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對(duì)電子設(shè)備防雷擊有關(guān)問(wèn)題的看法
摘要：本文闡述了雷擊模擬電子設(shè)備的機(jī)理，spd和類型和選擇時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：雷擊 雷電波形 spd
近年來(lái)，電子信息設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已深入各行各業(yè)，由于這類設(shè)備的工作電壓和耐沖擊電壓水平低，極易受到雷電電磁脈沖的危害，從而使雷電災(zāi)害由電力和建筑物這兩個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到幾乎所有行業(yè)，特別是通訊、信息技術(shù)數(shù)據(jù)中心，計(jì)算機(jī)中心以及微電子生產(chǎn)行業(yè)等由于雷電造成的危害尤為重要。另一方面，因?yàn)槔讚羰菣C(jī)率事件，這種影響尚未引起人們的注意，很多人認(rèn)為只要按照國(guó)家的建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范做好避雷針(帶)、引下線和接地裝置等建筑物內(nèi)外的防雷工作就“萬(wàn)事大吉”了。但實(shí)際上，當(dāng)雷擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，建筑物的外部防雷裝置確實(shí)有效地抵御了雷擊對(duì)建筑物的破壞，同時(shí)均勻的避雷引下線與建筑物接地的均壓環(huán)也起到法拉第網(wǎng)籠的作用，保證建筑物內(nèi)的人員不致因跨步電壓升高而導(dǎo)致觸電事故。
但這時(shí)當(dāng)雷電擊中建筑物防雷裝置或擊中附近其他建筑物的避雷針(帶)并由引下線導(dǎo)人大地時(shí)，瞬間內(nèi)在引下線自上而下的產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的變化磁場(chǎng)。處在這個(gè)電磁場(chǎng)作用下的導(dǎo)體，便會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生電壓，其數(shù)值也可達(dá)數(shù)十千伏，處在這個(gè)磁場(chǎng)作用范圍的電氣、信號(hào)、電源及它們的傳輸線路都因相對(duì)地切割了這個(gè)變化的磁場(chǎng)磁力線而產(chǎn)生出感應(yīng)高壓，從而將用電設(shè)備擊壞。如圖1所示，如果導(dǎo)體的形狀是開口環(huán)形感應(yīng)電壓，便會(huì)把幾厘米長(zhǎng)的空氣間隙a、b擊穿發(fā)生火花放電。如果導(dǎo)體是一個(gè)閉合回路，感應(yīng)電壓會(huì)造成一個(gè)電流通過(guò)，假如回路上有接觸不良的接點(diǎn)，這些地方就會(huì)局部發(fā)熱。再有，由于雷電沖擊波的能量集中在工頻附近幾十赫茲到幾百赫茲的低端，雷電沖擊波能量就容易與工頻回路發(fā)生耦合、諧振，于是雷電沖擊波從電源線路進(jìn)入電子設(shè)備的機(jī)率要比從信號(hào)線中進(jìn)入的機(jī)率要高很多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有8％的雷擊損壞電子設(shè)備的事故是由電源引入的，因此應(yīng)特別加強(qiáng)系統(tǒng)中設(shè)備電源的防雷措施。
l 雷擊電子設(shè)備的途徑及損壞機(jī)理
雷擊過(guò)電壓損壞設(shè)備可分為兩種情況，一種是受雷電直擊，另一種受感應(yīng)雷影響所致。據(jù)統(tǒng)計(jì)電子設(shè)備受雷電直擊而損壞的機(jī)率很小，而絕大多數(shù)損壞為感應(yīng)雷造成，雷電行波通過(guò)傳輸信息的電路線傳至電子設(shè)備使其某些電子元件受損。
