电子系统的雷电防护

国家防雷标准及防雷的实践经验


摘自“中国公路·交通信息产业”　文／刘福文 胡建华 （2002/08/29）


　　随着近年来电子技术的飞速发展，雷电灾害已被国际电工委员会（IEC）称为“电子化时代的一大公害”。高速公路机电系统是一个功能强大的电器、电子系统，除了强电设备外，通信、监控（IEC定义为信息系统）、收费等弱电设备更是高速公路上不可缺少的一部分，如果在设计和施工中不重视雷电的防护，极易遭雷击或雷电电磁脉冲的危害，轻则部分设备被雷电击坏，系统丧失部分功能，重则全部系统瘫痪，经济损失惨重，给高速公路运营管理安全带来极大隐患。

雷电灾害的记录

　　随手翻查一下气象局记录，不难看到一些令人惊呃的资料：
　　1．2000年8月29日,南京高速公路收费站遭雷击,击坏所有车道机,收费系统瘫痪.同时,几百米以外的办公区域内部分设备也受到不同程度的损坏,直接经济损失15万多元；
　　2．2000年6月14日,山西省晋城市晋阳高速公路管理处遭雷击,击坏电话程控交换机、闭路电视设备,经济损失近5万元；
　　3．2000年7月22日晚,云南省昆曲高速公路南海子站遭雷击,击坏通信设备及全部的供电系统；
　　4．2000年4月至8月,广东高要市公路局属下白土、新活、新桥、双金、禄步五个收费站多次遭到不同程度的雷击,造成收费电脑、摄像头、监控台多次失灵,不能正常工作,共造成经济损失20多万元；
　　5．2000年5月2日13:30时,广东省廉江市青平收费站遭雷击,击坏空调主机、电脑监控等设备,直接经济损失1.5万元；
　　6．2000年5月27日,肇庆市怀集县金鸡收费所遭雷击,击坏3台收费机、2台电视机、2支摄像机.6月9日,再遭雷击, 击坏1台收费机、2支摄像机、3台摄像控制器,1台排气扇；
　　7．2000年9月10日4:21时,赤峰市红庙子公路收费站遭雷击,击坏监控系统,直接经济损失4万元。
　　统计证明，过电压破坏数据和损坏设备是经常造成高速公路机电系统的主要原因。由于高速公路收费站一般多位于郊外，周围地处空旷，其建筑物常常为附近最高点，加上安装高杆灯后，更易引雷。高速公路的路基、路面施工造成了公路沿线的土壤电阻率变化，使高速公路沿线成为易落雷区。此外，收费站的供电线路较多地采用架空电缆，雷电波会经供电线路侵入用电系统。

　　根据电磁兼容（EMC）原则，电子设备不得相互干扰，同时，雷电等其他电磁干扰源不得影响电子设备的功能。防护专家发现，在电磁环境威胁中，雷电放电是最重要的干扰源。自90年代末，我国开始用计算机技术改造设备和工作方式以来，过电压、过电流损害不断发生，成为信息系统硬件损坏进而影响业务的一大祸根。其实，发生在信息系统的过电压，数量最多的是电源操作过电压和静电放电，但它们能量较小，相当一部分不会对设备造成损害。雷电电磁脉冲虽然发生次数较少，但能量较高，一旦侵入信息系统，大部分会对设备造成损害。因此，做好信息系统的雷电电磁脉冲防护工作，就能解决系统防过电压的问题。并不是雷电必须击中建筑物本身，才能造成信息系统雷害，实际上，雷击点周围1km左右的敏感电子系统，都有可能受到雷电电磁脉冲或雷电电磁脉冲过电压的伤害。电子电路能够承受的浪涌电压仅仅为5V~100V，然而，雷浪涌电压可以高达数千伏，甚至数万伏，因此，雷浪涌电压侵入电子设备往往使电子设备失效。

　　应当指出，雷电磁干扰损坏计算机系统硬件造成的直接经济损失仅仅是全部经济损失的一小部分。计算机系统停用致使业务中断所造成的间接经济损失一般都比直接经济损失大的多。雷电可以在电源线和通信线或数据线上感应出过电压。因此采用电源和通信防雷器是保护通信线路、设备及人身安全的重要技术手段，是确保通信线路、设备运行不可缺少的技术环节。

相关的国家防雷标准

　　那么现行国家标准中有没有相关的电子设备防雷指引呢？是有的。根据国家建筑物防雷标准2000年修订版《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94-2000版），第6.1.4节中说明，在设计建筑物时，当时不知道或不肯定将来有没有通信设备时，需要考虑安装防雷用的等电位连接装置（防雷器是其中一种元件）。在中华人民共和国通信行业标准《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》（YD/T 5098-2001）中，为解决雷电引入系统的灾害，确保通信设备的安全和正常工作，需要进行雷电过电压保护设计。

　　需要留意的是，上述国标(GB50057-94-2000版)是包括一般行业的建筑物，而通信设备可靠性要求又在一般行业之上。所以，当电脑部及相关部门在筹建新的机房及网点时，有必要把电子系统的防雷考虑在内。

防雷的实践经验

　　中国幅员广大，雷灾严重情况不一，尤其是南方沿海省份较为严重，其中最著名的是在广东省的雷州半岛雷州市。该地人士对雷电造成的破坏习以为常，比方说气象局发出雷电警报时，拨掉有线电视接线或使调制解调器暂时不工作，尤为常见，否则就会造成严重的设备损坏，该情况一直没有良好改善。直至1998年，广州市高速公路项目、广东市铁路局、中国银行广东省分行大胆地在广东省内800多个网点、收费站做防雷整改工作。笔者有幸随队参加当时工程，其中特别深入了解雷灾最严重的雷州市中国银行网点的防雷工程工作。当时采用德国OBO公司的V20-C电源防雷器及RJ45-Tele/4电话线防雷器，转眼已过了三年半，在经过三个雷雨季节的记录，明显发现安装了防雷器网点安然无恙，而没有安装的网点设备则受到损坏。其中印象最深刻的是1999年8月中，雷州市连江的一个分行连接了DDN专线的网点，雷电中通信中断，该分行安然无恙，而连在DDN线另一端不远处的数据局调制解调器则受到雷电感应击毁，可作为防雷系统实用性的实证。

防雷系统实施上需注意的要点

　　本文说的防雷设施，是指保护室内通信电子设备防感应雷，而非建筑物外部防直击雷的设施。
　　对于部分读者，可能正在计划现有系统上加装防雷保护，或在筹建办公场所内考虑防雷纳入设计范围之内，笔者有几点意见，仅供大家参考：
　　1．设计上之依据—国标GB50057-94、YD/T 5098-2001、YD5078-98、YD2011-93
　　大家需对上述标准有一个大的认识，笔者准备了为数不多的上述标准，如有兴趣的读者，可按本文电邮地址 hl00@cgpower.com发电邮给本人索取资料或在 www.cgpower.com网页上查询。
　　2．施工上需注意的重点
　　如读者需要涉及大型的整改，宜与当地的气象局、防雷中心联络，要求他们给出意见。如用户只有少量的改动工作，可以自己留意以下重点：
　　a．地线
　　连接防雷器的地线，应不少于6mm2，以最短最直的连线方式，连在总配电屏的总地线上或机房外的接地网上，如机房有独立地线，需加装独立地线防雷保护器。
　　b．信号的引入线
　　应越短越好，尽量避免架空地跨越接连，暴露在直接感应雷电的空间之中，应埋地或最少套在金属管内为宜。
　　c．防雷产品的选择
　　应选择一些声誉良好的产品，便宜的产品质量不一定好。

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