雷电波会通过连接到装置上的信号线路和电力线路侵入装置，从而对装置造成破坏。雷电感应具有传播途径多、破坏程度大、破坏程度难以预料、容易被忽略等特点，其造成的危害要远远大于直雷，给仪器设备造成的破坏也是最为巨大的；第三种是“大地电位反弹”，指的是在雷电经过接触网或地网时，产生的巨大瞬间雷电，经引出线路进入地网。因地阻抗的影响，雷电无法快速向地表释放，造成地表电势升高（几百 kv）。若仪表控制系统接地体距该位置不够远，将产生电流倒灌，直接破坏电气设备的绝缘部件，引起扰动或破坏仪表系统。第四，装置的布置方式，如布线方式、布置方式、布置方式等，会受到空间雷电流的场强、场强等的干扰，造成装置的破坏。

3、仪表系统防雷措施

雷击防护的根本途径是为接地放电（包含雷电的 EMP)，而非任意选取放电通道。简单来说，就是对雷电力量进行释放和转化。三重防护分别为：外层防护，将大量的雷电直接导入大地使其分散；防止有雷电危害的装置沿着电源线、数据线、讯号线侵入；对被保护装置的过电电压进行控制的电流防护。这三道防线一起起到了一定的效果，仪器系统的防雷主要集中在内部保护上，也就是对感应雷电的保护，以及对电压保护器的安装，感应型防雷是一个从整体上和系统上构建起来的立体保护体系，在一个由被保护设备构成的系统中，可以采用如下方法：

3.1.等势联结法等势是指维持系统内各个部位之间的势能差异，不至于引起破坏，也就是在系统周围的全部金属导线的势能，处于和系统自身在暂态过程中维持基相。在厂区内的施工区域、安装区域、现场爆炸危险区域和控制室中，所有的金属设备、零件和结构的金属导线都要用导线进行互相连接，从而构成一个电连续的整体，也就是等电位体，雷电电位（电压）达到了平衡，并与防雷接地系统进行了连接。等势联结一般可分为 S型和 M型，也可分为两种。仪器系统为低频率、小信号的电力电子线路，其单端接地方式为 S形。

3.2接合接地仪器设备的雷击防护也需要两栋楼间的输电线路，通讯线路要与楼内的接地系统相连（不得构成回路），以便利用多条平行通道减小线路中的电流。在仪器设备的接地设计上，要注意保证设备的安全，避免其它设备的影响。通常情况下，仪器设备运行时，不应将其接地与防雷接地线相连，以免产生杂散电流，对仪器设备产生影响。正确的接地方式应该是由两个接地网络经一个低电压的接地网络与地面相连，这样当发生

雷电时，就可以实现两个接地网络的自动联接。

3.3的保护措施。仪器设备需要用到很多的半导体元件、 IC以及线缆来传送讯号。当对上述对象进行雷电电磁场冲击时，将对上述装置及其与之相连的装置造成瞬间过电压，从而造成装置失效或破坏。所以，采取适当的防护措施，可以有效地预防和减少雷击事故的发生。仪器设备的屏蔽防护技术有：控制室内的屏蔽、野外仪器的屏蔽、信号线缆的屏蔽等。在控制室内，要保证等电位主体和接地设备的安全，并要对窗户和窗户进行遮蔽，不能留下盲区。

3.4.线路布置是否合理.强、弱电、信号等对干阻有很大的灵敏度，而且各类线缆对各个信号都有一定的影响。所以，在仪表系统中，电源、讯号线缆与本征安全线缆应分别设置，所有进出控制室内的讯号线缆均需用金属管或包覆的线缆支架进行防护，保证其屏蔽。另外，因为 RC柱身内的钢筋作为整体结构的下部导线，且其屏蔽网位又位于结构外部，所以雷电流必然要经过这些钢筋才能引至地面，所以， RC柱身内的电源、信号线路不宜接近结构外部，最好位于结构内部。

3.5.改善仪器设备的干扰性能。在化工、冶炼、冶炼、电力等苛刻的工作条件下，新型的工业控制仪器与系统中，存在着大量的电气线路。为了保证精密电子线路的良好运行，对仪表及设备的 EMC性能有着重要的影响。在仪器系统中，有7种类型的电源干扰，分别是：跌落，功率损耗，频率偏移，电噪声，浪涌，谐波失真，暂态，仪表信号干扰类型包括：共模干扰，串联模式干扰，浪涌等。在这些现象中，跌落、波涛和暂态扰动都是由雷电引起的。

3.6.波峰抑制电力系统中的电力系统在受到雷电或电感负荷开关时，往往会出现较高的瞬间过电压（或过电流），即冲击（或冲击），即暂态干扰。电网、雷电、爆炸，甚至是踩在地上的人，都能感受到数万伏特的电流。根据数据，电流冲击是导致电子器件失效的主要原因之一。在电测设备中，使用电测电流保护装置是防止电测电流冲击的重要手段。

4、结语

本装置采用了大量的芯片，采用了分立的方式，使得其适用于多种场合，而且对暂态过压的容忍度也有了很大的提高。仅有一种防雷方式或设备很难确保雷击的安全性和可靠性，因此要尽可能地降低雷击的危害。仪表系统的防雷防护是一个系统工程，应从仪表系统的设计制造、仪表工程的设计与施工等各个环节，全面、整体地考虑、设计并实施多层次的防雷防护，以保证仪表系统的安全稳定。

参考文献：

[1]?GB50057―2020.建筑物防雷设计规范[S].

[2]?GB50343-2014.建筑物电子信息系统的防雷技术规范[S].?

[3]?HGT20513-20200.仪表系统接地设计规定[S].