對電子設備防雷擊有關問題的看法
摘要：本文闡述了雷擊模擬電子設備的機理，spd和類型和選擇時應注意的問題。關鍵詞：雷擊 雷電波形 spd
近年來，電子信息設備和計算機系統(tǒng)已深入各行各業(yè)，由于這類設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，從而使雷電災害由電力和建筑物這兩個傳統(tǒng)領域擴展到幾乎所有行業(yè)，特別是通訊、信息技術數(shù)據(jù)中心，計算機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，因為雷擊是機率事件，這種影響尚未引起人們的注意，很多人認為只要按照國家的建筑物防雷設計規(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“萬事大吉”了。但實際上，當雷擊現(xiàn)象發(fā)生時，建筑物的外部防雷裝置確實有效地抵御了雷擊對建筑物的破壞，同時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致觸電事故。
但這時當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)并由引下線導人大地時，瞬間內(nèi)在引下線自上而下的產(chǎn)生一個很強的變化磁場。處在這個電磁場作用下的導體，便會感應產(chǎn)生電壓，其數(shù)值也可達數(shù)十千伏，處在這個磁場作用范圍的電氣、信號、電源及它們的傳輸線路都因相對地切割了這個變化的磁場磁力線而產(chǎn)生出感應高壓，從而將用電設備擊壞。如圖1所示，如果導體的形狀是開口環(huán)形感應電壓，便會把幾厘米長的空氣間隙a、b擊穿發(fā)生火花放電。如果導體是一個閉合回路，感應電壓會造成一個電流通過，假如回路上有接觸不良的接點，這些地方就會局部發(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入電子設備的機率要比從信號線中進入的機率要高很多，據(jù)統(tǒng)計，約有8％的雷擊損壞電子設備的事故是由電源引入的，因此應特別加強系統(tǒng)中設備電源的防雷措施。
l 雷擊電子設備的途徑及損壞機理
雷擊過電壓損壞設備可分為兩種情況，一種是受雷電直擊，另一種受感應雷影響所致。據(jù)統(tǒng)計電子設備受雷電直擊而損壞的機率很小，而絕大多數(shù)損壞為感應雷造成，雷電行波通過傳輸信息的電路線傳至電子設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備附近的大地或其他設備的接地體，因受直擊雷引起的電位升高，會使電子設備造成反擊，使之對地絕緣擊穿。根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗電子設備的地線與電源設備的地線分開設置是減少這種雷電侵入途徑的有效措施之一。所以凡聯(lián)結有輸人或輸出線路的電子設備應考慮以上三條侵入途徑。不論那種途徑侵入的雷擊過電壓加在電子設備上沖擊引起兩種過電壓，一種是：使平衡電路某點出現(xiàn)超過允許的對地過電壓，稱為縱向過電壓，地電位上升引起的反擊也屬于從地系統(tǒng)侵入的縱向過電壓；另一種是平衡電路線間或不平衡電路線對地出現(xiàn)的過電壓稱為橫向過電壓。使用對稱傳輸線的設備，橫向過電壓是因線路兩線間存在不同的縱向過電壓；或因縱向防護元件放電性能的分散性(如動作時間有快慢的差別)是造成橫向過電壓的原因，如果在平衡線路上的兩個縱向防護元件，其中一路故障或失效這就造成了橫向過電壓的極限情況。對不平衡電路如對連接同軸電纜的電子設備其縱向過電壓即橫向過電壓。雷電沖擊過電壓可導致絕緣擊穿，也可產(chǎn)生過電流。進行縱向雷擊試驗的目的，在于檢驗設備在縱向過電壓下元器件對地的絕緣。橫向雷擊試驗則是檢驗兩線間出現(xiàn)沖擊過電壓時設備耐受沖擊的能力。
在電子設備中，易受雷擊過電壓損壞的元部件，大多數(shù)是靠近設備的入口端，如縱向過電壓會擊穿線路和設備間起匹配作用的變壓器匝間、層間、或線對地絕緣等。橫向過電壓可隨信息同時傳至設備內(nèi)部，損壞設備內(nèi)的阻容元件及固體元件。設備中元器件受損的程度，取決于元器件絕緣水平，即耐受沖擊的強度，對具有白復能力的絕緣，擊穿只是暫時的，一旦過壓消失，即可恢復。有些非自復性的絕緣介質(zhì)，沖擊時只有小電流流過，一次沖擊不會立即中斷設備，但經(jīng)過多次沖擊，隨著多次沖擊的累積可能會使元件逐漸受損最終導致毀壞，這就是為什么在試驗時要試驗沖擊次數(shù)，極性和間隔的原因所在。
電子元件受雷擊損壞的情況，概括起來不外下列三種：(1)受過電壓損壞的，如電容器、變壓器及電子元件的反向耐壓。(2)受過電壓沖擊能量損壞的，如二極管pn結正向損壞，沖擊危險程度在于流過元器件的過電流大小和持續(xù)時間，即能量大小。(3)易受沖擊功率損壞的，對元件的危害決定于沖擊電壓峰值和由此而產(chǎn)生的過電流。
2 雷電波形
