電子設(shè)備的雷電及過(guò)電壓保護(hù)

1、電子設(shè)備的雷電及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓主要是指雷擊過(guò)電壓、電力網(wǎng)絡(luò)操作過(guò)電壓，損壞電子設(shè)備的過(guò)電壓通常就是這兩種。眾所周知，作為一種大氣物理現(xiàn)象，每一次雷擊都是由一系列的放電（云間、云地）形成的。雷擊過(guò)電壓是指由于雷電直接擊中電線；雷擊避雷針時(shí)由于電阻耦合、電容耦合、電感耦合引入電線；或雷擊某地造成不同地之間的地電位不均衡等原因在有源或無(wú)源導(dǎo)體上產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)電壓。雷擊過(guò)電壓的能量有時(shí)非常強(qiáng)，雷電的放電電流一般為20_40千安培，在大雷暴時(shí)最大可達(dá)430千安培，雷擊概率及其電流數(shù)據(jù)如下表所示：概率50%10%5%1%電流峰值kA3080100200電荷量As1080100400雷電現(xiàn)已成為破壞電子設(shè)備

2、的主要原因。操作過(guò)電壓是指開(kāi)關(guān)中央電源設(shè)備、電力網(wǎng)中大型感性或容性設(shè)備的投切等原因產(chǎn)生的過(guò)電壓。操作過(guò)電壓不如雷擊過(guò)電壓高，但出現(xiàn)頻繁，對(duì)電子設(shè)備同樣會(huì)產(chǎn)生不同程度的損害。1.過(guò)電壓保護(hù)必要性現(xiàn)在已進(jìn)入電子信息時(shí)代，各行各業(yè)都日益廣泛地采用電子信息技術(shù)裝備自己，如一座現(xiàn)代化的大廈，一般都裝有自動(dòng)消防、防盜保安、程控電話、樓宇自控、電腦管理、群控電梯、廣播音響、閉路等一系列電子信息系統(tǒng)；又如國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)，電子信息技術(shù)已作為其發(fā)展的基礎(chǔ)；其它航天、金融、郵電、石油化工、電力、廣播電視等部門(mén)及工廠企業(yè)也不例外，所以電子信息設(shè)備的應(yīng)用已日趨廣泛，其數(shù)量與規(guī)模正在不斷地?cái)U(kuò)大。但是這種電子信息設(shè)備的工作

3、信號(hào)電壓很低，一般僅5V左右，因此，其抗干擾、抗電涌的能力極低，對(duì)電磁環(huán)境的要求很高，所以隨著電子信息設(shè)備的廣泛應(yīng)用，過(guò)電壓的危害也將日趨嚴(yán)重，尤其是雷電引起的過(guò)電壓，其后果不但使這種昂貴的設(shè)備損壞，而且有可能使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中斷，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備日益成為雷電破壞的主要對(duì)象之一。為此，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和研究，IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）、ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟)等組織都制定了相應(yīng)的防雷電及電磁脈沖的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC1024、IEC1312、ITU的K系列等。IEC1024、IEC1312相繼公布了雷電流參數(shù)（如表1）和雷電波形，并對(duì)雷電保護(hù)區(qū)（LPZ）的劃

4、分、系統(tǒng)的分級(jí)保護(hù)和浪涌過(guò)電壓保護(hù)器（SPD）的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了規(guī)定。我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057-94）也對(duì)雷電電磁脈沖的防護(hù)進(jìn)行了規(guī)定：“在配電盤(pán)內(nèi)，宜在開(kāi)關(guān)的電源側(cè)與外殼之間裝設(shè)過(guò)電壓保護(hù)器”（第3.5.4條，三）；信息產(chǎn)業(yè)部移動(dòng)通信基站防雷防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范（YD5068-98）中規(guī)定：“3.1.5出入基站的所有電力線均應(yīng)在出口處加裝避雷器”，“ 3.3.3同軸電纜饋線進(jìn)入機(jī)房后與通信設(shè)備連接處應(yīng)安裝饋線避雷器”，“ 3.4.1信號(hào)電纜應(yīng)由地下進(jìn)出移動(dòng)通信基站處應(yīng)加裝相應(yīng)的信號(hào)避雷器”；公安部頒發(fā)的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)防雷保安器（GA173-1998）中規(guī)定：“計(jì)算機(jī)信息系

