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對電子設備防雷擊有關(guān)問(wèn)題的看法
摘要：本文闡述了雷擊模擬電子設備的機理，spd和類(lèi)型和選擇時(shí)應注意的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：雷擊 雷電波形 spd
近年來(lái)，電子信息設備和計算機系統已深入各行各業(yè)，由于這類(lèi)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(gè)傳統領(lǐng)域擴展到幾乎所有行業(yè)，特別是通訊、信息技術(shù)數據中心，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范做好避雷針(帶)、引下線(xiàn)和接地裝置等建筑物內外的防雷工作就“萬(wàn)事大吉”了。但實(shí)際上，當雷擊現象發(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建筑物的破壞，同時(shí)均勻的避雷引下線(xiàn)與建筑物接地的均壓環(huán)也起到法拉第網(wǎng)籠的作用，保證建筑物內的人員不致因跨步電壓升高而導致觸電事故。
但這時(shí)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(xiàn)導人大地時(shí)，瞬間內在引下線(xiàn)自上而下的產(chǎn)生一個(gè)很強的變化磁場(chǎng)。處在這個(gè)電磁場(chǎng)作用下的導體，便會(huì )感應產(chǎn)生電壓，其數值也可達數十千伏，處在這個(gè)磁場(chǎng)作用范圍的電氣、信號、電源及它們的傳輸線(xiàn)路都因相對地切割了這個(gè)變化的磁場(chǎng)磁力線(xiàn)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(kāi)口環(huán)形感應電壓，便會(huì )把幾厘米長(cháng)的空氣間隙a、b擊穿發(fā)生火花放電。如果導體是一個(gè)閉合回路，感應電壓會(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(xiàn)路進(jìn)入電子設備的機率要比從信號線(xiàn)中進(jìn)入的機率要高很多，據統計，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(guò)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。據統計電子設備受雷電直擊而損壞的機率很小，而絕大多數損壞為感應雷造成，雷電行波通過(guò)傳輸信息的電路線(xiàn)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(huì )使電子設備造成反擊，使之對地絕緣擊穿。根據傳統經(jīng)驗電子設備的地線(xiàn)與電源設備的地線(xiàn)分開(kāi)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(xiàn)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(guò)電壓加在電子設備上沖擊引起兩種過(guò)電壓，一種是：使平衡電路某點(diǎn)出現超過(guò)允許的對地過(guò)電壓，稱(chēng)為縱向過(guò)電壓，地電位上升引起的反擊也屬于從地系統侵入的縱向過(guò)電壓；另一種是平衡電路線(xiàn)間或不平衡電路線(xiàn)對地出現的過(guò)電壓稱(chēng)為橫向過(guò)電壓。使用對稱(chēng)傳輸線(xiàn)的設備，橫向過(guò)電壓是因線(xiàn)路兩線(xiàn)間存在不同的縱向過(guò)電壓；或因縱向防護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(xiàn)路上的兩個(gè)縱向防護元件，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。對不平衡電路如對連接同軸電纜的電子設備其縱向過(guò)電壓即橫向過(guò)電壓。雷電沖擊過(guò)電壓可導致絕緣擊穿，也可產(chǎn)生過(guò)電流。進(jìn)行縱向雷擊試驗的目的，在于檢驗設備在縱向過(guò)電壓下元器件對地的絕緣。橫向雷擊試驗則是檢驗兩線(xiàn)間出現沖擊過(guò)電壓時(shí)設備耐受沖擊的能力。
在電子設備中，易受雷擊過(guò)電壓損壞的元部件，大多數是靠近設備的入口端，如縱向過(guò)電壓會(huì )擊穿線(xiàn)路和設備間起匹配作用的變壓器匝間、層間、或線(xiàn)對地絕緣等。橫向過(guò)電壓可隨信息同時(shí)傳至設備內部，損壞設備內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(shí)的，一旦過(guò)壓消失，即可恢復。有些非自復性的絕緣介質(zhì)，沖擊時(shí)只有小電流流過(guò)，一次沖擊不會(huì )立即中斷設備，但經(jīng)過(guò)多次沖擊，隨著(zhù)多次沖擊的累積可能會(huì )使元件逐漸受損最終導致毀壞，這就是為什么在試驗時(shí)要試驗沖擊次數，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結正向損壞，沖擊危險程度在于流過(guò)元器件的過(guò)電流大小和持續時(shí)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(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(guān)測的數據和波形均具有統計特．硅，服從某種分布規律，從而統計出雷電流幅值，波頭、波尾、陡度、能量等概率分布。多年來(lái)，國內外在對線(xiàn)路結構上或進(jìn)人電子設備的雷電沖擊波形進(jìn)行了很多觀(guān)測工作，獲得了大量的觀(guān)測資料。