有關雷電沖擊波的描述是用波形參數(shù)說明，它有峰值波前時間和下降半峰值時間。如圖2所示。觀測的數(shù)據(jù)和波形均具有統(tǒng)計特．硅，服從某種分布規(guī)律，從而統(tǒng)計出雷電流幅值，波頭、波尾、陡度、能量等概率分布。多年來，國內(nèi)外在對線路結構上或進人電子設備的雷電沖擊波形進行了很多觀測工作，獲得了大量的觀測資料。
一些國家通過現(xiàn)場觀測發(fā)表了很多測試結果。因觀測的地理環(huán)境和條件的不同。即使在同樣條件下，觀測得到的數(shù)據(jù)也不盡相同。早先，有些國家觀測得到的幾百個波形中，對主放電波形的敘述，當不區(qū)另別第一次放電或隨后各次閃電時，一般認為雷電流在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極性閃電的波形平坦一些，持續(xù)時間較長，上升到幅值的時間約數(shù)十微秒，下降到半值時間約為數(shù)百微秒。
圖2雷擊參數(shù)定義
在對雷電的研究中，需要在千千萬萬的實波形中找出典型波形并轉(zhuǎn)化為用數(shù)學式表示曲線。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i=0時，電流上升速度di/dt最大；而當電流逐漸增大時，di/dt逐漸減小；到了i=im時，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i=0時，di/dt=0；隨著電流上升，di/dt也上升；當i=im/2時，di/dt到達最大值；然后di/dt減小；當i=im時，di/dt降為零。
一般習慣于用兩個指數(shù)曲線之差的形式來表示雷電流波形，并且認為這種表示方式和大多數(shù)實際測得的波形比較相似。但是經(jīng)過近年的觀測得到大多數(shù)的第一次主放電電流波形在其上升到幅值之前時比較緩慢，然后再轉(zhuǎn)入陡的部分，其波頭接近于用余弦來表示的波形。用余弦曲線表示時，因為雷電流最大陡度出現(xiàn)在im/2處，以此進行雷擊的電位計算時可以得到較高的結果而偏于可靠。但是，余弦曲線計算較為繁瑣，因而往往簡化為直線，也就是用斜角波來表示，通過最大陡度和平均陡度的轉(zhuǎn)化，可以使采用斜角波的計算結果和采用余弦波的計算結果基本一致。
對于雷電流波形的各個量的標志方法各國也不是統(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點到幅值的時間叫波頭長度，由0點到波尾半幅值的時間叫全部波長。但是在實際測量中發(fā)現(xiàn)，0點及幅值這兩點的時間很難精確測定的。為了避免測量中出現(xiàn)的含混，iec建議測量脈沖電流的實測值按下列方法定義：實效波頭時間t1：脈沖電流的實效波頭時間，是指脈沖電流在10％幅值及90~／6幅值兩個瞬間之間的間隔時間再乘以1．25倍(兩個瞬間點a和b見圖4（a)。實效半幅值時間t2：脈沖電流的實效半幅值時間t2，是指實效原點o-與波形下降到半幅值的瞬間之間的間隔時間。
測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a的方法不一樣。脈沖電壓的實效波頭時間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間乘以1．67倍。實效原點o。是指a點之前0.3t1的一點，如圖4b。一般以分式符號表示波頭時間及半值時間(又稱波尾)，例如1．5／40便是指波頭時間為1．5微秒，半值時間為40微秒的波形。通常將雷電流由零增長到幅值這一部分稱為波頭，只有幾個微秒；電流值下降的部分稱為波尾，長達數(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，其能量遠大于8／20us波，用這種波型來確定接閃器的大小尺寸。8／20us波是感應雷和傳導雷電的電流波形，用這種波形來檢驗防雷器件耐雷擊能力的一種通用標準。它代表雷電電流經(jīng)過分流、衰減的電流波，又是線路靜電感應電壓波和防雷導體通過雷電流時對其附近電氣導線的電磁感應過電壓波。例如防雷的引下線，建筑物lpzi區(qū)及其內(nèi)部計算雷電流的波。
由于雷電參數(shù)值隨地理環(huán)境不同，傳輸線的結構不同，關于國際標準所規(guī)定的波形只是推薦，容許各國根據(jù)本國實際情況加以引用或制訂。由于我國尚無這方面的資料，故直接引用了iec和itu的推薦波形。對于架空明線的波形采用了我國郵電部門的觀測資料制訂。
建筑物防雷設計規(guī)范(gb50057-94)規(guī)定了防雷保護區(qū)的概念，便于設計者利用系統(tǒng)的層次分析各防雷保護區(qū)界面處的金屬導體等電位聯(lián)接和裝設過電壓保護器去分流和限壓的措施，使侵入波干擾信號不斷減少。這同我們過去的多道防雷的保護是一致的，在不同防雷保護區(qū)的界面上有不同層次的結合，就是要求注意各個介面處內(nèi)外系統(tǒng)的相互關系與相互作用，即要根據(jù)流過電壓保護器的電流波形，殘壓特性和大小，過電壓保護器的伏秒特性以及雷電流通過后產(chǎn)生的工頻續(xù)流大小等選擇過電壓保護器才是合理的。
3 防雷元件性能
