伴隨著雷電產(chǎn)生的雷電電磁脈沖，以電磁感應(yīng)作用通過金屬管道和各種電纜將雷電波及高電位引入，對電子、信息、控制設(shè)各的破壞和危害，是上個世紀(jì)九十年代以來雷電危害zui顯著的特征。它的成災(zāi)率更高，損失更大，因而也就成了防雷技術(shù)中一個急需解決的重要課題。據(jù)德國一家電子保險公司統(tǒng)計，由于電涌對電子設(shè)備和系統(tǒng)的電磁騷擾，如通信系統(tǒng)、計算機、測量控制儀表等，電涌損壞的賠償費在十年內(nèi)翻了兩番。
　　
　　*，儀控設(shè)備的高速發(fā)展*依賴于IC技術(shù)的發(fā)展。今天，60OMHz、0.18μm工藝技術(shù)采用了鋁電導(dǎo)層和低容抗的氟氧化硅，其工作電壓zui低在1.lV和1.6V之間，不僅在單位面積上可集成更多的晶體管，提高運算速度和工頻，還可大大降低系統(tǒng)的能耗。但集成度提高和能耗降低帶來的是其對過電壓和外來熱量的承受能力降低。當(dāng)能量通常達(dá)幾百焦耳、電流幅值高達(dá)上千安培的雷電浪涌侵入時，對以集成電路為主的儀控設(shè)備的威脅將是何等嚴(yán)重。在多雷地區(qū)，儀控設(shè)備可能因遭雷擊而損壞，造成較大的直接和間接經(jīng)濟損失，而較為隱蔽的多次大電流、高電壓沖擊加速了儀控設(shè)備的老化，導(dǎo)致其使用壽命的縮短卻是無法預(yù)測的。因此，不少企業(yè)開始關(guān)注儀控設(shè)備的防雷接地問題。
　　
　　一、某核電站儀控設(shè)備防雷接地狀況
　　
　　2004年8月，某核電站#1機組因雷雨天氣打雷造成汽輪機超速保護動作而跳機，并引起#1核反應(yīng)堆停堆事故。這一停堆事故引起了各級主管部門的高度關(guān)注，要求查清原因，采取措施，嚴(yán)防類似事故的再次發(fā)生。
　　
　　1.防雷接地及存在問題
　　
　　（1）安全停堆保護系統(tǒng)
　　
　　核電站儀控設(shè)備除了受到雷電電磁波、雷電脈沖等的侵入危害外，還受到來自核反應(yīng)堆的核子電磁脈沖/中子脈沖的干擾。因此，完善核電站儀控設(shè)備的防雷接地措施要比普通電站繁重。特別是安全停堆保護系統(tǒng)，它是核電站安全運行zui重要的保護項目，其可靠性之高應(yīng)居核電站所有保護設(shè)備可靠性水平之zui，既不能誤動，更不能拒動。但是，由于自給能嵌裝鉑中子探測器輸出的信號只有幾個微安，極易受到其它信號的干擾影響，嚴(yán)重時會影響到核反應(yīng)堆的安全運行。　　
　　圖1為自給能中子探測器測量、控制原理框圖。安全停堆保護系統(tǒng)的中子探測器信號電纜通過反應(yīng)堆引出，經(jīng)過約20m的距離到達(dá)副控室內(nèi)的控制盤柜。
　　
　　傳輸中子信號的信號電纜采用了單屏蔽電纜，而且電纜的走向比較混亂，既有強信號電纜，又有電源電纜，相互之間交叉混雜。
　　
　　（2）汽機超速保護系統(tǒng)
　　
　　汽輪機超速保護動作值為110%，其動態(tài)響應(yīng)時間應(yīng)小于5Oms。整個超速保護系統(tǒng)共采用3個獨立的測速測量通道，并以峰-峰值6V的直流脈沖信號輸出至超速保護控制柜，進(jìn)行三取二邏輯運算。圖2為該系統(tǒng)的原理框圖及電纜走向。　　
　　超速保護系統(tǒng)全部為單層屏蔽信號電纜，電纜的屏蔽層接地采用了單點接地方式，接地點均在控制機柜內(nèi)完成。三個機柜內(nèi)有屏蔽地、信號地、端子地、機柜保護地等，信號地及端子地連接到機柜側(cè)面儀表地母排上，屏蔽地和機柜保護地等則連接到機柜底部的保護地母排上，見圖3。但這兩個接地母排在機柜內(nèi)就完成了相互之間的連接，并通過該機柜的總接地母線穿過地坪與廠接地網(wǎng)裸線相連接。　　
