李春龍

（廣東省計量科學研究院東莞分院，廣東 東莞 523120）

1 引 言

雷電是因強對流氣候而形成的雷雨云層之間或者云層與大地之間強烈瞬間的放電現(xiàn)象，它具有極大的破壞力。自然界中由雷電產(chǎn)生的雷擊主要有直擊雷擊、感應雷擊兩大類。直擊雷擊是雷雨云對大地建筑物的放電現(xiàn)象；而感應雷擊是由于雷雨云層相互之間或者雷雨云與大地之間放電時，在放電通道周圍產(chǎn)生的電磁感應或者雷云電場的靜電感應，使得建筑物上的金屬管道、鋼筋以及由室外進入室內(nèi)的電源線、信號線路等感應的雷電高電壓，通過這些線路以及通道引入造成放電，從而損壞電子和微電子設備。通過對雷擊事故分析的結(jié)果可以得出一個結(jié)論，雷電造成的電子設備的損壞中90%以上是感應雷擊造成的。

目前，各種大型電氣設備和高大建筑物都設有較為完善的防雷擊措施，能有效地防止雷電的直接侵害，但防感應雷擊的效果確很一般。近年來由于感應雷擊造成電子設備故障和損壞的情況也比較多，因此由感應雷擊致使電子衡器設備損害更應高度警惕[1]。雖然防雷擊是一個老話題，但對衡器行業(yè)來講，卻是一個需要討論的新課題，因為衡器正處在全面向電子信息網(wǎng)絡化改造過程中，其中還存在大量的有待改進和完善的工作。

2 防止感應雷擊的理論方法

2.1 對傳感器、二次儀表等電子設備部件作等電位防雷保護

等電位保護是電子衡器系統(tǒng)雷電保護系統(tǒng)的核心和根本[2]。雷擊時，在強大的雷電電流瀉入大地的瞬間，由于接地線存在電阻和電感，因此整體衡器系統(tǒng)對地可產(chǎn)生幾萬甚至幾十萬伏的高電位，此電位對電子衡器的各個部分甚至整體系統(tǒng)都是毀滅性的。對整體衡器系統(tǒng)的各部位（傳感器、儀表和計算機）的各種接口均做相應的等電位保護，使整體衡器系統(tǒng)的基礎電位隨地線電位的變化而變化，這樣有效地避免了雷電流產(chǎn)生的高電位對電子衡器造成的破壞。

2.2 切斷傳感器與秤臺的電氣連接

只做等電位保護還不夠，還必須切斷傳感器與秤臺的電氣連接。由于傳感器彈性體與秤臺是處于電氣連通狀態(tài)的，而傳感器的彈性體與電子電路之間耐壓極限只有1～1.5 kV，傳感器彈性體上感應的高電壓會將傳感器的應變片和其后的相應電路擊穿，這就是大型電子衡器經(jīng)常因遭受雷擊而損壞的最主要原因[3]。因此需將傳感器輸出端加分流裝置，與秤體連接接地，當有雷電流時，通過傳感器分流裝置，使得雷電流不經(jīng)過傳感器瀉入大地，從而避免了雷電流產(chǎn)生電磁場感應的高電壓通過傳感器傳給后端電子電路或二次儀表[4]。

2.3 供電系統(tǒng)做多級防雷保護

架空供電的電源線極易受到雷電襲擊而產(chǎn)生浪涌通過電源，造成衡器系統(tǒng)損壞，因此，電子衡器電源系統(tǒng)采用三級防雷保護，第一級電源防雷模塊安裝在系統(tǒng)供電開關(guān)后，第二級電源防雷模塊安裝在穩(wěn)壓電源前，第三級電源防雷模塊安裝在設備前，此外三級防雷保護做到共地，并與秤體共地，做到等電位。在進入操作室的電源線路、信號線路特別是重要設備的前端按規(guī)范逐級加裝浪涌保護器，將感應到電源線、天饋線以及信號線的雷電流泄放到大地，并將雷電以及浪涌鉗位到設備能承受的范圍，從而保護電子設備不被雷電感應高電壓所損壞[5]。