還有一種情況值得重視的是電子設(shè)備附近的大地或其他設(shè)備的接地體，因受直擊雷引起的電位升高，會(huì)使電子設(shè)備造成反擊，使之對(duì)地絕緣擊穿。根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)電子設(shè)備的地線與電源設(shè)備的地線分開設(shè)置是減少這種雷電侵入途徑的有效措施之一。所以凡聯(lián)結(jié)有輸人或輸出線路的電子設(shè)備應(yīng)考慮以上三條侵入途徑。不論那種途徑侵入的雷擊過(guò)電壓加在電子設(shè)備上沖擊引起兩種過(guò)電壓，一種是：使平衡電路某點(diǎn)出現(xiàn)超過(guò)允許的對(duì)地過(guò)電壓，稱為縱向過(guò)電壓，地電位上升引起的反擊也屬于從地系統(tǒng)侵入的縱向過(guò)電壓；另一種是平衡電路線間或不平衡電路線對(duì)地出現(xiàn)的過(guò)電壓稱為橫向過(guò)電壓。使用對(duì)稱傳輸線的設(shè)備，橫向過(guò)電壓是因線路兩線間存在不同的縱向過(guò)電壓；或因縱向防護(hù)元件放電性能的分散性(如動(dòng)作時(shí)間有快慢的差別)是造成橫向過(guò)電壓的原因，如果在平衡線路上的兩個(gè)縱向防護(hù)元件，其中一路故障或失效這就造成了橫向過(guò)電壓的極限情況。對(duì)不平衡電路如對(duì)連接同軸電纜的電子設(shè)備其縱向過(guò)電壓即橫向過(guò)電壓。雷電沖擊過(guò)電壓可導(dǎo)致絕緣擊穿，也可產(chǎn)生過(guò)電流。進(jìn)行縱向雷擊試驗(yàn)的目的，在于檢驗(yàn)設(shè)備在縱向過(guò)電壓下元器件對(duì)地的絕緣。橫向雷擊試驗(yàn)則是檢驗(yàn)兩線間出現(xiàn)沖擊過(guò)電壓時(shí)設(shè)備耐受沖擊的能力。
在電子設(shè)備中，易受雷擊過(guò)電壓損壞的元部件，大多數(shù)是靠近設(shè)備的入口端，如縱向過(guò)電壓會(huì)擊穿線路和設(shè)備間起匹配作用的變壓器匝間、層間、或線對(duì)地絕緣等。橫向過(guò)電壓可隨信息同時(shí)傳至設(shè)備內(nèi)部，損壞設(shè)備內(nèi)的阻容元件及固體元件。設(shè)備中元器件受損的程度，取決于元器件絕緣水平，即耐受沖擊的強(qiáng)度，對(duì)具有白復(fù)能力的絕緣，擊穿只是暫時(shí)的，一旦過(guò)壓消失，即可恢復(fù)。有些非自復(fù)性的絕緣介質(zhì)，沖擊時(shí)只有小電流流過(guò)，一次沖擊不會(huì)立即中斷設(shè)備，但經(jīng)過(guò)多次沖擊，隨著多次沖擊的累積可能會(huì)使元件逐漸受損最終導(dǎo)致毀壞，這就是為什么在試驗(yàn)時(shí)要試驗(yàn)沖擊次數(shù)，極性和間隔的原因所在。
電子元件受雷擊損壞的情況，概括起來(lái)不外下列三種：(1)受過(guò)電壓損壞的，如電容器、變壓器及電子元件的反向耐壓。(2)受過(guò)電壓沖擊能量損壞的，如二極管pn結(jié)正向損壞，沖擊危險(xiǎn)程度在于流過(guò)元器件的過(guò)電流大小和持續(xù)時(shí)間，即能量大小。(3)易受沖擊功率損壞的，對(duì)元件的危害決定于沖擊電壓峰值和由此而產(chǎn)生的過(guò)電流。
2 雷電波形
有關(guān)雷電沖擊波的描述是用波形參數(shù)說(shuō)明，它有峰值波前時(shí)間和下降半峰值時(shí)間。如圖2所示。觀測(cè)的數(shù)據(jù)和波形均具有統(tǒng)計(jì)特．硅，服從某種分布規(guī)律，從而統(tǒng)計(jì)出雷電流幅值，波頭、波尾、陡度、能量等概率分布。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在對(duì)線路結(jié)構(gòu)上或進(jìn)人電子設(shè)備的雷電沖擊波形進(jìn)行了很多觀測(cè)工作，獲得了大量的觀測(cè)資料。
一些國(guó)家通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)表了很多測(cè)試結(jié)果。因觀測(cè)的地理環(huán)境和條件的不同。即使在同樣條件下，觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)也不盡相同。早先，有些國(guó)家觀測(cè)得到的幾百個(gè)波形中，對(duì)主放電波形的敘述，當(dāng)不區(qū)另別第一次放電或隨后各次閃電時(shí)，一般認(rèn)為雷電流在1—4微秒上升到幅值，然后在40一50微秒內(nèi)下降到幅值的一半。這就是所謂傳統(tǒng)的雷電流波形。正極性閃電的電流波形一般較負(fù)極性閃電的波形平坦一些，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，上升到幅值的時(shí)間約數(shù)十微秒，下降到半值時(shí)間約為數(shù)百微秒。
