防雷案例

医疗电子设备防雷电及瞬态过电压浅析

为预防雷电及瞬态过电压对电子设备的危害，本文就瞬态过电压的起因，瞬态过电压和雷电在电子设备上引发的干扰、衰变、损坏和故障停机，损坏的物理途径，以及对雷电和瞬态过电压的防护等问题进行了介绍和分析。最后就瞬态过电压防护装置问题进行了讨论。[关键词]医疗设备；防雷电；防瞬态过电压随着医疗电子设备，特别是微电子设备和计算机设备在临床中的广泛应用，雷电及瞬态过电压的危害问题日益突出地摆在了人们的面前。因雷电(包括过电压)引发的设备故障、停用，甚至造成医疗事故时有发生，已成为医院和相关的医务工作者，维护技术人员无可回避的问题。雷电的活动或大型电气开关的动作都可能干扰电子设备的正常工作，两者均会在电子系统的电源总线、数据通信、信号等线路上引起电压瞬间的激增，如果激增的瞬态电压超过了电子设备中元器件的承受能力，就会造成破坏性的后果。所有的医疗电子设备(包括计算机、闭路电视设备、不问断电源、传感器和数据采集装置等)都存在着这种危险。人们往往对雷电防护工作不够重视，或者简单地认为防雷无非是安装防雷器件和降低地线接地电阻即万事大吉，而事实又往往无情地证明，这样的防护并不能达到预期的目的。

1 瞬态过电压的原理所谓“瞬态过电压”是指两个或两个以上的导体问测得的电压在很短的时间(几微秒～几毫秒)内的急剧增加OA几伏到几千伏)。1．1 瞬态过电压的起因瞬态过电压最主要的起因有两个：雷电和电气开关动作。雷电实际的放电电流可达几百kA的量级。对于装有防雷装置的建筑物，尽管雷击电流可按预定的方式泻人大地，但它将通过电感、电容和电阻的耦合产生瞬态过电压。电气开关动作引起的瞬态过电压是一种非常普遍的主要干扰源。电流通过导体时在其周围建立起一个磁场，当开关动作时，磁场的能量将急速释放，以转换或瞬态过电压的形式达到能量的耗散。导体愈长、电流愈大，就愈将加剧能量的储存和释放。这就是电机、变压器及其他大型电气设备等感性负载的开关动作时通常都会引起瞬态过电压的原因。1．2 瞬态过电压引发的问题无论是雷电或电气开关动作引起的瞬态过电压，都具有类似的作用效果：干扰、衰变、损坏和故障停机。(1)干扰尽管这种情况一般不会造成物理性的损坏，但会干扰数字或模拟电平，从而引起数据丢失，软件和数据损坏，电子计算机无法解释的退出服务、死机，以及过流开关的错误跳闸等诸如此类的麻烦情况。如我院急诊化验室就曾发生过AVL血气分析仪数据莫名丢失，计算机无端死机等情况多次。(2)衰变电子设备和电路系统长期暴露在较低等级的瞬态过电压下，使其工作寿命减少和发生故障的可能性增大。在用户不知晓的情况下，这种情况实际上更为糟糕。(3)损坏瞬态过电压过高将会造成部分电路板和I／O板的损坏。而一般的损坏从外表不易看出来，只有特别强烈的瞬态过电压才会烧毁电路板。(4)故障停机干扰、局部衰变、损坏都可能会导致设备或系统的故障。这将意味着：正在进行的检查或手术无法正常的进行，甚至引发医疗事故。1．3 瞬态过电压损坏的物理途径几乎所有的电子器件和电路遭瞬态过电压的损坏方式都是一样的，即两种主要的物理途径，发热和绝缘破坏；而两者都是因电源的“续流”所造成。目前医疗仪器设备大量使用集成电路芯片，其内部的正负偏置的半导体结、电阻、电容等在瞬态过电压的作用下，发热和绝缘破坏两种方式造成失效。在整流电源设备中，两个半导体结总是以桥臂的形式接在电源的两条线上，两个元件必须成对同时使用；若瞬态过电压将其中的一个击穿，就会引发后果严重的电源短路故障。如我院门诊化验室五分类血球计数仪由此多次造成整流桥堆烧坏。当然，在电子设备和电路系统中发生瞬态过电压影响及其影响程度主要取决于：瞬态过电压的强度和频度；设备及其电路对瞬态过电压的敏感度，如图1如示。

