包領(lǐng)武

摘要 當(dāng)前，雷電防護問題日益凸顯，以自動化系統(tǒng)為研究對象，針對雷電引發(fā)的安全隱患和保障自動化系統(tǒng)穩(wěn)定運行的需求，提出了一系列綜合的雷電防護措施。以典型案例為例，詳細(xì)的闡述和分析了各種防護措施，旨在為相關(guān)從業(yè)人員及工程項目提供有價值的參考。

關(guān)鍵詞 自動化系統(tǒng)；雷電防護；設(shè)備損壞

中圖分類號：TM862 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

隨著科技的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，自動化系統(tǒng)在工業(yè)、交通、通信等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。然而，雷電等自然災(zāi)害也給自動化系統(tǒng)帶來了不可忽視的威脅。雷電引發(fā)的電磁干擾和電壓浪涌可能導(dǎo)致系統(tǒng)的故障、數(shù)據(jù)丟失甚至損壞，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，如何保障自動化系統(tǒng)免受雷電災(zāi)害的影響，確保其安全穩(wěn)定運行，成為亟待解決的問題。

1 雷電引發(fā)的安全隱患

1.1 設(shè)備損壞和數(shù)據(jù)丟失

雷電所釋放的高能量放電可能會對自動化系統(tǒng)內(nèi)部的各種設(shè)備和電子元件造成直接的物理損壞。這種損壞可能導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，生產(chǎn)流程或其他關(guān)鍵業(yè)務(wù)中斷。與此同時，由雷電引發(fā)的電壓浪涌可能會引起系統(tǒng)內(nèi)部電壓的瞬時升高，超過設(shè)備的承受能力，從而引發(fā)嚴(yán)重的設(shè)備損壞。此外，雷電甚至可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲設(shè)備故障，造成關(guān)鍵數(shù)據(jù)的永久性丟失，這不僅會對生產(chǎn)運營造成威脅，還可能影響信息安全和業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

1.2 電磁干擾

雷電引發(fā)的電磁場輻射可能對自動化系統(tǒng)內(nèi)部的電子設(shè)備和通信線路產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。這些干擾可能導(dǎo)致信號失真、通信中斷等，進而影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。尤其是在敏感的數(shù)據(jù)傳輸和控制過程中，電磁干擾可能使傳感器的讀數(shù)不準(zhǔn)確，執(zhí)行器的控制失靈，甚至造成數(shù)據(jù)傳輸中斷，從而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷和設(shè)備故障。

1.3 系統(tǒng)崩潰和停電

在雷電活動下，電力系統(tǒng)可能受到嚴(yán)重干擾，引發(fā)系統(tǒng)的突然崩潰，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中斷，設(shè)備突然停止運行或數(shù)據(jù)處理中斷。生產(chǎn)中斷可能造成生產(chǎn)線的癱瘓，導(dǎo)致生產(chǎn)計劃延誤[1]。此外，甚至還可能導(dǎo)致未保存的數(shù)據(jù)丟失，影響業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。

2 自動化系統(tǒng)的特點與需求

自動化系統(tǒng)在現(xiàn)代社會中廣泛應(yīng)用，其特點和需求決定了對雷電等自然災(zāi)害的高度關(guān)注和防護需求。

首先，自動化系統(tǒng)通常由大量的電子設(shè)備、傳感器、控制器等組成，這些設(shè)備在系統(tǒng)運行中扮演著關(guān)鍵角色。系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)傳輸對精確的電氣環(huán)境要求極高，而雷電引發(fā)的電磁干擾和電壓浪涌可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和數(shù)據(jù)丟失，從而影響系統(tǒng)的可靠性。

其次，自動化系統(tǒng)涉及多個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集、信號傳輸、控制指令等，這些環(huán)節(jié)的互相協(xié)調(diào)和高效運行是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。然而，雷電引發(fā)的故障可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤、通信中斷，甚至整個系統(tǒng)的崩潰，影響生產(chǎn)和運營的正常進行。