5、統(tǒng)加裝有效可靠的防雷保安器，是國(guó)際上通用的最有效的防護(hù)措施”等。表首次雷擊的雷電流參數(shù)保護(hù)級(jí)別（一類(lèi)）（二類(lèi)）-（三類(lèi)）I幅值（KA）200150100T1波頭時(shí)間（S）101010T2波頭時(shí)間（S）3503503502.雷電過(guò)電壓保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)代意義的防雷，把防雷看成一個(gè)系統(tǒng)工程，根據(jù)雷電電磁脈沖（LEMP）防護(hù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：IEC1024和IEC1312，前者對(duì)應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50057-94，現(xiàn)代防雷系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。其中，根據(jù)IEC1024-1：1990，借助電位補(bǔ)償布線和浪涌過(guò)電壓保護(hù)器（SPD）實(shí)現(xiàn)雷電電磁防護(hù)均壓等電位系統(tǒng)，即將外部避雷器、建筑物鋼筋結(jié)構(gòu)、內(nèi)部安裝的設(shè)備外殼、用于非電

6、系統(tǒng)的導(dǎo)體部分以及電氣和電訊裝置等連接起來(lái)，建立等電位，是實(shí)現(xiàn)內(nèi)部防雷保護(hù)的非常重要的措施。鑒于國(guó)內(nèi)過(guò)電壓保護(hù)等方面欠缺相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，為適應(yīng)防雷工程開(kāi)展的需要，根據(jù)中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)法的規(guī)定，對(duì)國(guó)內(nèi)無(wú)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可參考時(shí)，參照國(guó)際上有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。為此，本公司將依據(jù)IEC1312等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)防雷系統(tǒng)。一個(gè)有效的防雷系統(tǒng)，包括三部分：直擊雷保護(hù)一點(diǎn)接地網(wǎng)絡(luò)暫態(tài)浪涌電壓抑制三者缺一不可，而正確的連接和接地是其中最關(guān)鍵的因素。（一）直擊雷保護(hù)避雷針（或避雷帶、避雷網(wǎng)）、引下線和接地裝置構(gòu)成建筑物的直擊雷保護(hù)，同時(shí)要抑制引雷過(guò)程中的二次效應(yīng)。（由于直擊雷的防護(hù)技術(shù)現(xiàn)已比較成熟且已被廣泛應(yīng)用，這

7、里不作闡述）。（二）一點(diǎn)接地網(wǎng)絡(luò)除獨(dú)立避雷針外，其它交流地、保護(hù)地、信號(hào)地、防雷地等不同的接地均接成一點(diǎn)接地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使其電位差不隨雷擊電流的變化而變化，形成“水漲船高”的接地電位網(wǎng)絡(luò)。等電位連接過(guò)電壓保護(hù)的基本原理是在瞬態(tài)過(guò)電壓發(fā)生的瞬間（微秒或納秒級(jí)），在被保護(hù)區(qū)域內(nèi)的所有金屬部件之間應(yīng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)等電位。“等電位是用連接導(dǎo)線或過(guò)電壓保護(hù)器將處在需要防雷的空間內(nèi)的防雷裝置、建筑物的金屬構(gòu)架、金屬裝置、外來(lái)的導(dǎo)體物、電氣和電訊裝置等連接起來(lái)。”(建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范條文說(shuō)明)(GB50057-94)。“等電位連接的目的在于減小需要防雷的空間內(nèi)各金屬部件和各系統(tǒng)之間的電位差”(IEC1312 3.4