圖2雷擊參數(shù)定義
在對(duì)雷電的研究中，需要在千千萬(wàn)萬(wàn)的實(shí)波形中找出典型波形并轉(zhuǎn)化為用數(shù)學(xué)式表示曲線。比較流行的代表曲線有兩種：
1．波頭部分用兩個(gè)指數(shù)曲線之差表示，其公式為：
用這公式表示的波形如圖3a，當(dāng)i=0時(shí)，電流上升速度di/dt最大；而當(dāng)電流逐漸增大時(shí)，di/dt逐漸減��；到了i=im時(shí)，di/dt變?yōu)榱恪?/p>
2．波頭部分用余弦曲線表示其公式為：
用這公式表示的波形如圖3b，當(dāng)i=0時(shí)，di/dt=0；隨著電流上升，di/dt也上升；當(dāng)i=im/2時(shí)，di/dt到達(dá)最大值；然后di/dt減��；當(dāng)i=im時(shí)，di/dt降為零。
一般習(xí)慣于用兩個(gè)指數(shù)曲線之差的形式來(lái)表示雷電流波形，并且認(rèn)為這種表示方式和大多數(shù)實(shí)際測(cè)得的波形比較相似。但是經(jīng)過(guò)近年的觀測(cè)得到大多數(shù)的第一次主放電電流波形在其上升到幅值之前時(shí)比較緩慢，然后再轉(zhuǎn)入陡的部分，其波頭接近于用余弦來(lái)表示的波形。用余弦曲線表示時(shí)，因?yàn)槔纂娏髯畲蠖付瘸霈F(xiàn)在im/2處，以此進(jìn)行雷擊的電位計(jì)算時(shí)可以得到較高的結(jié)果而偏于可靠。但是，余弦曲線計(jì)算較為繁瑣，因而往往簡(jiǎn)化為直線，也就是用斜角波來(lái)表示，通過(guò)最大陡度和平均陡度的轉(zhuǎn)化，可以使采用斜角波的計(jì)算結(jié)果和采用余弦波的計(jì)算結(jié)果基本一致。
對(duì)于雷電流波形的各個(gè)量的標(biāo)志方法各國(guó)也不是統(tǒng)一的。典型的雷電流波形是以iec規(guī)定的如圖4所示，在幅值im 以前叫波頭部分，幅值im以后叫波尾部分。早先規(guī)定由o點(diǎn)到幅值的時(shí)間叫波頭長(zhǎng)度，由0點(diǎn)到波尾半幅值的時(shí)間叫全部波長(zhǎng)。但是在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，0點(diǎn)及幅值這兩點(diǎn)的時(shí)間很難精確測(cè)定的。為了避免測(cè)量中出現(xiàn)的含混，iec建議測(cè)量脈沖電流的實(shí)測(cè)值按下列方法定義：實(shí)效波頭時(shí)間t1：脈沖電流的實(shí)效波頭時(shí)間，是指脈沖電流在10％幅值及90~／6幅值兩個(gè)瞬間之間的間隔時(shí)間再乘以1．25倍(兩個(gè)瞬間點(diǎn)a和b見圖4（a)。實(shí)效半幅值時(shí)間t2：脈沖電流的實(shí)效半幅值時(shí)間t2，是指實(shí)效原點(diǎn)o-與波形下降到半幅值的瞬間之間的間隔時(shí)間。
測(cè)量脈沖電壓的方法與脈沖電流相似，所不同的只是選擇參考點(diǎn)a的方法不一樣。脈沖電壓的實(shí)效波頭時(shí)間t1是指從脈沖電壓在30~／6幅值及90~／6幅值兩瞬間之間的間隔時(shí)間乘以1．67倍。實(shí)效原點(diǎn)o。是指a點(diǎn)之前0.3t1的一點(diǎn)，如圖4b。一般以分式符號(hào)表示波頭時(shí)間及半值時(shí)間(又稱波尾)，例如1．5／40便是指波頭時(shí)間為1．5微秒，半值時(shí)間為40微秒的波形。通常將雷電流由零增長(zhǎng)到幅值這一部分稱為波頭，只有幾個(gè)微秒；電流值下降的部分稱為波尾，長(zhǎng)達(dá)數(shù)十微秒到幾百微秒。
在1995年的eic61312—1中的典型10／350us和8720us雷電流波形。10／35us波是直接雷的電流波形，其能量遠(yuǎn)大于8／20us波，用這種波型來(lái)確定接閃器的大小尺寸。8／20us波是感應(yīng)雷和傳導(dǎo)雷電的電流波形，用這種波形來(lái)檢驗(yàn)防雷器件耐雷擊能力的一種通用標(biāo)準(zhǔn)。它代表雷電電流經(jīng)過(guò)分流、衰減的電流波，又是線路靜電感應(yīng)電壓波和防雷導(dǎo)體通過(guò)雷電流時(shí)對(duì)其附近電氣導(dǎo)線的電磁感應(yīng)過(guò)電壓波。例如防雷的引下線，建筑物lpzi區(qū)及其內(nèi)部計(jì)算雷電流的波。
