摘要: 本文闡述了雷擊的原理，SPD的類(lèi)型和選擇時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞: 電子設(shè)備;雷擊;防雷;SPD;接地

一、引言

隨著電子信息設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)普遍使用，電子設(shè)備的防雷問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。由于這類(lèi)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，國(guó)際電工委員會(huì)將雷電災(zāi)害稱(chēng)為“信息時(shí)代的公害”。為消除這一公害，科技人員通過(guò)不斷研究和探索，發(fā)明和制造了各種防雷元器件，不斷完善電子信息系統(tǒng)的防雷技術(shù)。

二、用電設(shè)備遭雷擊損壞原理

當(dāng)雷擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，建筑物的外部防雷裝置能有效地抵御雷擊對(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(kāi)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。

三、電子設(shè)備遭遇雷擊的途徑

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(kāi)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(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(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(chēng)為橫向過(guò)電壓。使用對(duì)稱(chēng)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。

四、防雷元件種類(lèi)和性能

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(lèi)繁多，概括起來(lái)可分間隙式的，再推廣一下像扼流線圈、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(qū)別。

使用在電涌保護(hù)器(sPD)中幾類(lèi)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(chēng)、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(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)生非線性元件瞬時(shí)短路的方式實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)。

五、電子系統(tǒng)及電子設(shè)備的防雷

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。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了雷擊對(duì)電子設(shè)備的危害和防雷的方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一定會(huì)有更先進(jìn)的防雷元器件研發(fā)出來(lái)，為電子信息系統(tǒng)提供更好的防雷系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn):

《通信線路和通信設(shè)備的防雷手冊(cè)》