8、)。建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057-94）中規(guī)定：“第3.1.2條 裝有防雷裝置的建筑物，在防雷裝置與其他設(shè)施和建筑物內(nèi)人員無(wú)法隔離的情況下，應(yīng)采取等電位連接?！痹诮⑦@個(gè)等電位連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)注意使相互之間必須進(jìn)行信息交換的電器和電子設(shè)備與等電位連接帶之間的連接導(dǎo)線保持最短距離，這一點(diǎn)可以用以下公式說(shuō)明：V=Ldi/dt (1)根據(jù)上式：電感（L）越大，瞬變電流在電路中產(chǎn)生的電壓（V）就越高，而電感主要與導(dǎo)線的長(zhǎng)度成正比，因此，應(yīng)使連接導(dǎo)線盡可能地短些。同時(shí)，采用多條連接導(dǎo)線并聯(lián)也能明顯地降低電感量，因此可采用星型或網(wǎng)型結(jié)構(gòu)將被保護(hù)的裝置連接到一條等電位連接帶上。對(duì)于系統(tǒng)中無(wú)法使用連接導(dǎo)線

9、進(jìn)行等電位連接的地方，應(yīng)使用電涌保護(hù)器（SPD）實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)等電位連接。因此需要選用一些響應(yīng)速度快的元件，在瞬態(tài)過(guò)電壓的情況下將數(shù)十千安的電流傳導(dǎo)入地，理論計(jì)算認(rèn)為：在雷擊情況下，以10/350s脈沖計(jì)算，通流量可高達(dá)50kA。在建立了由連接導(dǎo)線和電涌保護(hù)器組成的等電位連接網(wǎng)絡(luò)后，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)瞬態(tài)浪涌過(guò)電壓甚至受到雷擊時(shí)，可以認(rèn)為在極短的時(shí)間內(nèi)形成了一個(gè)等電位島，這個(gè)等電位島對(duì)于遠(yuǎn)處的電位差可高達(dá)數(shù)十萬(wàn)伏，而島內(nèi)由于實(shí)現(xiàn)了等電位連接，所有導(dǎo)電部件之間不會(huì)產(chǎn)生有害的電位差。以上兩點(diǎn)在建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057-94）中有詳細(xì)的規(guī)定。（三）暫態(tài)浪涌電壓抑制在過(guò)去，線路中的過(guò)壓不是一個(gè)很大的問(wèn)題，

10、而現(xiàn)在大量使用微電子設(shè)備，尤其是微處理機(jī)的大量使用，系統(tǒng)中的暫態(tài)浪涌電壓會(huì)造成很大的系統(tǒng)故障。電子設(shè)備的雷電主要是通過(guò)引線引入的，因此，一方面應(yīng)注意引線的屏蔽接地處理，另一方面應(yīng)在其雷電通道的入口處系統(tǒng)地裝設(shè)電涌保護(hù)器（SPD）。電子設(shè)備群體的防雷保護(hù)，主要是抑制雷電入口的脈沖過(guò)電壓，視引線的性質(zhì)加裝不同類(lèi)型的SPD，同時(shí)處理好子系統(tǒng)引線的屏蔽及均壓接地。系統(tǒng)地安裝適當(dāng)?shù)碾娪勘Ｗo(hù)器（SPD）電涌保護(hù)器（SPD）3.電涌保護(hù)器元件從響應(yīng)特性來(lái)看，有軟硬之分。屬于硬響應(yīng)特性的放電元件有充氣的放電器（充氣放電器）和空氣火花隙，后者要么是基于斬弧技術(shù)（Arc-chopping）的角型火花隙，要么是同軸

