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如何保护医院实验室精密仪器设备的“玻璃心”免受雷电浪涌的侵害

2022-11-23 21:11:55 1973

摘要:在科学技术快速变革的今天,智能家居、智慧城市、智能交通、智能医疗等智能化产品及服务越来越普及,在万物互联时代,这些方便我们衣食住行产品的诞生,离不开科研人员在实验室的大量研究。现代科研实验室,尤其随着近年来我国高等教育的迅速发展,实验设备添...

在科学技术快速变革的今天,智能家居、智慧城市、智能交通、智能医疗等智能化产品及服务越来越普及,在万物互联时代,这些方便我们衣食住行产品的诞生,离不开科研人员在实验室的大量研究。现代科研实验室,尤其随着近年来我国高等教育的迅速发展,实验设备添置与更新频繁。实验室的大多数精密仪器都采用超大规模集成电路,高速高效低耗,然而,精密仪器设备都有一颗“玻璃心”——耐过电压和过电流能力差,很容易遭受雷电浪涌的侵害,因此,对实验室的雷电防护便显得尤为重要。



直击雷和感应雷是实验室雷电灾害的两种主要形式。直击雷是带电云层(雷云)与建筑物、其他物体、大地或防雷装置之间发生的迅猛放电现象,并由此伴随而产生的电效应、热效应或机械力等一系列的破坏作用;感应雷则是由雷闪电流产生的强大电磁场变化产生高电压引起闪击现象,对实验室内的电子设备威胁巨大。

实验室外部防雷主要措施

实验楼、实验室属于第二类防雷建筑物,在外部防雷措施上,主要以避雷针或避雷带、引下线和接地系统构成。


(1)避雷带设计:按照GB50057《建筑物防雷设计规范》中的相关规定,避雷带布设在实验室建筑物屋顶四周的女儿墙或坡顶屋的屋檐、屋脊上,组成不大于10m×10m或12m×8m的网格,若建筑物高度超过45m时,首先应沿屋顶周边敷设避雷带,设在外墙外表面或屋檐边垂直面上,也可设在外墙外表面或屋檐边垂直面外。

(2)引下线设计:实验楼引下线设置不应少于两根,并应沿建筑物四周均匀或对称布置,其间距不大于18m,每根引下线的冲击接地电阻不应大于10Ω,并做好防锈蚀措施。

(3)接地装置设计:实验楼防直击雷接地可以和防感应雷接地、电气设备接地等公用同一接地装置,接地线与建筑物内内墙壁里的预留钢筋连接,以达到共用接地的效果;当不共用时,两者间在地中的距离又超过2m时,需用地电位均衡器连接以防止地电位反击(地电位反击:建筑物外部防雷系统遭受直击雷,在接地电阻两端产生危险的过电压,此过电压由设备的接地线建筑物或附近其他建筑物的外部防雷系统引入设备,造成设备的损坏)。


实验室内部防雷举措

实践证明,外部防雷措施防直击雷是经济和有效的,但外部防雷措施对实验室里精密仪器设备的保护却显得无能为力,因为感应雷造成的过电压以及雷电波入侵过电压是破坏精密仪器设备的罪魁祸首。

在实验中,精密仪器设备容易招引感应雷的通道主要有:电源线路引入、信号线路引入、接地线路引入以及外壳端口遭遇直击雷形成的室内磁场。因此,实验室内部防雷不能简单依靠一两种先进的设备就可以完全抵御,需要采取逐级保护、综合防护的思路,将感应雷的危害降低到最低限度。


(1)电源系统防雷:由于雷击的能量十分巨大,需要通过逐级泄放的办法,根据国家标准GB50057-2019《建筑物防雷设计规范》及国际IEC有关标准,电源系统的防雷保护应为:在LPZ0-LPZ1交界处,电源总进线处安装Ⅰ级电源浪涌保护器(SPD);在LPZ1-LPZ2区交界处,电源分配电箱处安装Ⅱ级电源浪涌保护器;在LPZ2-LPZ3区交界处,重要用电设备处安装Ⅲ级电涌保护器产品。具体在实验室应用中,各实验室主楼配电箱应安装Ⅰ级电源浪涌保护器产品,其冲击放电电流不小于100kA,残压值不大于2.5KV;实验室各楼层电源配电箱的防雷器应具备40kA的通流容量;在设备前端增加的精细防雷器,要求有10kA以上的雷电通流容量。所有精密仪器设备的电源端口,还可安装防雷PDU电源插座进行进一步防护。


(2)数据线路信号防雷:精密仪器设备大多是由信号采集、传输、储存、检索、处理等多环节组成,鉴于系统环节多、接口多、线路长等原因,给雷电的耦合提供了条件。因此,在信号传输线路中安装信号浪涌保护器,用来保护后续设备,防止雷电波从信号线路涌入损伤设备。当无法获得220/380V 三相系统各种设备的耐冲击过电压值时,可按IEC 60664-1 和GB 50057-2019的给定指标选用。


(3)等电位处理:小型实验室的铜编织带为S型敷设,而中、大型实验室的铜编织带为 M 型敷设且都必须闭合成环,铜编织带与其他设备必须是机械式连接,以防连接处氧化,致使接地阻值升高。

(4)设备位置的选择:现代实验室多为框架结构建筑物,框架中的钢筋网络就是雷电的放电通路,当遭受直击雷时,放电通路周围有很强的磁场,因此精密仪器设备应尽量远离放电通路放置。

通过以上各种方式对各系统的保护,可以组成一个从电源到信号完整的高效防雷保护网络,将雷电危害降低到最小程度,从而保证了实验室内精密仪器设备的正常运行。

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