一些國家通過(guò)現場(chǎng)觀(guān)測發(fā)表了很多測試結果。因觀(guān)測的地理環(huán)境和條件的不同。即使在同樣條件下，觀(guān)測得到的數據也不盡相同。早先，有些國家觀(guān)測得到的幾百個(gè)波形中，對主放電波形的敘述，當不區另別第一次放電或隨后各次閃電時(shí)，一般認為雷電流在1—4微秒上升到幅值，然后在40一50微秒內下降到幅值的一半。這就是所謂傳統的雷電流波形。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，持續時(shí)間較長(cháng)，上升到幅值的時(shí)間約數十微秒，下降到半值時(shí)間約為數百微秒。
圖2雷擊參數定義
在對雷電的研究中，需要在千千萬(wàn)萬(wàn)的實(shí)波形中找出典型波形并轉化為用數學(xué)式表示曲線(xiàn)。比較流行的代表曲線(xiàn)有兩種：
1．波頭部分用兩個(gè)指數曲線(xiàn)之差表示，其公式為：
用這公式表示的波形如圖3a，當i=0時(shí)，電流上升速度di/dt最大；而當電流逐漸增大時(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(xiàn)表示其公式為：
用這公式表示的波形如圖3b，當i=0時(shí)，di/dt=0；隨著(zhù)電流上升，di/dt也上升；當i=im/2時(shí)，di/dt到達最大值；然后di/dt減��；當i=im時(shí)，di/dt降為零。
一般習慣于用兩個(gè)指數曲線(xiàn)之差的形式來(lái)表示雷電流波形，并且認為這種表示方式和大多數實(shí)際測得的波形比較相似。但是經(jīng)過(guò)近年的觀(guān)測得到大多數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(xiàn)表示時(shí)，因為雷電流最大陡度出現在im/2處，以此進(jìn)行雷擊的電位計算時(shí)可以得到較高的結果而偏于可靠。但是，余弦曲線(xiàn)計算較為繁瑣，因而往往簡(jiǎn)化為直線(xiàn)，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(gè)量的標志方法各國也不是統一的。典型的雷電流波形是以iec規定的如圖4所示，在幅值im 以前叫波頭部分，幅值im以后叫波尾部分。早先規定由o點(diǎn)到幅值的時(shí)間叫波頭長(cháng)度，由0點(diǎn)到波尾半幅值的時(shí)間叫全部波長(cháng)。但是在實(shí)際測量中發(fā)現，0點(diǎn)及幅值這兩點(diǎn)的時(shí)間很難精確測定的。為了避免測量中出現的含混，iec建議測量脈沖電流的實(shí)測值按下列方法定義：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(jiàn)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。一般以分式符號表示波頭時(shí)間及半值時(shí)間(又稱(chēng)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(cháng)到幅值這一部分稱(chēng)為波頭，只有幾個(gè)微秒；電流值下降的部分稱(chēng)為波尾，長(cháng)達數十微秒到幾百微秒。
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(lái)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(lái)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(guò)分流、衰減的電流波，又是線(xiàn)路靜電感應電壓波和防雷導體通過(guò)雷電流時(shí)對其附近電氣導線(xiàn)的電磁感應過(guò)電壓波。例如防雷的引下線(xiàn)，建筑物lpzi區及其內部計算雷電流的波。
由于雷電參數值隨地理環(huán)境不同，傳輸線(xiàn)的結構不同，關(guān)于國際標準所規定的波形只是推薦，容許各國根據本國實(shí)際情況加以引用或制訂。由于我國尚無(wú)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(xiàn)的波形采用了我國郵電部門(mén)的觀(guān)測資料制訂。