2 对雷电的防护许多不同的防护技术都可以用来降低雷电对电子系统的威胁，但和所有的可靠性措施一样，其潜在的效果是需要通过长时间的观察来评估的。这些防雷害措施包括：· 加强建筑物防雷系统；· 接地和屏蔽接地；· 合理选择设备摆放位置；· 合进选择电缆走线路径和电缆屏蔽；· 采用电缆。2．1 加强建筑物防雷除在建筑物顶部增设避雷针(网栅)防护外，在建筑物的外层增加接地导体，可以加强该建筑物的防雷性能。建筑物的外层接地导体愈多，其内部的电磁场就愈小，瞬态过电压侵入干扰电子设备的可能性也就愈小。这就是说，对于内部装有重要电子医疗设备的建筑物，可以采取在其外部增设接地导体的做法来增加防护。2．2 接地与连接所有的引入管线(水管、暖气管、电力和数据电缆的防护金属管等)都应当连接到一个单独的地参考点上。然后再将它与总地线端子(接地极)连接，这样可减少建筑物内的雷电流。如果电力或数据电缆需要在建筑物之间穿透的话，则它们的接地系统应该相互连接，以使所有设备有一个共同地参考点。2．3 设备摆放位置的选择电子设备的摆放位置不能靠近大电流和感应瞬态过电压威胁的地方。· 设备不能摆放在建筑物的顶层，因该处太靠近楼顶的避雷针和防雷系统的导体网。· 设备也不能太靠近建筑物的外墙，尤其是外墙拐角处，因雷电流将优先流经该处。· 设备的摆放位置也不能太靠近诸如天线、烟囱等高大建筑物。因为这些高大建筑物往往成为雷电流泄入大地的优选路径，而巨大的雷电流会形成强的干扰电磁场。2．4 电缆布线与屏蔽电力、数据通信和电话电缆在建筑物内同样也可能受到瞬态过电压的威胁。设备布线应尽可能避开类似于设在建筑物顶部或墙内的可能通过雷电流的导体。当电源线和数据线之间形成的环形面积较大时，从耦合感应的效果来说，它将会获得更多的雷电能量，因此应尽量避免。为减少环形面积，电源、数据通信和电话线等线路应彼此隔离地并排铺设。对电缆施行屏蔽是另一种十分有效的方法，它将有助于减少电缆受到电磁辐射或对外产生电磁辐射。通常电力电缆由金属管或电缆槽防护，数据电缆用外层金属编织带屏蔽防护。2．5 建筑物间的数据传输采用光缆对于建筑物之间的数据传输，采用光缆是最佳的防护方式，它将在建筑物之间实现电气上的彻底隔离，防止包括瞬态过电压在内的各种电磁干扰问题。3 装设瞬态过电压防护装置瞬态过电压防护装置可用于上述防护技术和方法的补充和支持。配置运用瞬态过电压防护装置的目的，就是在干扰源与需要防护的设备之间提供适当的瞬态过电压防护，以保护设备。重点的防护部位包括：· 电源的雷电防护；· 电源的开关瞬变防护；· 不间断电源(UPS)的防护；· 数据通信、电话线路的防护；· 重要仪器、设备的防护。选择瞬态过电压防护装置最重要的是所选择的器件必须满足以下要求：· 承受能力。它应能承受安装位置预计的最大瞬态过电压，由于雷电是多脉冲过程，所以它应能承受多次冲击。· 过压值的控制。防护装置应能将瞬态过电压控制在被防护设备的允许承受值以下。例如，某设备工作允许最高瞬态过电压值为700V，则其防护装置允许通过的瞬态过电压控制值应选择在700V以上，考虑适当的安全余量，则该防护装置的最高允许通过电压应低于600V。· 系统兼容性。防护装置不应妨碍和干扰被防护设备及其系统的正常工作。对具体设备(系统)的防护装置的选择应依据相关的标准、规范进行。值得强调的是，对防护装置的正确安装是十分重要的，因为这不仅是电气安全所必须的要求，而且不正确的安装将大大地降低防护装置的防护效果。因此，必须严格地按防护装置产品说明书进行安装。