感應(yīng)雷擊電子衡器的故障研究與預(yù)防

李春龍

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院東莞分院，廣東 東莞 523120）

1 引 言

雷電是因強(qiáng)對(duì)流氣候而形成的雷雨云層之間或者云層與大地之間強(qiáng)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(yīng)雷擊兩大類。直擊雷擊是雷雨云對(duì)大地建筑物的放電現(xiàn)象；而感應(yīng)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(shí)，在放電通道周圍產(chǎn)生的電磁感應(yīng)或者雷云電場的靜電感應(yīng)，使得建筑物上的金屬管道、鋼筋以及由室外進(jìn)入室內(nèi)的電源線、信號(hào)線路等感應(yīng)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(shè)備。通過對(duì)雷擊事故分析的結(jié)果可以得出一個(gè)結(jié)論，雷電造成的電子設(shè)備的損壞中90%以上是感應(yīng)雷擊造成的。

目前，各種大型電氣設(shè)備和高大建筑物都設(shè)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(yīng)雷擊的效果確很一般。近年來由于感應(yīng)雷擊造成電子設(shè)備故障和損壞的情況也比較多，因此由感應(yīng)雷擊致使電子衡器設(shè)備損害更應(yīng)高度警惕[1]。雖然防雷擊是一個(gè)老話題，但對(duì)衡器行業(yè)來講，卻是一個(gè)需要討論的新課題，因?yàn)楹馄髡幵谌嫦螂娮有畔⒕W(wǎng)絡(luò)化改造過程中，其中還存在大量的有待改進(jìn)和完善的工作。

2 防止感應(yīng)雷擊的理論方法

2.1 對(duì)傳感器、二次儀表等電子設(shè)備部件作等電位防雷保護(hù)

等電位保護(hù)是電子衡器系統(tǒng)雷電保護(hù)系統(tǒng)的核心和根本[2]。雷擊時(shí)，在強(qiáng)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(duì)地可產(chǎn)生幾萬甚至幾十萬伏的高電位，此電位對(duì)電子衡器的各個(gè)部分甚至整體系統(tǒng)都是毀滅性的。對(duì)整體衡器系統(tǒng)的各部位（傳感器、儀表和計(jì)算機(jī)）的各種接口均做相應(yīng)的等電位保護(hù)，使整體衡器系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(duì)電子衡器造成的破壞。

2.2 切斷傳感器與秤臺(tái)的電氣連接

只做等電位保護(hù)還不夠，還必須切斷傳感器與秤臺(tái)的電氣連接。由于傳感器彈性體與秤臺(tái)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(yīng)的高電壓會(huì)將傳感器的應(yīng)變片和其后的相應(yīng)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(dāng)有雷電流時(shí)，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(yīng)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(jí)防雷保護(hù)

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(jí)防雷保護(hù)，第一級(jí)電源防雷模塊安裝在系統(tǒng)供電開關(guān)后，第二級(jí)電源防雷模塊安裝在穩(wěn)壓電源前，第三級(jí)電源防雷模塊安裝在設(shè)備前，此外三級(jí)防雷保護(hù)做到共地，并與秤體共地，做到等電位。在進(jìn)入操作室的電源線路、信號(hào)線路特別是重要設(shè)備的前端按規(guī)范逐級(jí)加裝浪涌保護(hù)器，將感應(yīng)到電源線、天饋線以及信號(hào)線的雷電流泄放到大地，并將雷電以及浪涌鉗位到設(shè)備能承受的范圍，從而保護(hù)電子設(shè)備不被雷電感應(yīng)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(hù)的對(duì)象包圍起來，把閃電以及強(qiáng)干擾的電磁波在空間的入侵通道全部阻斷，以保護(hù)電子設(shè)備安全。金屬屏蔽網(wǎng)應(yīng)與等電位接地端子進(jìn)行可靠連接。所謂隔離，就是讓敏感的電子信息設(shè)備盡可能避開或遠(yuǎn)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(hù)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(yīng)以接入設(shè)備中最小值確定。這樣，整體衡器系統(tǒng)只有一個(gè)基礎(chǔ)電位，當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，此電位就會(huì)隨著接地點(diǎn)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(shè)，并保持一定間距，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50311規(guī)范的規(guī)定。

3 實(shí)例分析和具體實(shí)施方案

為了能有的放矢地制定出切實(shí)可行的防雷措施，特別是防感應(yīng)雷擊對(duì)電子衡器造成的損害，對(duì)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(jì)，得到如下數(shù)據(jù)：