建筑物防雷設計規范(gb50057-94)規定了防雷保護區的概念，便于設計者利用系統的層次分析各防雷保護區界面處的金屬導體等電位聯(lián)接和裝設過(guò)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(guò)去的多道防雷的保護是一致的，在不同防雷保護區的界面上有不同層次的結合，就是要求注意各個(gè)介面處內外系統的相互關(guān)系與相互作用，即要根據流過(guò)電壓保護器的電流波形，殘壓特性和大小，過(guò)電壓保護器的伏秒特性以及雷電流通過(guò)后產(chǎn)生的工頻續流大小等選擇過(guò)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(guān)系甚為密切，它是規定防雷元件技術(shù)參數標準的基礎之一。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工作，不同頻率范圍的通路，對沖擊波有著(zhù)不同的響應。因此，對雷電沖擊波形進(jìn)行頻譜分析，無(wú)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(lèi)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(xiàn)圈、電阻、電容……也可歸人這一類(lèi)，從動(dòng)作時(shí)間來(lái)說(shuō)有快慢的區別。
使用在電涌保護器(spd)中幾類(lèi)元件的有關(guān)參數，雖然有廠(chǎng)家產(chǎn)品說(shuō)明，但在選用時(shí)有的參數還須注意了解。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(xiàn)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(xiàn)性電阻器，有氧化鋅、氧化硅。這種元件，其電壓非線(xiàn)性系數高、容量大、殘壓低、漏電流小、無(wú)續流、伏安特性對稱(chēng)、電壓范圍寬、響應速度快、電壓溫度系數小等特點(diǎn)。并且有結構簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛應用的過(guò)電壓保護器件。適用于交流電壓浪涌吸收和各種線(xiàn)圈，接點(diǎn)間過(guò)電壓的吸收和滅弧，在電子器件過(guò)電壓保護中廣為應用。在選用時(shí)關(guān)注的是通流容量；按規定的電流波形，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分鐘內測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?xún)葧r(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。通常均以規定的波形，通過(guò)不同的電流幅值進(jìn)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(mǎn)通容量進(jìn)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(guò)箝壓器件，簡(jiǎn)單tks，利用大面積硅園錐p-n結的雪崩效應實(shí)現過(guò)箝位，trs響應速度快、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(dòng)化控制裝置的輸出回路，即繼電器線(xiàn)圈或電磁間線(xiàn)圈兩端并聯(lián)應用。
以上各類(lèi)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(xiàn)性元件瞬時(shí)短路的方式實(shí)現防雷保護。
4 對電子系統及電子設備的防雷看法
由于電子信息設備是集電腦技術(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，電子信息系統是由信號采集、傳輸、存儲、檢索等多環(huán)節組成。鑒于系統環(huán)節多、接口多、線(xiàn)路長(cháng)等原因，給雷電的耦合提供了條件。系統的電源進(jìn)線(xiàn)接口，信號輸入輸出接口，接口的線(xiàn)路較長(cháng)等是感應脈沖過(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。電子系統及電子設備的防雷保護重點(diǎn)是感應雷。防雷的方法和措施，是按照現行的防雷規范規定的各個(gè)防雷分區的交界處安裝spd設備。將整個(gè)系統的雷電防護看成是一個(gè)系統工程，綜合考慮，全方位保護，力求將雷擊災害降低到最低。為此，規范里闡述了三級網(wǎng)絡(luò )防雷概念。在線(xiàn)路上三級網(wǎng)絡(luò )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(guò)電壓限制在設備能安全承受的范圍內。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(shí)分別將第一級spd盡量靠近建筑物的電源進(jìn)線(xiàn)處，第二、三級spd盡量靠近被保護設備。第一級過(guò)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(guò)這三級限壓和對浪涌電流的泄放，最后加載到設備上的過(guò)電壓通常都不會(huì )對設備和系統產(chǎn)生影響�，F在防雷防電磁脈沖的保護器件還比較貴，技術(shù)性能都有差別，有些防雷產(chǎn)品通過(guò)保險只是為了促銷(xiāo)，設計者不能盲目地認為是可靠的產(chǎn)品，而應按防雷規范的要求進(jìn)行設計。
參考文獻：
1《電子設備雷擊試驗導則》編制說(shuō)明1982年5月。
2通信線(xiàn)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(wèn)題的看法】相關(guān)文章：
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