最后，自動化系統(tǒng)往往應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、交通管理、能源控制等關(guān)鍵領(lǐng)域，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響社會經(jīng)濟的正常運行。因此，保障自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和安全性至關(guān)重要，必須針對其特點和需求，制定合理的雷電防護策略，以減少雷電引發(fā)的風(fēng)險，確保系統(tǒng)的高效、可靠運行。

3 雷電防護措施

3.1 接地系統(tǒng)設(shè)計

接地系統(tǒng)設(shè)計是雷電防護的核心策略之一，旨在將雷電沖擊引導(dǎo)至地面，減輕對系統(tǒng)設(shè)備的影響[2]。其理論基礎(chǔ)在于利用地與大氣間的低電阻路徑，將雷電能量迅速傳導(dǎo)至地面，防止其對設(shè)備和人員造成危害。通過合理的接地系統(tǒng)設(shè)計，可確保設(shè)備的電位一致，減少電氣壓差，從而降低雷電引發(fā)的電磁感應(yīng)和電壓浪涌風(fēng)險。通過地下導(dǎo)體、接地網(wǎng)和接地棒等組成的接地系統(tǒng)，可提高自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，確保其在雷電環(huán)境下的可靠運行。具體可以通過以下方式實現(xiàn)：

第一，建立系統(tǒng)的整體接地網(wǎng)。通過將各個設(shè)備、部件以及金屬結(jié)構(gòu)等連接至統(tǒng)一的接地網(wǎng)，確保整個系統(tǒng)具備良好的電氣連通性，使雷電能夠迅速流向地面，減小電壓差，降低雷擊風(fēng)險。

第二，考慮接地電阻的控制。接地電阻是判斷接地系統(tǒng)有效性的重要指標(biāo)，低接地電阻能夠更有效地分散雷電沖擊的能量。通過合適的導(dǎo)體截面積、深度以及接地電極的布置方式，可以降低接地電阻，提高接地系統(tǒng)的效率。

第三，應(yīng)用專業(yè)的接地材料和設(shè)備。選擇具有良好導(dǎo)電性能的材料，如銅、鋁等，以確保接地路徑的導(dǎo)電效果。與此同時，使用符合標(biāo)準(zhǔn)要求的接地裝置和接地線，確保接地系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

第四，考慮自動化系統(tǒng)所處環(huán)境。針對不同類型的自動化系統(tǒng)，需要考慮特定的環(huán)境因素。例如：在潮濕環(huán)境下，應(yīng)采取防止接地電阻增加的措施，以免影響接地效果。在高風(fēng)險的雷電頻發(fā)地區(qū)，可能需要加大接地裝置密度，以提高系統(tǒng)的防護能力。

第五，定期檢測和維護接地系統(tǒng)。通過定期測量接地電阻和導(dǎo)通性能，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施修復(fù)，以保障接地系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3.2 避雷器的應(yīng)用

作為雷電防護的重要裝置，避雷器在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用具有關(guān)鍵意義。其理論基礎(chǔ)在于利用其特殊結(jié)構(gòu)和材料，在雷電來臨時提供低阻抗通路，引導(dǎo)雷電放電流流入地面，從而保護系統(tǒng)免受過高電壓的侵害[2]。避雷器通過截斷過電壓，防止電壓超過設(shè)備耐受范圍，從而降低設(shè)備損壞和數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。合理設(shè)置避雷器，尤其是在系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備處，可有效消除雷電產(chǎn)生的潛在威脅，提升自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。以下是避雷器應(yīng)用的具體措施：

第一，合理選用避雷器類型。根據(jù)自動化系統(tǒng)的電壓等級和特點，選擇適當(dāng)?shù)谋芾灼黝愋?，如放電管、氣體放電管等。例如：針對高電壓系統(tǒng)，氣體放電管的響應(yīng)速度更快，適合對抗高能量的雷電沖擊。同時，確定避雷器的安裝位置。關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵回路以及電源輸入點是避雷器應(yīng)用的關(guān)鍵位置。通過在這些位置安裝避雷器，可以將過高的雷電電壓引導(dǎo)至避雷器，從而保護系統(tǒng)其他部分不受影響。

