王銘澤

[關鍵詞]雷電;危害;電子汽車衡

近年來,隨著電子汽車衡在各行各業的普及應用,以及集成電路對電壓和電流脈沖的敏感程度越來越高,雷電對電子汽車衡的侵害也日益頻繁,影響了企業的正常稱重計量。根據雷電的破壞性和特點,可將雷電分為直擊雷和感應雷。直擊雷瞬間電流達數十萬安培,所產生的電效應和熱效應能導致火災,熔化物體;感應雷亦稱二次雷擊比直擊雷成災率更高,間接損失更大,是20世紀80年代以來雷電災害最顯著的特征,也是雷電防御技術迫切需要解決的難題。以下針對各自的特點,談談防雷措施。

一、直擊雷的預防

由于電子汽車衡多處空曠地帶,周圍少有高層建筑物,或不處在高層建筑物的防雷系統的保護范圍內,這就有可能與空中帶電云團之間產生放電,產生直接雷擊。為此,在易產生雷電干擾破壞的地區必須采取可靠的防雷措施,以免造成雷擊破壞。我們可根據具體地點,按規范合理設置避雷針,以尖端放電效應中和云團中的電荷,有效地保護電子稱重系統,避免遭受直接雷擊。 直擊雷防雷設備的作用是接閃,即防止雷電直接擊中計量室以及接閃器保護范圍內的各種金屬管線和用電設備。對于在接閃器保護范圍外的各種金屬導線以及由直擊雷所產生的感應雷電是不能保護的。

二、感應雷的預防

當雷電放電路徑不經過防雷保護裝置時,放電過程中產生強大的瞬變電磁場在附近的導體中感應到強大的電磁脈沖,稱感應雷。感應雷可通過靜電感應、電磁感應兩種不同的感應方式侵入導體。

1.防靜電感應雷擊。雷雨時,空中的帶電云團同室外的秤臺之間雖然并沒有產生直接雷擊,但通過靜電耦合會使設備帶上與云團極性相反的電荷。當空中帶電云團與其它云團產生雷擊放電,突然消失時,為疏散聚集在秤臺頂部的大量電荷,就會產生很大的回流電流。一臺電子汽車衡一般有6 至 10 個支承點與傳感器連接,當靜電感應雷擊造成大電流回流時,上述承載點就是回流通道的不良環節,就會在電路中形成靜電感應。為此,必須在傳感器的上、下端(如橋式稱重傳感器)或左、右端(如懸臂梁式稱重傳感器)設置大電流旁路電纜,即采用一根多股編織銅線跨接,使整個傳感器形成對地等電位狀態,基礎板與承重臺連接為一個等勢體,可以防止意外電流從傳感器上經過而造成傳感器損壞。這樣,秤臺與電子汽車衡接地網之間有了大電流回流通道,當靜電感應時,可以從大地補充電子,使其中和,不致因設備產生高電位后不能快速疏散。

2.防電磁感應雷擊。近年來,電子汽車衡除了受到直擊雷的危害外,更多是雷電的電磁效應所產生的對精密電子設備具有破壞性質的電涌電流。

(1)電涌的產生及危害。電涌是微秒量級的異常大的電流脈沖,其波動時間一般在 0.25～20μS,其單位能量一般在 2.5～10MJ/Ω,它可使電子設備受到瞬間過電壓而遭破壞。而雷電是導致電涌的最明顯的原因,當空中雷擊時,帶異性電荷云團間產生強烈放電,會產生幅值大和上升沿很陡的電磁場,這種高強度的瞬變電磁場會使在電磁場所涉及的導體上產生很大的感應電動勢,從而使稱重儀表、計算機主機和顯示器的元器件損壞。因此,雷電通過擊中電源線、信號線和雷電的電磁脈沖的影響所產生的電涌,可以使計算機、儀器儀表等電子設備受到瞬間過電壓而遭到破壞。另外,大型電機設備、電梯、發電機、空調、制冷設備等也會引發電涌。UPS 也可能被電涌摧毀。

(2)電涌防護原理。在電涌的防護當中,電涌保護器的使用已日趨頻繁;電涌防護器(SPD,SurgeprotectionDevice),是至少應包含一個非線性電壓限制元件,用于限制暫態過電壓和分流浪涌電流的裝置。電涌不能被阻止,因為它包含的能量太強。正是由于這種原因,保護敏感電氣設備免受電涌損壞的策略是把電涌從設備分流。

(3)電涌防護方案。雷電的感應浪涌電壓的入侵途徑除了進線電源外,主要是通過信號線竄入設備內部,致使稱重儀表、計算機的接口電路損壞,因此,應高度重視對電涌的防范,切不可抱有僥幸心理。為了進一步降低電涌的傷害,我們擬訂了以下預防方案。

一是合理布線和屏蔽。進入磅房的低壓電力電纜宜埋地引入,采用具有金屬鎧裝屏蔽層的電纜,且屏蔽層兩端接地,以最大限度地衰減從各種導線引入的雷電高電壓。

二是等電位聯合接地,即防雷接地、保護接地、工作接地共同接到秤體接地網上,地網阻值要求在 4Ω以下。這種接地方式有效地降低了接地電阻,又可使設備之間的地電位相等。使整個衡器計量系統有一個共同的接地系統。

三是安裝電涌防護器。對電源系統的防雷應采取三級防雷系統,磅房內 220/380V 供電系統采用 TN-C-S 型式,由于磅房內電子設備相距很近,只需在電源入口下端安裝電源第一、二級復合防雷保護器,即在各相線與中性線之間安裝 FYS-0.22kV 型避雷器,實施配電系統的第一、二級防雷保護;在與計量系統有關的電源插座處,安裝電涌防護器用于電源的第三級防護。通過多級電源防雷設施,徹底泄放雷電過電流,限制過電壓,盡可能防止雷電通過電力線路竄入計量系統,損壞系統設備。 同時對計量室網絡連接采用 ADSL 專線接入的,為了避免通信電纜引入雷電的可能性,采用的技術是在電纜接入計量系統前先接入信號避雷器(信號 SPD),盡可能地降低雷電對系統設備的沖擊。

四是傳感器信號電纜的防雷保護。在整個稱重計量系統中,磅房到秤臺有一段較長距離的傳感器信號電纜。雷擊通過電磁感應途徑,可在線路上引入高電位,造成稱重儀表因雷擊損壞。各信號電纜特別是磅房到秤體的一段信號電纜的屏蔽層以及金屬穿線管應可靠接地,把閃電的電磁脈沖從空間入侵的通道全部阻斷,使得閃電無縫可鉆,以消除電磁感應雷擊的破壞。 所以,計量室的電涌過壓及電磁干擾的防護,是保證正常辦公、電氣設備及人身安全的重要技術手段,是確保電子設備運行和信息網絡正常運行不可缺少的技術環節。電涌防護在日常辦公和經營活動中的作用也變得越來越突出和重要。

由于雷電是不可預測的,加之雷電傷害的成因很復雜,所以沒有方法徹底消除它的影響。然而如把多種方法結合使用,就可有效降低雷電的侵害,防雷電的影響就可取得令人滿意的效果,因此必須建立完善、可靠的電子汽車衡的防雷接地系統,以保證整個電子稱重系統安全、可靠、穩定地運行。

(編輯/李舶)