11、放電火花隙。屬于軟響特性應(yīng)的放電元件有壓敏電阻和抑制二極管。所有這些元件的區(qū)別在于放電能力、響應(yīng)特性和殘余電壓。由于這些元件各有其優(yōu)缺點(diǎn)，人們將其組合成特殊保護(hù)電路，以揚(yáng)長(zhǎng)避短。角型放電器（雷擊電流放電器）：放電能力強(qiáng)，10/350s脈沖波形時(shí)能疏導(dǎo)大于50kA的脈沖電流；8/80s脈沖波形時(shí)能疏導(dǎo)大于100kA的脈沖電流。并且能夠自動(dòng)滅弧。但是其響應(yīng)速度較慢，一般100ns；殘壓較高，為2.53.5 kV。應(yīng)用于額定電壓為400V處，并須與其他SPD配合使用。氣體放電器：放電能力較強(qiáng)，8/20s脈沖波形時(shí)能疏導(dǎo)10kA的脈沖電流。但是其響應(yīng)速度較慢，一般100ns；點(diǎn)火特性不穩(wěn)定；當(dāng)電壓大于

12、12V和電流大于100 mA時(shí)會(huì)產(chǎn)生后續(xù)電流。通常應(yīng)用于測(cè)量、控制、調(diào)節(jié)技術(shù)電路和電子數(shù)據(jù)處理傳輸電路等預(yù)期不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)大的放電電流的電路中。壓敏電阻：放電能力較強(qiáng)，8/20s脈沖波形時(shí)能疏導(dǎo)最大達(dá)40kA的脈沖電流；電壓箝位能力強(qiáng)；響應(yīng)速度較快，一般25ns。其缺點(diǎn)是易老化和電容較高。常用于電源第二及保護(hù)，也可以多只并聯(lián)用于電源第一及保護(hù)。抑制二極管：響應(yīng)速度快，可達(dá)皮秒（10-12）級(jí)。其缺點(diǎn)是瀉流能力差，8/20s脈沖波形時(shí)能疏導(dǎo)電流的能力只有幾十安培；常應(yīng)用于低壓信號(hào)系統(tǒng)的精細(xì)保護(hù)。4.根據(jù)綜合防護(hù)方案安裝SPD三級(jí)保護(hù)的原理圖電源A：雷擊電流放電器Z1：10米導(dǎo)線或退耦電抗器B：壓敏電

13、阻Z2：5米導(dǎo)線或退耦電抗器壓敏電阻信號(hào)A：氣體放電管Z1：無(wú)感電阻Z2：無(wú)感電阻抑制二極管（橋）設(shè)保護(hù)級(jí)（三級(jí)保護(hù)的一般原理如上圖：圖中通流量A>B>C，殘壓值A(chǔ)>B>C，響應(yīng)時(shí)間A>B>C，UB<UC+U2，UA<UB+U1，這樣就既可以以最短的時(shí)間，將雷電及過(guò)電壓主要通過(guò)設(shè)備A瀉放入地，又可以通過(guò)主要起到箝位的作用的B和C將沖擊電壓限制在設(shè)備允許的范圍之內(nèi)）。此外，由于電源系統(tǒng)的復(fù)雜性即不僅可能存在各線對(duì)地的（縱向）危險(xiǎn)過(guò)電壓，而且有可能存在各線之間的（橫向）危險(xiǎn)電位差，為了更加安全的考慮，也可在各相線之間再加裝一組過(guò)電壓保護(hù)器（如下圖所示

14、）。為了達(dá)到有效的過(guò)電壓保護(hù)，人們按照電磁兼容性的不同劃分了保護(hù)區(qū)域雷電保護(hù)區(qū)0、1更高（LPZ0、1更高）。切實(shí)有效的空間屏蔽，不但能大大降低過(guò)電壓保護(hù)的成本，同時(shí)也為保護(hù)電子設(shè)備提供了良好的環(huán)境。設(shè)置LPZ0至1LPZ2是為了避免高能耦合而損壞設(shè)備。而序號(hào)更高的防護(hù)區(qū)是則為防止信息失真和信息丟失而設(shè)置的。所有穿過(guò)保護(hù)區(qū)邊界的電線，在接到其他設(shè)備的同時(shí)，都應(yīng)在恰當(dāng)?shù)奈恢冒惭b相應(yīng)的電涌保護(hù)器。電涌保護(hù)器的選擇取決于各個(gè)電路的參數(shù)。過(guò)壓保護(hù)器的工作電壓以安裝在此電路中所有部件的額定電壓參數(shù)為準(zhǔn)，而要達(dá)到的殘壓則根據(jù)安裝在此電路中所有部件的耐壓強(qiáng)度確定。電涌保護(hù)器的連接方式有兩種：串聯(lián)方式和并聯(lián)方