2.4 做好屏蔽和隔離

所謂屏蔽，就是用金屬網(wǎng)、箔、殼等把需要保護的對象包圍起來，把閃電以及強干擾的電磁波在空間的入侵通道全部阻斷，以保護電子設備安全。金屬屏蔽網(wǎng)應與等電位接地端子進行可靠連接。所謂隔離，就是讓敏感的電子信息設備盡可能避開或遠離雷電和涌浪容易干擾的地方[6]。

2.5 共地連接和合理布線

共用接地是將在同一區(qū)域的交流工作地、直流工作地、安全保護地、防靜電接地、防雷接地等共用一組接地裝置[7]。共用接地系統(tǒng)的接地電阻應以接入設備中最小值確定。這樣，整體衡器系統(tǒng)只有一個基礎電位，當發(fā)生雷擊時，此電位就會隨著接地點的電位起伏而變化，確保整體衡器系統(tǒng)安然無恙[8]。合理布線就是將容易引起干擾的線纜分開敷設，并保持一定間距，符合國家標準GB/T 50311規(guī)范的規(guī)定。

3 實例分析和具體實施方案

為了能有的放矢地制定出切實可行的防雷措施，特別是防感應雷擊對電子衡器造成的損害，對近兩年來東莞地區(qū)電子衡器遭受雷電傷害情況做不完全統(tǒng)計，得到如下數(shù)據(jù)：

（1）三臺電子汽車衡計算機的通訊接口板中調(diào)制解調(diào)器（Modem）損壞。

（2）兩臺電子汽車衡稱重儀表到計算機的串行數(shù)據(jù)接口（RS232）損壞。

（3）兩臺電子汽車衡稱重儀表到大屏幕顯示器串行接口電路的光電耦合器（P521）和稱重儀表到打印機接口電路(74HC244)損壞。

（4）一臺電子汽車衡儀表到打印機接口電路（74HC245）損壞。

（5）一臺電子汽車衡一只稱重傳感器損壞（輸入端開路）。

（6）稱重管理系統(tǒng)，有兩臺主機和兩臺CRT顯示器的電源部分損壞。

從以上情況和處理過程來看，不難得出這樣一些結(jié)論：

（1）損壞的元器件明顯的不同于往年，稱重傳感器的損壞已占少數(shù)，這可能是因為稱重傳感器都接有可靠的大電流回路保護線，稱重傳感器的上、下短路接地，整個稱重傳感器形成對地等電位狀態(tài)。加之又采用了防浪涌接線盒，實質(zhì)上就是PCB板上焊有防浪涌及防感應雷的保護元器件，在供橋電壓和信號輸出端各并聯(lián)一只TVS管，如P6KE18CA，適當?shù)靥岣吡朔览讚裟芰Α?/p>

（2）稱重儀表和計算機又幾乎都是電源電路和接口電路損壞，這樣看來，雷電的感應浪涌電壓的入侵途徑除了電源，主要是通過信號線竄進設備內(nèi)部，隔離、接口芯片當然首當其沖，遭其擊穿破壞。

（3）計算機主機和顯示器一般都采用無電源變壓器的開關(guān)電源，不論是否開機，只要電源插頭插在插座上，因為電源開關(guān)的動、靜觸點分離時的間隙只有2mm左右，瞬時雷電感應浪涌電壓的火花閃絡足以進入，使其電源電路中的整流元件、濾波電容受到感應雷擊傷害。

（4）受雷電傷害的電子衡器故障比較明顯，容易查找發(fā)現(xiàn)，只要對“進口、出口”電路稍加留心觀察就能看到過電壓擊穿損壞的元器件（有的發(fā)黑，有的鼓包，甚至于炸裂）。除更換傳感器外，更換接口芯片，基本上不需要重新標定，因而維修相對順利。

