计算机控制系统中雷电的防护

摘要 雷电灾害是自然界存在的灾害之一，其在瞬间释放的强大脉冲电流会产生巨大的能量，并会诱发脉冲过电压或过电流，从而导致严重后果。因此电力电子系统需要加强对雷电的防护措施。文中讨论了雷电电击对计算机控制系统产生危害的原因，分析了雷电波侵入控制系统的主要途径，并提出相关的计算机控制系统防雷措施。
关键词 计算机；防雷；控制系统

随着电子器件向着精密化、集成化以及微型化的方向发展，其应用强电磁脉冲的耐受能力就变得越来越差，但其作用却在生产中变得日益重要，所以对其安全性的要求也越来越高。

1 雷电对控制系统产生危害的原因
雷击对计算机控制系统造成危害的主要原因有：(1)电源接地存在一定的缺陷，机房的地线和其所控制的范围未处于同一地，二者间形成电位差，如果受到雷击该缺陷表现更为明显，从而危害到计算机系统。(2)电源线及网络线的布设不合理，原本需要设置屏蔽接地却未设置，如果发生雷击，则网线及电源线都很容易受到感应雷电的电磁脉冲，使其沿着网络线路及电源线传导至系统的设备中，损坏设备。(3)计算机本身抗干扰能力相对较差，由于计算机控制系统本身属于弱电设备，如果雷电击中建筑物顶部，其避雷带雷电流在流经房屋结构柱的柱筋并泄放入地时，引下线附近会产生相对较强的交变磁场，受其影响，控制系统中的电路会受到感应，所产生的高电压就会击穿集成电路及电子元件。此外，在雷雨天气环境中，雷电波还有可能会沿着潮湿的线路传导至控制系统，对其造成破坏。

2 雷电波入侵控制系统的途径分析
(1)直击雷。所谓直击雷建筑物中的露天设备直接遭受雷电的电击，造成损坏或者雷电直接击中了架空线缆，使得线缆熔断最终导致设备损坏，这种现象被称为直击雷；落雷点在电源的高压侧，雷电会沿着供电线路直接侵入到计算机控制系统的供电电路中，从而产生过电流和过电压，损坏供电系统的UPS电源，造成断电，使整个控制系统处于瘫痪状态。雷击电流在流经通信有线线路的过程中，会产生巨大的机械能，以及强大的冲击波和高温，损坏通信线路；而过电流及过电压又经过通信电流的有线线路侵入至控制系统的内部，损坏设备的中断器、电流转换器等。
(2)雷电感应。静电感应及电磁感应称为感应雷，也被称为二次雷，尽管其破坏性相对直击雷来说比较小，但是其发生的机率要远远超过直击雷。通常感应过电压可以分为以下两种情况。
1)回路感应过电压。因为计算机控制系统所在的房屋内有大量的各种类型的线路，这些线路及网络结构的布局较复杂，建筑物内不同的空间位置都会构成许多回路。如果建筑物受到雷击，或者邻近的地区出现雷电放电，就会在建筑物的内部空间形成一个脉冲暂态磁场，该磁场进行陕速变化，其与这些回路交链后就会在回路中感应暂态过电压，与这些回路连接的相关控制设备就会受到损坏。在网络通信线路系统中，感应过电压又分为静电感应和电磁感应两种，其中静电感应指的是架空线路与雷击点相近，雷云团先导通道内充满了电荷，架空线会受其所产生静电感应的作用，积累大量反向电荷，一旦雷云团开始放电，雷云团中的电荷会与架空线的电荷快速中和，使得架空线中被束缚的电荷迅速释放，从而形成暂态过电压波。这种暂态过电压波以接近光速的速度传导至架空线的两侧，架空线路两端所连接的设备受到入侵后被损坏。
如果雷电直击在避雷针或避雷带时，雷电流的幅值相对较大，具有较高的波头陡度，因此在雷电流通道附近就会产生一个较强的瞬变磁场，该磁场的作用较强大，其直接作用在网络通信线路或者电源线中可以感应出过电压，侵入计算机控制系统中，设备就会受到损坏。如果雷电放电的电流强度达到一定程度，例如30 kA的雷电流，那么其可以影响到雷击点1 km半径范围内的网络系统，严重时可能导致系统设备损坏。
2)耦合及转移过电压。雷击所引起的暂态高压或者过电压通常经过网络线路的耦合或者转移到计算机控制网络设备中，损坏设备。
(3)雷南地电位抬高。雷电波侵入，如果计算机控制系统的电源线、进入控制室的金属管线以及信号传输线受到雷电感应或者遭雷击时，雷电所产生的雷电波就会经过这些金属导体直接侵入设备，产生电位差而损坏设备，这种现象就称其为雷电波侵入。如果控制系统中设备的绝缘距离不够，并且设备和避雷系统不共地，二者间会产生极高电压，并且会产生放电击穿事故，雷电波侵入会间接导致设备的损坏，甚至危及到人身安全。
(4)控制系统设备、网络设备的抗干扰能力分析。
由于计算机控制系统及相关网络设备由大量大规模集成电路所组成，因此抗干扰能力相对较差，尽管在进行系统设计时已经采取了很多相应的抗干扰措施，但是其只是对低能量的干扰比较有效，对于电磁脉冲以及雷电侵袭而导致的过电压及过电流，其抵抗能力则薄弱，特别是雷电磁脉冲及浪涌等尤其敏感，十几伏的电压就有可能经过数据传输线路以及电源线路侵入到设备内部，损坏计算机的主板、多功能卡、相关的网络设备以及通信电流的中继等。
实际情况中，雷击对计算机控制系统的侵入和破坏往往是几种方式的混合作用，比如从一处地电位升高经过水平接地引线向另一处传递；或者雷击在大地时，雷电流经过地下的金属管道向建筑物内传导；架空线受到感应后再向着建筑物内传导，从而传递至敏感设备造成设备损坏等。其具体的雷击损坏计算机控制系统的途径，如图1所示。