由于雷電參數(shù)值隨地理環(huán)境不同，傳輸線的結(jié)構(gòu)不同，關(guān)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的波形只是推薦，容許各國(guó)根據(jù)本國(guó)實(shí)際情況加以引用或制訂。由于我國(guó)尚無(wú)這方面的資料，故直接引用了iec和itu的推薦波形。對(duì)于架空明線的波形采用了我國(guó)郵電部門的觀測(cè)資料制訂。
建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范(gb50057-94)規(guī)定了防雷保護(hù)區(qū)的概念，便于設(shè)計(jì)者利用系統(tǒng)的層次分析各防雷保護(hù)區(qū)界面處的金屬導(dǎo)體等電位聯(lián)接和裝設(shè)過(guò)電壓保護(hù)器去分流和限壓的措施，使侵入波干擾信號(hào)不斷減少。這同我們過(guò)去的多道防雷的保護(hù)是一致的，在不同防雷保護(hù)區(qū)的界面上有不同層次的結(jié)合，就是要求注意各個(gè)介面處內(nèi)外系統(tǒng)的相互關(guān)系與相互作用，即要根據(jù)流過(guò)電壓保護(hù)器的電流波形，殘壓特性和大小，過(guò)電壓保護(hù)器的伏秒特性以及雷電流通過(guò)后產(chǎn)生的工頻續(xù)流大小等選擇過(guò)電壓保護(hù)器才是合理的。
3 防雷元件性能
防雷元件的沖擊特性與試驗(yàn)方法的關(guān)系甚為密切，它是規(guī)定防雷元件技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之一。但試驗(yàn)方法又與雷電波形有聯(lián)系。因?yàn)殡娮釉O(shè)備大都在一定的頻率范圍內(nèi)工作，不同頻率范圍的通路，對(duì)沖擊波有著不同的響應(yīng)。因此，對(duì)雷電沖擊波形進(jìn)行頻譜分析，無(wú)論對(duì)電子設(shè)備的防雷設(shè)計(jì)和試驗(yàn)都是有意義的。
防雷元件種類繁多，概括起來(lái)可分間隙式的(如放電間隙、閥型避雷器、放電管等)和非間隙式的(如壓繁電阻、齊納二極管)，再推廣一下像扼流線圈、電阻、電容……也可歸人這一類，從動(dòng)作時(shí)間來(lái)說(shuō)有快慢的區(qū)別。
使用在電涌保護(hù)器(spd)中幾類元件的有關(guān)參數(shù)，雖然有廠家產(chǎn)品說(shuō)明，但在選用時(shí)有的參數(shù)還須注意了解。例如放電管的伏秒特性：表征放電管點(diǎn)火電壓與時(shí)間的關(guān)系。它反映了各種不同上升速度的電壓波作用在放電管上其點(diǎn)火電壓和延遲時(shí)間的關(guān)系。由伏秒特性曲線可以判斷放電管的防護(hù)能力。放電管屬間隙式，有空氣間隙、氣體放電管等。再如氧化鋅壓敏電阻，是一種對(duì)電壓敏感的元件，是一種陶瓷非線性電阻器，有氧化鋅、氧化硅。這種元件，其電壓非線性系數(shù)高、容量大、殘壓低、漏電流小、無(wú)續(xù)流、伏安特性對(duì)稱、電壓范圍寬、響應(yīng)速度快、電壓溫度系數(shù)小等特點(diǎn)。并且有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛應(yīng)用的過(guò)電壓保護(hù)器件。適用于交流電壓浪涌吸收和各種線圈，接點(diǎn)間過(guò)電壓的吸收和滅弧，在電子器件過(guò)電壓保護(hù)中廣為應(yīng)用。在選用時(shí)關(guān)注的是通流容量；按規(guī)定的電流波形，在一定的試驗(yàn)條件下施加的沖擊電流值，壓敏電阻所能承受沖擊電流的能力。我國(guó)對(duì)壓敏電阻的考核一般以8／20us波形，在室溫條件下，間隔5分鐘單方向沖擊兩次后，5分鐘內(nèi)測(cè)試壓敏電阻的起始動(dòng)作電壓vlma值的變化率在百分之十以內(nèi)時(shí)，沖擊電流的最大幅值定為通流容量。壓敏電阻的殘壓(ljres)：壓敏電阻通過(guò)電流時(shí)，在其兩端的電壓降謂之殘壓。通常均以規(guī)定的波形，通過(guò)不同的電流幅值進(jìn)行殘壓測(cè)試。