　　由于測速探頭至前置放大器之間距離很近，探頭在厚10~20mm的汽機機殼內(nèi)，以及兩者之間的屏蔽電纜大部分也在汽機機殼內(nèi)，這部分用蔽效果較好，引入高頻雷電脈沖的可能性很小。
　　
　　前置放大器至超速保護柜距離約在200m左右，這段信號電纜采用的是普通的單屏蔽電纜，并且布線環(huán)境復(fù)雜，該段是zui可能引入高頻雷電干擾脈沖的地點。當(dāng)雷擊廠房頂時，廠房內(nèi)的接地引下線、金屬構(gòu)架、電纜橋架等部分會有雷電流流過。該雷電流會對臨近的單層屏蔽電纜產(chǎn)生干擾，在單端接地情況下，會在芯線上感應(yīng)出干擾電壓。
　　
　　（3）存在的問題
　　
　　通過對上述兩個保護系統(tǒng)防雷及接地情況的了解和排查，對照EJ/T1065-1998行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》和HG/T20513-2000《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計規(guī)定》要求，發(fā)現(xiàn)存在如下問題:
　　
　　a）傳輸中子探測器的微安級信號電纜采用的是單層屏蔽信號電纜。單層屏蔽信號電纜易受到核子電磁脈沖/中子脈沖的轟擊干擾，因此應(yīng)考慮采用雙屏蔽信號電纜，外層屏蔽采取兩點接地，內(nèi)層屏蔽按單點接地。另外，對安全級（IE級）系統(tǒng)的電纜不應(yīng)與其它電纜一起敷設(shè)，而應(yīng)敷設(shè)在獨立的電纜托架或管道內(nèi)。
　　
　　b）電纜走向混亂。中子探測器信號電纜采用了單屏蔽電纜，其長度約15m。信號電纜經(jīng)電纜橋架進(jìn)入控制室，而該信號電纜在橋架內(nèi)不僅混亂，而且與其它電纜（包括強信號電纜、儀控設(shè)備工作電源電纜）混在一起。由于中子探測器所傳輸?shù)男盘柺治⑷酢Ｒ虼藰O易受到其它強電電纜的干擾，嚴(yán)重時會影響到安全停堆保護系統(tǒng)的正常運行。
　　
　　c）傳輸中子信號的電纜在穿過地坪時沒有采取與其它電纜隔開的措施，穿過地坪后也與其它電纜混在一起。信號電纜在接線盒內(nèi)排列不清，不僅進(jìn)來的電纜多、有長有短，而且相互之間還存在扭絞、打圈現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對微安級電流信號的傳輸是十分不利的。
　　
　　d）汽機超速保護控制系統(tǒng)的三個柜內(nèi)的儀表接地母排與機柜保護接地母排，實際上沒有起到真正分離的作用，在柜內(nèi)就用較粗的地線連接在一起。這種連接方式不符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《核電廠儀控設(shè)各的接地和屏蔽設(shè)計準(zhǔn)則》（EJ/T1065-1998）規(guī)定要求，因此容易受到強電磁場及雷電脈沖通過保護地而就近侵入控制卡件。
　　
　　e）汽機超速保護輸出的是峰-峰值為6V的直流脈沖信號。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ/T1065-1998第303條明確規(guī)定:"數(shù)字脈沖型的信號電纜應(yīng)敷設(shè)在沒有其它類型電纜的獨立的電纜橋架、線槽或管道內(nèi)"。但汽機超速保護系統(tǒng)的3個信號電纜與其它電纜走在橋架內(nèi)，當(dāng)高頻雷電脈沖來臨時，會同時干擾三個測速信號，并使三取二判斷邏輯滿足引起超速保護誤動作。
　　