第二，定期檢測和維護避雷器。避雷器在經(jīng)歷雷擊或長時間使用后可能損壞或失效。定期檢測避雷器的電氣性能，必要時及時更換，以保障其持續(xù)的防護效果。

第三，考慮避雷器與其他防護措施的協(xié)同作用。作為防護的一部分，避雷器應(yīng)與其他措施相互補充，形成多層次的防護體系。例如：與電磁屏蔽結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，可以更有效地防護系統(tǒng)免受雷電的影響。

第四，根據(jù)系統(tǒng)的實際情況，靈活應(yīng)用避雷器。不同類型的自動化系統(tǒng)可能面臨不同的雷電風(fēng)險，因此，在避雷器的應(yīng)用上，需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整。避雷器的策略需要與其他防護措施相匹配，以達(dá)到最佳的雷電防護效果[3]。

3.3 電磁屏蔽措施

電磁屏蔽措施是防護自動化系統(tǒng)免受外部電磁干擾的重要手段。其理論基礎(chǔ)在于利用屏蔽材料和技術(shù)，將系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)鍵部件包裹在屏蔽層內(nèi)，阻擋外部電磁波的干擾。這種屏蔽可以有效減輕雷電電磁場對系統(tǒng)的影響，減少電磁輻射和電磁感應(yīng)，從而維護自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。具體分析如下：

第一，使用電磁屏蔽材料。在自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)域，使用具有良好屏蔽性能的材料，如金屬屏蔽罩、電磁屏蔽隔板等。這些材料可以有效地吸收或反射電磁輻射，減輕外部電磁干擾對系統(tǒng)的影響。

第二，設(shè)計合適的電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。合理布局電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，如金屬屏蔽隔間、電磁屏蔽圍護等，可以將系統(tǒng)關(guān)鍵部分與外界電磁場隔離，防止干擾的傳播。例如：針對敏感的數(shù)據(jù)傳輸線路，可以采用雙屏蔽結(jié)構(gòu)，內(nèi)層屏蔽隔絕外界干擾，外層屏蔽阻止內(nèi)部干擾泄漏。

第三，考慮屏蔽材料的選擇和厚度。不同材料和厚度對不同頻率的電磁輻射具有不同的屏蔽效果。根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率和電磁環(huán)境，選擇合適的屏蔽材料和厚度，以實現(xiàn)最佳的屏蔽效果。雖然電磁屏蔽可以減少外部電磁干擾，但不當(dāng)?shù)脑O(shè)計也可能影響內(nèi)部信號的傳輸。因此，在設(shè)計電磁屏蔽結(jié)構(gòu)時，需要考慮信號的引導(dǎo)、導(dǎo)通等因素，以確保不會引發(fā)新的問題[4]。

第四，定期檢測和維護電磁屏蔽措施。隨著時間的推移，屏蔽材料可能受損或老化，從而影響其屏蔽效果。定期檢測屏蔽結(jié)構(gòu)的效果，必要時更換受損材料，保障系統(tǒng)的電磁屏蔽性能。

3.4 系統(tǒng)布局優(yōu)化

系統(tǒng)布局優(yōu)化的理論基礎(chǔ)在于通過合理規(guī)劃、設(shè)計和安排系統(tǒng)內(nèi)部組件和連接，最小化雷電引發(fā)的電磁干擾和傳導(dǎo)路徑。優(yōu)化布局可通過縮短信號線路長度、避免交叉布線、隔離不同功能區(qū)域等方式，減少系統(tǒng)內(nèi)部電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)，從而提高系統(tǒng)的防雷能力。具體措施如下：

第一，分離敏感設(shè)備和雷電引發(fā)源。在系統(tǒng)布局時，將敏感的電子設(shè)備和雷電引發(fā)源盡可能分開。例如，在自動化生產(chǎn)線中，將控制系統(tǒng)和傳感器放置在遠(yuǎn)離高大建筑物或高聳物體的位置，以減少雷電引發(fā)的干擾。

第二，縮短信號線路和電纜長度。長的信號線路和電纜會增加電磁感應(yīng)的可能性，導(dǎo)致系統(tǒng)受到雷電引發(fā)的干擾。通過布局優(yōu)化，縮短信號傳輸?shù)木嚯x，可以減輕電磁干擾的影響，避免電磁波在系統(tǒng)內(nèi)部的傳播，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