目前采用8／20us電流波形，以100a、1000a、3000a、5000a及該元件的滿通容量進(jìn)行殘壓試驗(yàn)。另外還有半導(dǎo)體浪涌抑制器件：如瞬間二極管，它是一種過(guò)箝壓器件，簡(jiǎn)單tks，利用大面積硅園錐p-n結(jié)的雪崩效應(yīng)實(shí)現(xiàn)過(guò)箝位，trs響應(yīng)速度快、漏電流小，是極佳的過(guò)電壓吸收器件。齊納二極管較為常用，其無(wú)極性，正反向具有相同的保護(hù)特性，但器件的工作電壓至少要為聯(lián)端的工作電壓三倍。其適用于交直流回路，常應(yīng)用于自動(dòng)化控制裝置的輸出回路，即繼電器線圈或電磁間線圈兩端并聯(lián)應(yīng)用。
以上各類間隙式，非間隙式和抑制式器件都是通過(guò)浪涌電壓產(chǎn)生非線性元件瞬時(shí)短路的方式實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。
4 對(duì)電子系統(tǒng)及電子設(shè)備的防雷看法
由于電子信息設(shè)備是集電腦技術(shù)與集成微電子技術(shù)的產(chǎn)品，它的信號(hào)電壓只有5~10伏，這種產(chǎn)品的電磁兼容能力較差，很容易感受脈沖過(guò)電壓的襲擊，它受雷擊的概率又比較高，受雷電損壞的可能性就大。但是，電子信息系統(tǒng)是由信號(hào)采集、傳輸、存儲(chǔ)、檢索等多環(huán)節(jié)組成。鑒于系統(tǒng)環(huán)節(jié)多、接口多、線路長(zhǎng)等原因，給雷電的耦合提供了條件。系統(tǒng)的電源進(jìn)線接口，信號(hào)輸入輸出接口，接口的線路較長(zhǎng)等是感應(yīng)脈沖過(guò)電壓容易侵人的原因，也是過(guò)電壓波侵入的主要通道。
基于以上原因。電子系統(tǒng)及電子設(shè)備的防雷保護(hù)重點(diǎn)是感應(yīng)雷。防雷的方法和措施，是按照現(xiàn)行的防雷規(guī)范規(guī)定的各個(gè)防雷分區(qū)的交界處安裝spd設(shè)備。將整個(gè)系統(tǒng)的雷電防護(hù)看成是一個(gè)系統(tǒng)工程，綜合考慮，全方位保護(hù)，力求將雷擊災(zāi)害降低到最低。為此，規(guī)范里闡述了三級(jí)網(wǎng)絡(luò)防雷概念。在線路上三級(jí)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)是逐步減少瞬態(tài)浪涌電流幅值的。最后一級(jí)將浪涌過(guò)電壓限制在設(shè)備能安全承受的范圍內(nèi)。一般元件可承受兩倍其額定電壓以上之瞬間電壓，約700v左右的峰值過(guò)電壓。700v的耐壓值在歐洲防雷方面被廣泛引用。當(dāng)然，浪涌電壓被限制得越低，則設(shè)備越安全。因此，我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)時(shí)分別將第一級(jí)spd盡量靠近建筑物的電源進(jìn)線處，第二、三級(jí)spd盡量靠近被保護(hù)設(shè)備。第一級(jí)過(guò)電壓限制在1．5-1．8kv，第二級(jí)將殘壓限制在0．9~1．2kv，第三級(jí)將殘壓限制在0．4~0．tkv。通過(guò)這三級(jí)限壓和對(duì)浪涌電流的泄放，最后加載到設(shè)備上的過(guò)電壓通常都不會(huì)對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生影響�，F(xiàn)在防雷防電磁脈沖的保護(hù)器件還比較貴，技術(shù)性能都有差別，有些防雷產(chǎn)品通過(guò)保險(xiǎn)只是為了促銷，設(shè)計(jì)者不能盲目地認(rèn)為是可靠的產(chǎn)品，而應(yīng)按防雷規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
參考文獻(xiàn)：
1《電子設(shè)備雷擊試驗(yàn)導(dǎo)則》編制說(shuō)明1982年5月。
2通信線路和通信設(shè)備的防雷手冊(cè)(ccitt資料)郵電設(shè)計(jì)院譯。
論文出處(作者):【對(duì)電子設(shè)備防雷擊問(wèn)題的看法】相關(guān)文章：
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