　　f）控制系統(tǒng)部分信號電纜的穿管與橋架之間出現(xiàn)斷層現(xiàn)象。這一方面容易引起電纜在鋼管或槽架快口處碰傷、絕緣層磨壞等現(xiàn)象的發(fā)生，另一方面強干擾信號（如來自核反應(yīng)堆的核子電磁脈沖/中子脈沖）易串入，而影響保護系統(tǒng)的正常可靠工作。另外，信號電纜在橋架內(nèi)轉(zhuǎn)彎過程中沒有采取屏蔽措施，有些電纜采取了一根屏蔽鋼管串一根電纜的屏蔽措施，但在電纜轉(zhuǎn)彎處卻又將幾根電纜捆扎在一起，使得原本良好的設(shè)計意圖失去了應(yīng)有的作用。
　　
　　2.整改措施
　　
　　針對上述問題，對照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)采取如下整改措施:
　　
　　（1）要嚴(yán)格按照EJ/T1065-1998《核電廠儀控設(shè)備的接地和屏蔽設(shè)計準(zhǔn)則》第4.3條"對于極低信號需采用雙屏蔽電纜"規(guī)定要求，對傳輸中子探測器信號的電纜應(yīng)用雙層屏蔽電纜，外層屏蔽應(yīng)兩端作等電位連接，內(nèi)層屏蔽采用單端接地方式接地。在這種情況下，外屏蔽層與其它同樣做了等電位連接的導(dǎo)體構(gòu)成環(huán)路，感應(yīng)出一電流，因此產(chǎn)生減低源磁場強度的磁通，從而基本上抵消掉無外屏蔽層時所感應(yīng)的電壓，能有效抵御外來干擾的影響。
　　
　　（2）根據(jù)EJ/T1065-1998《核電廠儀控設(shè)備的接地和屏蔽設(shè)計準(zhǔn)則》第3.3.1條"安全級（IE級）系統(tǒng)的電纜應(yīng)敷設(shè)在獨立的電纜托架或管道內(nèi)"規(guī)定，對微電流信號電纜應(yīng)與其它模擬信號電纜分開敷設(shè)，更不允許在電纜橋架內(nèi)相互絞繞在一起，對穿過地坪的信號電纜也應(yīng)做好屏蔽隔離措施。
　　
　　（3）根據(jù)防雷和抗干擾要求，應(yīng)將機柜地、屏蔽地、信號地分開連接，以減少相互之間的干擾影響，提高保護系統(tǒng)的可靠性。另外，根據(jù)規(guī)定，信號電纜在接線端子側(cè)應(yīng)預(yù)留一定長度，但預(yù)留長度應(yīng)在0.3~0.6m之間，過長的電纜應(yīng)予以拆除，布放的電纜不得有打圈、捆扎現(xiàn)象。
　　
　　（4）嚴(yán)格執(zhí)行核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EJ/T1065-1998第3.3條規(guī)定要求，應(yīng)將3個測速脈沖信號電纜采取各自獨立穿管敷設(shè)措施，盡可能排除其它不明原因引起的干擾影響。如有可能，則將測速脈沖信號電纜改為光纖電纜，這樣可以zui大限度地避免傳輸過程中的電磁脈沖等引起的干擾影響。
　　
　　（5）對信號電纜穿管與電纜托架之間屏蔽存在的斷層現(xiàn)象，應(yīng)按照《核電廠儀控設(shè)備的接地和屏蔽設(shè)計準(zhǔn)則》第3.3.2條"電纜托架和管道"中的規(guī)定要求加以完善。特別對穿有信號電纜的管子，在轉(zhuǎn)彎的地方更應(yīng)做好屏蔽連接措施（如采取金屬軟管連接），以提高和增強保護系統(tǒng)的抗*力，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。
　　
　　二、雷電入侵儀控設(shè)備的途徑
　　
　　儀控設(shè)備可能遭受雷電浪涌威脅的地點有:現(xiàn)場儀表附近雷電浪涌、信號電纜附近雷電浪涌、控制室附近雷電浪涌、儀表設(shè)備電源線引入的雷電浪涌。
　　
　　1、入侵途徑及危害
　　
　　雷電事故的形成，概括起來不外乎雷電的熱、電與機械力效應(yīng)。防雷，就要從避免這三種效應(yīng)發(fā)生入手，以免對設(shè)備和人身造成傷害。除直接雷擊外，雷的電磁效應(yīng)所產(chǎn)生的浪涌電流（有的稱為二次雷、感應(yīng)雷），會通過電阻、電感、電容藕合產(chǎn)生。