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

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

（3）兩臺(tái)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(jī)接口電路(74HC244)損壞。

（4）一臺(tái)電子汽車衡儀表到打印機(jī)接口電路（74HC245）損壞。

（5）一臺(tái)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(tái)主機(jī)和兩臺(tái)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?yàn)榉Q重傳感器都接有可靠的大電流回路保護(hù)線，稱重傳感器的上、下短路接地，整個(gè)稱重傳感器形成對(duì)地等電位狀態(tài)。加之又采用了防浪涌接線盒，實(shí)質(zhì)上就是PCB板上焊有防浪涌及防感應(yīng)雷的保護(hù)元器件，在供橋電壓和信號(hào)輸出端各并聯(lián)一只TVS管，如P6KE18CA，適當(dāng)?shù)靥岣吡朔览讚裟芰Α?/p>

（2）稱重儀表和計(jì)算機(jī)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(yīng)浪涌電壓的入侵途徑除了電源，主要是通過信號(hào)線竄進(jìn)設(shè)備內(nèi)部，隔離、接口芯片當(dāng)然首當(dāng)其沖，遭其擊穿破壞。

（3）計(jì)算機(jī)主機(jī)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(jī)，只要電源插頭插在插座上，因?yàn)殡娫撮_關(guān)的動(dòng)、靜觸點(diǎn)分離時(shí)的間隙只有2mm左右，瞬時(shí)雷電感應(yīng)浪涌電壓的火花閃絡(luò)足以進(jìn)入，使其電源電路中的整流元件、濾波電容受到感應(yīng)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(duì)“進(jìn)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(biāo)定，因而維修相對(duì)順利。

鑒于以上情況，為了進(jìn)一步降低雷擊傷害，參照計(jì)算機(jī)房防雷設(shè)施，擬定并協(xié)助用戶單位實(shí)施了電子衡器房防止雷擊的預(yù)防方案，主要針對(duì)防止雷電感應(yīng)電壓從電源線竄入，特別注意到防止從信號(hào)線入侵。

其接線框圖如圖1所示，方案具體安裝實(shí)施的特點(diǎn)如下：

（1）將三相四線制電源在進(jìn)戶處把零線做重復(fù)接地，其接地電阻小于4Ω，并將地線同時(shí)引入戶內(nèi)，形成三相五線制供電。這樣地線既作接地保護(hù)用，又可預(yù)防共用零線斷路時(shí)三相負(fù)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(fù)接地后引入戶內(nèi)）。

（2）在室內(nèi)配電箱中，對(duì)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(hù)之用。據(jù)實(shí)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(hù)的壓敏電阻。當(dāng)遇到雷擊感應(yīng)浪涌高電壓竄入時(shí)，達(dá)到壓敏電阻的動(dòng)作值，壓敏電阻會(huì)立即由高阻轉(zhuǎn)為導(dǎo)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(hù)。

（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(shí)用電路如圖2。L1、L2是用φ0.5～1.0mm的高強(qiáng)漆包線在同一磁環(huán)的兩側(cè)各繞6～8匝。

（4）信號(hào)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(shí)質(zhì)就是一個(gè)過壓保護(hù)元件如壓敏電阻（YM471）或TVS管。

按照?qǐng)D1方案實(shí)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(qiáng)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(yù)防措施是行之有效的。

另外，介紹電子衡器不同于機(jī)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(qiáng)防雷電意識(shí)。建議企業(yè)各衡器房所，在雷雨季節(jié)，當(dāng)不稱量下班時(shí)，盡可能注意，把稱重系統(tǒng)設(shè)備的電源插頭拔掉，以阻斷感應(yīng)雷擊由電源線竄入。

平時(shí)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(dá)到不大于4Ω的要求，否則要及時(shí)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(gè)性能先進(jìn)的綜合復(fù)雜的雷電保護(hù)系統(tǒng)，對(duì)受保護(hù)的電子衡器系統(tǒng)不做任何改動(dòng)，不影響衡器的計(jì)量性能。當(dāng)有雷電襲擊時(shí)不用停電，電子衡器仍能夠正常計(jì)量。

[1] 唐文炳.電子衡器使用與維修[M].北京：中國計(jì)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(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖安全防護(hù)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)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(jì)量出版社，1991.

[5]GB/T 17626.5-1999，電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)收規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[8]劉 強(qiáng)，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.