15、式。當(dāng)電路中裝有串聯(lián)電涌保護(hù)器時(shí)，必須注意其額定電流；而裝有并聯(lián)電涌保護(hù)器（有源導(dǎo)線與地之間接上電涌保護(hù)器）時(shí)，則無(wú)須考慮額定電流，因?yàn)轭~定電流并不通過(guò)放電器。至于專(zhuān)門(mén)為數(shù)據(jù)傳輸電路而設(shè)計(jì)的電涌保護(hù)器，生產(chǎn)廠家已考慮到其傳輸速率了。5.總則過(guò)電壓保護(hù)，我們強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的概念。就是將直擊雷防護(hù)、等電位連接和系統(tǒng)地安裝電涌保護(hù)器有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。對(duì)于電涌保護(hù)器，不但要選擇好適當(dāng)?shù)男吞?hào)，還要注意其安裝的位置和彼此配合的層次。此外，我們必須明確，作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，過(guò)電壓保護(hù)器件的選型是前提，勘察設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，施工安裝是保障。只有合格并且合適的產(chǎn)品選型，完整而全面的設(shè)計(jì)方案加之符合專(zhuān)業(yè)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)的施工安裝，才能

16、建立起行之有效的過(guò)電壓保護(hù)系統(tǒng)。附錄1：相關(guān)IEC標(biāo)準(zhǔn)1. 建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)1.1 IEC61024系列IEC61024-1：  1990 建筑物防雷 第一部分 通則IEC61024-1-1：1993 建筑物防雷 第一部分 第一部分 防雷裝置保護(hù)級(jí)別的確定IEC61024-1-2：1998 建筑物防雷 第一部分 第二部分 防雷裝置的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)和檢測(cè)IEC61024-2（草案）： 建筑物高于60米的附加要求IEC61024-3（草案）： 火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的建筑物的附加要求IEC61312系列1.2 IEC61312-1：1995 雷擊電磁脈沖的防護(hù) 第一部分 通則草案在修訂中的有：

17、IEC61312-2： 雷擊電磁脈沖的防護(hù) 第二部分 建筑物的屏蔽、等電位連接及接地IEC61312-3： 雷擊電磁脈沖的防護(hù) 第三部分 對(duì)過(guò)電壓保護(hù)器（SPD）的要求IEC61312-4： 雷擊電磁脈沖的防護(hù) 第四部分 現(xiàn)在建筑物內(nèi)信息系統(tǒng)的保護(hù)IEC61312-5： 雷擊電磁脈沖的防護(hù) 第五部分 應(yīng)用指南通信防雷標(biāo)準(zhǔn)（TC81出版或草案）IEC61663： 通信線路防雷標(biāo)準(zhǔn)IEC61662： 雷擊損害危險(xiǎn)度確定的標(biāo)準(zhǔn)IEC61819： 模擬防雷裝置各部件效應(yīng)的測(cè)量參數(shù)低壓電力系統(tǒng)的絕緣配合、過(guò)電壓保護(hù)、安全防護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)IEC60364-4：     1992 建筑物的電氣安裝 第四部分 安全防護(hù)IEC60364-5-534： 1997 建筑物的電氣安裝 第五部分 電氣裝置的選擇與安裝 第534章 過(guò)電壓保護(hù)器件IEC6