　　
　　雷害通常主要通過以下幾種途徑給儀控設(shè)備帶來危害:
　　
　　（1）直擊雷造成的地電位浮動而導(dǎo)致的雷電反擊;
　　
　　（2）引下線中的雷電流通過近場電磁感應(yīng)將雷電波（高電位）沿著附近的信號電纜、電源電纜和通信電纜進(jìn)入儀控設(shè)備;
　　
　　（3）當(dāng)儀控設(shè)備周圍發(fā)生雷擊放電時，空間輻射的電磁場會在各種電纜和金屬設(shè)備上產(chǎn)生感應(yīng)電壓（包括電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)），從而使儀控設(shè)備失效或損壞。
　　
　　2、防雷措施
　　
　　雷電對儀控設(shè)備破壞的原因在于其巨大的、遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)備承受能力的浪涌電流、電壓。阻止和減少浪涌電流侵入儀控設(shè)備是預(yù)防雷害的關(guān)鍵，因此應(yīng)從以下幾方面著手。
　　
　　（1）防雷設(shè)計
　　
　　在工程設(shè)計階段就應(yīng)予以考慮儀控設(shè)備的防雷措施，這些措施有:
　　
　　a）對儀控設(shè)備以及和它相連的變送器、執(zhí)行機構(gòu)等必須采取等電位接地。儀控設(shè)備和公用接地系統(tǒng)實行單點接地，即一個接地基準(zhǔn)點，各接地匯流排應(yīng)采用分類匯總，匯總點應(yīng)盡量靠近該基準(zhǔn)點。
　　
　　b）對外部的電纜要采用金屬材質(zhì)走線槽，并采用雙層屏蔽和接地措施。I/0電纜、電源電纜及通信電纜等在室外的敷設(shè)段，應(yīng)在進(jìn)控制室前大于15m距離內(nèi)采用埋地方式。同時，要利用建筑物的結(jié)構(gòu)鋼筋、金屬門窗等（必要時應(yīng)加設(shè)鋼板進(jìn)行殼體屏蔽或用金屬絲網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)格屏蔽）將控制室、機柜室構(gòu)成一個屏蔽的法拉弟籠。
　　
　　c）儀控設(shè)備的電源系統(tǒng)要采用TN-S系統(tǒng)接地方式，以保證儀控設(shè)備的金屬外殼（如機柜）在正常運行時不帶電。
　　
　　d）在選用儀控設(shè)備時，要考慮它的電磁兼容性（EMC）、浪涌抗擾度和脈沖磁場抗擾度等指標(biāo)。
　　
　　（2）防雷接地
　　
　　從"引雷入地"的觀點出發(fā)，較小的接地電阻值有利于提高雷電能量對地的釋放速度。防雷一定要接地，接地不好，什么也沒有用。接地的目的一是為了安全，避免傷亡及設(shè)備損壞事故的發(fā)生;二是為了確保儀控系統(tǒng)的和穩(wěn)定運行。
　　
　　不同的接地方式對接地電阻的要求也不同。電力部門對儀控設(shè)備接地電阻的要求是:采用獨立接地時接地電阻小于4Ω;采用與電氣網(wǎng)共地時接地電阻應(yīng)小于1Ω;采用防雷地、電氣地、儀控設(shè)備地三者共地時應(yīng)小于0.5Ω。
　　
　　儀控設(shè)各的接地方式有3種:
　　
　　●單獨接地，即儀表與電氣設(shè)備分開接地。由于存在地電位差，因此抗*力差，在緊湊布置的工業(yè)裝置或控制室里，兩者接地網(wǎng)絡(luò)之間要求相距5m也難做到。
　　
　　●聯(lián)合接地，即儀表與電氣設(shè)備共同接一個地，并規(guī)定其接地電阻不應(yīng)大于1Ω。這聯(lián)合接地點與自來水管、建筑物鋼筋的接地點之間也存在地電位差，抗*力不理想，尤其對雷電與電涌的影響更顯得無能為力。