第三，采用屏蔽和隔離措施。在系統(tǒng)布局中，考慮采用屏蔽隔板、金屬圍護等措施，將不同信號線路和設(shè)備隔離開，以減少信號的交叉干擾，有助于抑制雷電引發(fā)的電磁干擾的傳播。

第四，優(yōu)化電源線路的布置。電源線路可能成為雷電引發(fā)的傳導(dǎo)路徑，因此，需要合理布置電源線路，減少雷電沖擊傳導(dǎo)至系統(tǒng)的可能性。避免電源線路與信號線路交叉布置，從而減少互相干擾的機會。在設(shè)計系統(tǒng)布局優(yōu)化方案后，進行仿真和實驗驗證，評估優(yōu)化效果。根據(jù)實際情況調(diào)整布局，以達(dá)到最佳的雷電防護效果。

3.5 緊急停電保護

緊急停電保護是在雷電來襲時保障自動化系統(tǒng)安全的關(guān)鍵措施之一。其理論基礎(chǔ)在于在雷電預(yù)警或檢測到雷電時，迅速切斷系統(tǒng)與外部電力供應(yīng)的連接，避免雷電沖擊對設(shè)備造成損害。通過緊急停電，可以有效降低雷電沖擊傳導(dǎo)的可能性，保護設(shè)備免受電氣壓力過載的影響。此舉還能避免雷電引發(fā)的電氣火災(zāi)和其他潛在危險。合理設(shè)計緊急停電策略和流程，確保系統(tǒng)在雷電風(fēng)險時能迅速進入安全狀態(tài)，維護自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。以下是緊急停電保護的具體措施：

第一，建立快速響應(yīng)機制。在雷電活動即將發(fā)生或已經(jīng)檢測到雷電時，系統(tǒng)應(yīng)設(shè)立自動化的快速響應(yīng)機制。通過雷電探測系統(tǒng)實時監(jiān)測大氣電場變化，一旦檢測到雷電活動，系統(tǒng)能夠立即觸發(fā)緊急停電程序。

第二，設(shè)定緊急停電條件。根據(jù)系統(tǒng)的特點和需求，設(shè)定合適的緊急停電條件，例如：大氣電場強度超過一定閾值、雷電頻率達(dá)到預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)等。

第三，實施緊急停電程序。一旦觸發(fā)緊急停電條件，系統(tǒng)應(yīng)自動切斷與外部電力供應(yīng)的連接，將系統(tǒng)從電力網(wǎng)絡(luò)中隔離，以防止雷電沖擊傳導(dǎo)至設(shè)備。同時，將系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備置于安全狀態(tài)，避免因雷電引發(fā)的電壓浪涌對設(shè)備造成損害。

第四，設(shè)計合適的恢復(fù)機制。在雷電活動過后，需要相應(yīng)的恢復(fù)機制，以確保系統(tǒng)能夠迅速恢復(fù)正常運行。這可能涉及重新啟動設(shè)備、檢測設(shè)備狀態(tài)以及恢復(fù)數(shù)據(jù)等。

第五，定期測試和演練。緊急停電保護措施必須定期進行測試和演練，以確保系統(tǒng)能夠在實際雷電情況下有效運行。通過演練暴露潛在問題并進行改進，以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度、提高其準(zhǔn)確性。

3.6 電氣隔離

作為雷電防護的關(guān)鍵手段之一，電氣隔離依靠隔離元件有效分隔不同電路或設(shè)備，縮短雷電傳導(dǎo)路徑。其理論基礎(chǔ)在于通過隔離器件，如繼電器、光電隔離器等，阻斷雷電電流或電壓的傳遞，從而避免其對其他電路的侵害。電氣隔離不僅可以減少雷電引發(fā)的電磁干擾，還可以降低雷電沖擊對系統(tǒng)設(shè)備和數(shù)據(jù)的風(fēng)險。適當(dāng)?shù)碾姎飧綦x設(shè)計可提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，確保自動化系統(tǒng)在雷電環(huán)境中的正常運行。相應(yīng)的措施如下：