防雷元件的沖擊特性與試驗方法的關系甚為密切，它是規(guī)定防雷元件技術參數(shù)標準的基礎之一。但試驗方法又與雷電波形有聯(lián)系。因為電子設備大都在一定的頻率范圍內(nèi)工作，不同頻率范圍的通路，對沖擊波有著不同的響應。因此，對雷電沖擊波形進行頻譜分析，無論對電子設備的防雷設計和試驗都是有意義的。
防雷元件種類繁多，概括起來可分間隙式的(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，從動作時間來說有快慢的區(qū)別。
使用在電涌保護器(spd)中幾類元件的有關參數(shù)，雖然有廠家產(chǎn)品說明，但在選用時有的參數(shù)還須注意了解。例如放電管的伏秒特性：表征放電管點火電壓與時間的關系。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火電壓和延遲時間的關系。由伏秒特性曲線可以判斷放電管的防護能力。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、無續(xù)流、伏安特性對稱、電壓范圍寬、響應速度快、電壓溫度系數(shù)小等特點。并且有結構簡單，成本低等優(yōu)點，是目前廣泛應用的過電壓保護器件。適用于交流電壓浪涌吸收和各種線圈，接點間過電壓的吸收和滅弧，在電子器件過電壓保護中廣為應用。在選用時關注的是通流容量；按規(guī)定的電流波形，在一定的試驗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。我國對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)測試壓敏電阻的起始動作電壓vlma值的變化率在百分之十以內(nèi)時，沖擊電流的最大幅值定為通流容量。壓敏電阻的殘壓(ljres)：壓敏電阻通過電流時，在其兩端的電壓降謂之殘壓。通常均以規(guī)定的波形，通過不同的電流幅值進行殘壓測試。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行殘壓試驗。另外還有半導體浪涌抑制器件：如瞬間二極管，它是一種過箝壓器件，簡單tks，利用大面積硅園錐p-n結的雪崩效應實現(xiàn)過箝位，trs響應速度快、漏電流小，是極佳的過電壓吸收器件。齊納二極管較為常用，其無極性，正反向具有相同的保護特性，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，常應用于自動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)應用。
以上各類間隙式，非間隙式和抑制式器件都是通過浪涌電壓產(chǎn)生非線性元件瞬時短路的方式實現(xiàn)防雷保護。
4 對電子系統(tǒng)及電子設備的防雷看法
由于電子信息設備是集電腦技術與集成微電子技術的產(chǎn)品，它的信號電壓只有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)是由信號采集、傳輸、存儲、檢索等多環(huán)節(jié)組成。鑒于系統(tǒng)環(huán)節(jié)多、接口多、線路長等原因，給雷電的耦合提供了條件。系統(tǒng)的電源進線接口，信號輸入輸出接口，接口的線路較長等是感應脈沖過電壓容易侵人的原因，也是過電壓波侵入的主要通道。
基于以上原因。電子系統(tǒng)及電子設備的防雷保護重點是感應雷。防雷的方法和措施，是按照現(xiàn)行的防雷規(guī)范規(guī)定的各個防雷分區(qū)的交界處安裝spd設備。將整個系統(tǒng)的雷電防護看成是一個系統(tǒng)工程，綜合考慮，全方位保護，力求將雷擊災害降低到最低。為此，規(guī)范里闡述了三級網(wǎng)絡防雷概念。在線路上三級網(wǎng)絡防護是逐步減少瞬態(tài)浪涌電流幅值的。最后一級將浪涌過電壓限制在設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左右的峰值過電壓。700v的耐壓值在歐洲防雷方面被廣泛引用。當然，浪涌電壓被限制得越低，則設備越安全。因此，我們在工程設計時分別將第一級spd盡量靠近建筑物的電源進線處，第二、三級spd盡量靠近被保護設備。第一級過電壓限制在1．5-1．8kv，第二級將殘壓限制在0．9~1．2kv，第三級將殘壓限制在0．4~0．tkv。通過這三級限壓和對浪涌電流的泄放，最后加載到設備上的過電壓通常都不會對設備和系統(tǒng)產(chǎn)生影響。現(xiàn)在防雷防電磁脈沖的保護器件還比較貴，技術性能都有差別，有些防雷產(chǎn)品通過保險只是為了促銷，設計者不能盲目地認為是可靠的產(chǎn)品，而應按防雷規(guī)范的要求進行設計。
參考文獻：
1《電子設備雷擊試驗導則》編制說明1982年5月。
2通信線路和通信設備的防雷手冊(ccitt資料)郵電設計院譯。
論文出處(作者):【對電子設備防雷擊問題的看法】相關文章：
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