　　
　　●等電位接地，這是當(dāng)今安全、經(jīng)濟的抗干擾、保安全的行之有效的方法。不但建筑物、而且裝置都要等電位，對儀控系統(tǒng)來說，這是zui有效的方法。但要想真正做到等電位是不可能的，只能盡可能的做到等電位。
　　
　　從儀控設(shè)備的接地端子到總接地板之間導(dǎo)體及連接器電阻之和，即接地連接通路的電阻總和，稱為連接（Bonding）電阻。按ISA、IEC及國內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，此連接電阻推薦為不大于10。而接地極的電位與通過接地極流入大地的電流之比，稱為接地極對地電阻，此電阻和總接地板、接地總干線及接地總干線兩端的連接點電阻之和稱為接地電阻。儀控設(shè)備的接地電阻即為上述電氣專業(yè)低壓配電系統(tǒng)接地裝置的接地電阻，一般應(yīng)不大于4Ω。因為等電位接地是多點接地，即建筑物鋼筋、地下金屬管道、電纜金屬外皮都與大地接觸，也是接地極系統(tǒng)的一部分，因此4Ω的數(shù)值是不難做到的。實際上，在等電位接地系統(tǒng)里，人們關(guān)注的是上述連接（Bonding）電阻，此電阻小意味著等電位程度高，抵抗電磁、雷電的危害和*力強。
　　
　　要將儀控設(shè)備的接地系統(tǒng)和防雷電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)進(jìn)行等電位連接。即使受到雷電反擊，因為它們之間不存在電位差，所以不可能通過雷電反擊構(gòu)成對電子器件的威脅。因此，等電位連接是儀控設(shè)備免遭雷擊的重要措施。儀控設(shè)備的防雷接地宜采用圖4的接地方式。圖中，保護接地包括儀表及系統(tǒng)機柜的外殼、儀表盤外殼、防靜電接地等;工作接地包括電纜屏蔽層、盤裝的儀表、直流電源負(fù)端、系統(tǒng)柜屏蔽信號等。　　
　　（3）屏蔽措施
　　
　　HG/T20513-2000《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計規(guī)定》對屏蔽電纜的接地在原則上要求一端接地，另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應(yīng)，不能防磁場強度變化所感應(yīng)的電壓、阻礙雷電波的侵入。為減少屏蔽芯線的感應(yīng)電壓，僅在屏蔽層一端做等電位連接的情況下，應(yīng)采用有絕緣隔開的雙層屏蔽，外層屏蔽（如用金屬走線槽或穿線金屬管作為第二屏蔽層）應(yīng)至少在兩端做等電位連接。從防雷角度看，走線槽及穿線金屬管應(yīng)選擇金屬材質(zhì)而不應(yīng)選用環(huán)氧樹脂等絕緣材料。
　　
　　a）現(xiàn)場儀表至控制室連接電纜宜采用雙絞屏蔽電纜，置于金屬保護管或封閉電纜槽中，盡量避免電纜裸露于保護管之外。保護管及電纜槽應(yīng)與就近保護接地網(wǎng)有效連接，這樣可以zui大限度地減少雷擊和其它大電場對電纜部分產(chǎn)生的影響。
　　
　　b）現(xiàn)場儀表的金屬外殼應(yīng)就近與所在建筑物的金屬構(gòu)架相連接，形成等電位體。
　　
　　（4）設(shè)置SPD
　　
　　電涌（又稱浪涌）是指電路中突然出現(xiàn)的瞬間電壓或過電流現(xiàn)象。它產(chǎn)生于雷擊電磁脈沖、雷電產(chǎn)生的靜電感應(yīng)、靜電放電、電源開關(guān)的通或斷、電磁場干擾等。其中，工頻交流或直流產(chǎn)生的常態(tài)過電壓/過電流，持續(xù)時間是秒、毫秒級的;高壓系統(tǒng)接地故障出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓（TOV），持續(xù)時間是毫秒級的;波形呈三角形的瞬態(tài)電涌，持續(xù)時間是微秒、納秒（ns）級的。后者的瞬態(tài)電涌包括4類;開關(guān)電磁脈沖（SEMP），有的經(jīng)測試可達(dá)到4kV;靜電放電（ESD），有的經(jīng)測試可高達(dá)幾萬伏;雷電電磁脈沖（LEMP），能量比前兩類大得多，危害大。