第一，確定隔離的區(qū)域和范圍。根據(jù)自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，確定需要進行電氣隔離的區(qū)域和范圍。例如：在雷電頻發(fā)的區(qū)域，可以對關(guān)鍵設(shè)備和電路進行電氣隔離，以避免雷電傳導(dǎo)。

第二，選擇合適的隔離技術(shù)。根據(jù)系統(tǒng)的需求和特點，選擇適合的隔離技術(shù)，如光電隔離、繼電器隔離等。例如：針對需要傳輸信號的線路，可以采用光電隔離，將信號以光信號形式傳輸，實現(xiàn)電氣隔離。

第三，合理選擇隔離元件。在設(shè)計和實施電氣隔離措施時，確保隔離裝置的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過合理選擇隔離元件，考慮其耐壓能力和工作環(huán)境，以確保隔離裝置能夠長期穩(wěn)定運行。

第四，檢測和驗證隔離效果。通過測量隔離后的電壓、信號傳輸情況等，確保隔離措施達(dá)到預(yù)期效果，降低雷電傳導(dǎo)的風(fēng)險。雖然電氣隔離可以減少雷電傳導(dǎo)，但也可能影響信號傳輸、通信等系統(tǒng)功能。在實施電氣隔離前，還需要綜合考慮隔離措施可能帶來的影響，做出合理的決策。

3.7 監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)

建立監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)是自動化系統(tǒng)雷電防護的重要措施，通過實時監(jiān)測雷電活動，提前感知雷電風(fēng)險，從而采取及時的防護措施。其理論基礎(chǔ)在于使用先進的雷電監(jiān)測技術(shù)，如大氣電場傳感器、閃電定位系統(tǒng)等，實時獲取雷電信息。預(yù)警機制能夠在檢測到雷電威脅時自動觸發(fā)，通過聲光信號或信息推送，通知系統(tǒng)操作員采取防護措施。

第一，選擇合適的監(jiān)測技術(shù)。根據(jù)自動化系統(tǒng)的特點和所處環(huán)境，選擇適合的雷電監(jiān)測技術(shù)，如大氣電場傳感器、閃電定位系統(tǒng)等。通過大氣電場傳感器實時監(jiān)測大氣電場變化，及時察覺雷電活動。

第二，建立預(yù)警機制。在監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)置預(yù)警機制，當(dāng)監(jiān)測到雷電活動或電場變化超過預(yù)定閾值時，系統(tǒng)能夠自動觸發(fā)預(yù)警信號，通過聲音、光線、信息推送等形式，提醒系統(tǒng)操作員及時采取防護措施。

第三，建立聯(lián)動響應(yīng)機制。監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)與其他防護措施相聯(lián)動，實現(xiàn)自動化響應(yīng)。例如：在監(jiān)測到雷電預(yù)警信號后，系統(tǒng)可以自動啟動緊急停電保護措施，保證設(shè)備的安全。

第四，提高遠(yuǎn)程監(jiān)測能力。針對分布式的自動化系統(tǒng)，可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警，幫助系統(tǒng)管理員能夠隨時隨地監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，及時采取措施。監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)還需要定期檢測其性能，確保傳感器和預(yù)警機制正常工作。

4 結(jié)束語

針對自動化系統(tǒng)在雷電環(huán)境下面臨的安全隱患，從接地系統(tǒng)設(shè)計、避雷器應(yīng)用、電磁屏蔽措施等角度提出了綜合的雷電防護措施。通過案例分析，詳細(xì)闡述了這些措施的實際應(yīng)用價值，為相關(guān)從業(yè)人員和工程項目提供有益的參考，保障自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

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Lightning Protection Measures for Automation Systems

Bao Ling-wu （Hulunbuir Meteorological Bureau， Inner Mongolia， Hulunbuir， Inner Mongolia 021008）

Abstract Currently， the issue of lightning protection is becoming increasingly prominent. Taking automation systems as the research object， a series of comprehensive lightning protection measures have been proposed to address the safety hazards caused by lightning and the need to ensure the stable operation of automation systems. Taking typical cases as examples， various protective measures were elaborated and analyzed in detail， aiming to provide valuable references for relevant practitioners and engineering projects.

Key words Automation system; Lightning protection; Equipment damage