仪器仪表的防雷设计探讨

黑龙江省完达山乳业股份有限公司 蔚艳霞

仪器仪表的防雷设计探讨

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仪器仪表主要是指用于检测、计量、观察、计算各类物质成分、物理量以及物性参数的设备或器具，如压力表、真空检漏仪、测长仪等都属于仪器仪表范畴。近些年来，随着仪器仪表朝着电子化、集成化的方向发展，大部分的仪器仪表采用的都是集成电路和微处理设备。由于集成电路的抗雷击能力比较弱，一旦遭遇雷击很容易使设备损坏，从而影响仪器仪表的正常运行，给企业生产带来不便。

一、雷击常见形式

目前，常见的雷击形式主要有以下3种：

1.直击雷。指雷云中的雷电荷会通过电气设备直接进入到地下，此时设备所承受的雷击就是直击雷。目前，对于直击雷的防护常采用安装避雷针或避雷带等方法，由于直击雷产生的电流较大，从而加大了直击雷防护的难度，想要有效且彻底的防护这种雷击形式是十分困难的。

2.雷电场感应雷。当雷云放电后，会使地面上的一些金属感应到雷电压，这部分电压在失去雷云的控制以后，便会对地放电。若地面金属的接地电阻小于5 Ω，便会受到这种形式的雷击。

3.雷电流感应雷。在雷云放电的过程中，会产生较大的雷电流，由于该电流的脉冲较强，故被感应的电压也相对较大。大部分弱电设备故障都是由这种形式的雷击造成的。

二、仪器仪表防雷器件的选择

1.火花放电管。常用的火花放电管主要有二级放电管和三级放电管两类。其优点是抗雷击能力强、无需进行特殊维护、极间电容较小；缺点是响应时间较长且残留电压较高。如果采用三级放电管，当其中一条导线的电极先放电时，由此所产生的电弧会在很短的时间内促使另一条导线电极随之放电，这样既能确保放电同步，又能保证回路中不会形成电位差。

2.瞬变抑制二极管。该防雷器件具体可分为单级和双极两类，其优点是残留电压较小，响应时间短，钳位电压比较准确；缺点是极间电容大且抗雷击能力相对较低。

3.压敏电阻。这种防雷器件最显著的特点就是抗雷击能力超强，并且响应时间也比较快。此外，压敏电压的范围较宽，不会形成续流。由于该器件的极间电容较大，致使其在高频电路中的使用受到一定的限制。

三、仪器仪表的具体防雷设计技术

1.外部防雷设计。这里所指的外部防雷设计就是要让仪器仪表设备处于电气专业防雷击的保护范围以内。如果仪器仪表安装的位置是在较为空旷的地域或是高处的话，必须加装金属保护箱，并且应将保护箱与现场的金属设施进行等电位连接，然后再接入防雷接地系统。

2.内部防雷设计。目前，仪器仪表设备的内部防雷主要有以下几种方法：

（1）等电位连接。由于电位差过大会造成仪器仪表损坏，而采取等电位连接就是为了确保在遭受雷击时不会因电位差过大而导致仪器仪表设备受损。可将仪器仪表所在工作现场的全部金属导体进行连接，以此来形成一个等电位体，然后再接入防雷接地系统当中，这样便可以使雷感电压达到均衡。

（2）屏蔽。由于雷击时会产生强大的电磁干扰，而屏蔽最主要的作用就是能够有效降低电磁干扰对仪器仪表设备的影响，常用的屏蔽方法有电磁屏蔽和静电屏蔽两种。对于在室外运行的仪器仪表设备应对其金属外壳或保护箱进行全封闭处理，电源线及通信线应采用带有金属屏蔽层的线缆，并且应将线缆穿于钢管内部后再敷设。

3.接地。其最终目的就是将雷电电流散布到大地当中，这是雷电泄放的一个主要渠道，也是仪器仪表防雷击最有效的途径之一。正确合理的接地能够充分发挥出防雷系统的最大功效。仪器仪表设备防雷接地系统应采用等电位的方式进行连接，它由接地连接系统和接地装置构成，其中接地装置可与电气专业共用。在具体设计过程中，应特别注意接地的连续性。如果现场采用接线箱，那么必须将外层屏蔽连接到接线箱内，并与箱体进行连接，接线箱应就近进行可靠接地。同时，电缆穿线钢管除必须按照规定要求进行接地外，还应进行多点重复接地，以利于雷电流的泄放。

4.合理化的布线设计。受电磁感应影响，仪器仪表的信号线和电源在遭受雷击的过程中极易产生感应过电压。合理进行布线设计，为导线上的感应电压提供合适的导流途径，就可以降低雷电流对设备的影响。接地导线和各类电缆要科学敷设，必须使仪器仪表配线远离避雷引下线和接地引下线，禁止与其平行敷设。

5.浪涌防护器。通常，微电子设备的电路极限电压在几十伏的范围内，易受到感应雷袭击；这不仅会导致设备的电稳定性下降、电路漂移加大、热稳定性受损，还会使设备抗击下一次冲击的能力减弱，缩短仪器仪表的使用寿命，严重的会使设备部分功能丧失，发生开路或短路现象。使用浪涌防护器，可以实现浪涌电流分走，对瞬态过电压进行限制，进而将由内部感应和外部侵入感应的过电压波隔离在设备之外，降低压敏元件所输出的残压，将电压水平控制在限定的范围内，以此确保微电子设备的使用安全。