　　
　　根據(jù)SPD的特點，在選擇時特別要注意SPD的工作電壓、負(fù)載電流與系統(tǒng)回路相匹配，其zui大連續(xù)操作電壓應(yīng)略大于回路zui大正常工作電壓，負(fù)載電流應(yīng)大于回路zui大正常工作電流，確保SPD在回路中正常工作。對于本安回路，需注意SPD是否有相應(yīng)本安認(rèn)證，其路線電阻值應(yīng)足夠小，能保證現(xiàn)場儀表電壓正常工作。SPD的安裝位置應(yīng)盡可能靠近被保護設(shè)備。在控制室內(nèi)，SPD柜放在外側(cè)，被保護的機柜放于中心側(cè)。
　　
　　在儀控設(shè)備防雷方面，不強調(diào)過多地使用SPD，而注重于屏蔽、接地和等電位連接以及合理布線等防范措施。
　　
　　三、需要探索的課題
　　
　　對于儀控設(shè)備的防雷與接地技術(shù)，函待深入探索的課題有:
　　
　　（1）建立全面的研究體系。隨著儀表與控制系統(tǒng)功能越來越強大，而其主要元器件（芯片、大規(guī)模集成電路）耐過電壓水平呈直線下降的趨勢，因此建議要在EMC的基礎(chǔ)上統(tǒng)一考慮EMC、保護系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)三個方面的工作，這要求電氣專業(yè)與儀控專業(yè)的互相合作，共同探索。
　　
　　（2）探索SPD的設(shè)置方案。儀控系統(tǒng)I/O電纜、CPU甚多，如何經(jīng)濟、有效地設(shè)置SPD，這是用戶zui關(guān)心的問題，值得有關(guān)方面關(guān)注和重視。
　　
　　（3）建立明確的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前在自動化控制系統(tǒng)領(lǐng)域還缺少非常明確、規(guī)范的雷電防范設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。各儀控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家針對自己系統(tǒng)提出了各種各樣的接地要求，而這些接地要求差別很大，使現(xiàn)場施工、工程服務(wù)人員和用戶無所適從，也給儀控系統(tǒng)的安全運行留下了隱患。因此，需要通過長期、艱巨的探索，盡早制定出切實可行的儀控設(shè)備的防雷和接地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　儀控設(shè)備的防雷工作不是簡單的避雷設(shè)施的安裝和堆砌，而是一項要求高、難度大的系統(tǒng)工程，涉及多方面的因素。為此，必須貫徹經(jīng)濟、實用、高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求、高起點、高可靠性原則，在遵守國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)參考和引入IEC的有關(guān)防雷擊標(biāo)準(zhǔn)要求，以其達(dá)到更好的防雷效果，確保儀控系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定、安全運行。