鑒于以上情況，為了進一步降低雷擊傷害，參照計算機房防雷設施，擬定并協(xié)助用戶單位實施了電子衡器房防止雷擊的預防方案，主要針對防止雷電感應電壓從電源線竄入，特別注意到防止從信號線入侵。

其接線框圖如圖1所示，方案具體安裝實施的特點如下：

（1）將三相四線制電源在進戶處把零線做重復接地，其接地電阻小于4Ω，并將地線同時引入戶內(nèi)，形成三相五線制供電。這樣地線既作接地保護用，又可預防共用零線斷路時三相負荷不均衡引起的高電壓危害（如僅接入單相電源，零線同樣做重復接地后引入戶內(nèi)）。

（2）在室內(nèi)配電箱中，對A、B、C三相各裝一只DZ47－63/C16型空氣斷路器（空氣開關(guān)）作為保護之用。據(jù)實踐使用情況，此類開關(guān)比老式DZ12系列靈敏度要高很多，可靠性較好。在空氣開關(guān)的下端火線與零線之間并聯(lián)一只過壓保護的壓敏電阻。當遇到雷擊感應浪涌高電壓竄入時，達到壓敏電阻的動作值，壓敏電阻會立即由高阻轉(zhuǎn)為導通，短路電流致使空氣開關(guān)C16立即跳閘，起到過電壓的保護。

（3）防雷濾波器主要由壓敏電阻和LC濾波電路組成，其自制的實用電路如圖2。L1、L2是用φ0.5～1.0mm的高強漆包線在同一磁環(huán)的兩側(cè)各繞6～8匝。

（4）信號避雷器是借鑒目前市場上有不少加裝避雷器的家用電器，主要是將體積甚小的金屬氧化物避雷器埋藏在家用電器中。其實質(zhì)就是一個過壓保護元件如壓敏電阻（YM471）或TVS管。

按照圖1方案實施的衡器房所，從2005年冬到2009年冬，經(jīng)過2006年的雷雨季節(jié)，尤其是2007年3月底和7月、8月較強的雷雨，尚未發(fā)生一起雷電傷害的事故。而未安裝的，在2006年7月就有一例是耀華XK3190-D2＋表中接口芯片HD74HC224P損壞。說明上述的預防措施是行之有效的。

另外，介紹電子衡器不同于機械衡器，講明電子衡器的儀表和其他電子儀器儀表一樣需要注意防雷電傷害，幫助具體操作人員增強防雷電意識。建議企業(yè)各衡器房所，在雷雨季節(jié)，當不稱量下班時，盡可能注意，把稱重系統(tǒng)設備的電源插頭拔掉，以阻斷感應雷擊由電源線竄入。

平時注意檢查各稱重傳感器大電流旁線路和接地線是否完好。每年至少測量接地電阻一次，看是否達到不大于4Ω的要求，否則要及時處理，并注意安排在雷雨季節(jié)之前完成。

4 結(jié)束語

電子衡器防雷技術(shù)是一個性能先進的綜合復雜的雷電保護系統(tǒng)，對受保護的電子衡器系統(tǒng)不做任何改動，不影響衡器的計量性能。當有雷電襲擊時不用停電，電子衡器仍能夠正常計量。

[1] 唐文炳.電子衡器使用與維修[M].北京：中國計量出版社，2004.

[2] 吳建平，楊貴庭，楊 飛，等.電子防雷新措施[J].湖北電力，2003，27（5）：23-24，36.

[3]GA267-2000，計算機信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖安全防護規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2001.

[4] 施漢謙，宋文敏.電子秤技術(shù)[M].1版.北京：中國計量出版社，1991.

[5]GB/T 17626.5-1999，電磁兼容試驗和測量技術(shù)浪涌（沖擊）抗擾度試驗[S].北京：中國標準出版社，1999.

[6] IEC 61312-1-2-3：1195-02.Protection against lightning elextromagnetic impulse[S].

[7]GB 50169-1992，電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，1992.

[8]劉 強，薛 靚.電子天平原理及四角誤差和線性誤差調(diào)修[J].中國測試技術(shù)，2007，33（6）：61-63.