電子設備和電子網(wǎng)絡系統(tǒng)防雷技術

摘要：國內外都已把防雷認為是一個系統(tǒng)工程：分為外部防雷（避雷針、避雷網(wǎng)帶、引下線、接地體、法拉第籠）、內部防雷（法拉第籠、均壓等電流等）和過電保護。廣泛使用了優(yōu)化接閃器，雷電流直接入大地，系統(tǒng)的低電阻地網(wǎng)，杜絕地面回路，采用SPD浪涌沖擊防護，以實現(xiàn)信號和數(shù)據(jù)線的瞬變保護。
前 言

    電子設備、電子系統(tǒng)運行以及各用電設備之間就和人類生活中一樣，必須有一個和諧正常的工作秩序，不至于受外界干擾。相互間由于性能的改變，造成運行的不正常，以致?lián)p壞系統(tǒng)的現(xiàn)象。

    這些不和諧的因素是由于這些電子設備和電子系統(tǒng)越來越趨于極效弱的信號下工作，信號工作頻率越來越高，動作時間越來越短，電子設備的多功能化就、結構的復雜化、功率加大和頻率的提高，靈敏度也越來越高。故對外界的電磁干擾和電子元器件的都會產(chǎn)生干擾（EMI）。

    這些不和諧因素的產(chǎn)生，使徹底消除這些電磁干擾EMI無法實現(xiàn)。但是電子技術應用的廣泛性是科學發(fā)展的必然，對于這些干擾的復雜性，根據(jù)電磁兼容（EMC）的原理，可以采用許多技術措施來減小EMI。將電磁干擾EMI控制在一定范圍的參數(shù)內，從而來保證電子系統(tǒng)或電子設備的兼容性。

    這些電磁干擾源主觀來看，分為有意干擾和無意干擾；按性質可分為自然干擾和認為干擾，人為干擾中主要分為有意和無意干擾。
   
    這個章節(jié)中我們主要談的是自然干擾中的瞬態(tài)干擾。

    一、 雷擊產(chǎn)生的浪涌危害

    雷擊是人們廣泛熟知的一種大自然的放電現(xiàn)象，但危害極大，具不完全統(tǒng)計：全球每年有數(shù)千人死傷于雷擊事故。它的直擊雷擊電流最大值可達200kA，平均值都在30kA左右，能量之大，每次雷擊所產(chǎn)生的能量大約為550000kW•h，溫度之高可達3000K度（為太陽表面溫度的5倍）。每年由于雷害事故全球的經(jīng)濟損失載入冊的就有10億美元，在歐美等國家每年有20~30%電子設備因感應雷而引起故障。

    感應雷又稱之為二次雷：是指雷擊之間或雷擊對地之間的放電，而在附近的傳導體上產(chǎn)生的感應電壓。這種電壓通過傳導體傳送至設備，間接的毀壞電子設備及電子系統(tǒng)，特別是對通訊設備和電子計算機、網(wǎng)絡系統(tǒng)的危害最大。據(jù)資料記載，80%以上微電子設備都是遭感應雷損壞的。

    感應雷主要是指雷電波侵入，是雷電在放電時，在附近傳導體上產(chǎn)生靜電感應和電磁感應。在可能的情況下，傳導體之間產(chǎn)生火花。雷電侵入指雷電放電時的強感電磁脈沖，雷電及擊出雷電過電壓波，可沿著傳導體的線路和各種信號的進出線路進入室內，危及人體及設備，雷電的破壞表現(xiàn)形式是強大的電流、積熱的高溫、強烈的沖擊波，劇變的電磁場及強大的電磁輻射。

    一般感應雷擊造成的電子系統(tǒng)及電子設備破壞性大致分為：
    （一）、傳輸或存儲的信號或數(shù)據(jù)，不管模擬電路或數(shù)字電路都會受到干擾和丟失，甚至造成設備誤動作或短時系統(tǒng)停止。
    （二）、雖然受到較小幅值的雷擊沖擊，元器件不至于馬上燒毀，但遠遠降低了其性能和壽命。
    （三）、若大幅值的雷電沖擊，電子設備的線路板（接口板）及元件燒毀會立即癱瘓，曹成不可估量的損失。

    綜上所述，國內外都已把防雷認為是一個系統(tǒng)工程：分為外部防雷（避雷針、避雷網(wǎng)帶、引下線、接地體、法拉第籠）、內部防雷（法拉第籠、均壓等電流等）、過電保護。廣泛使用了優(yōu)化接閃器、雷電流直接入大地、系統(tǒng)的低電阻地網(wǎng)、杜絕地面回路以及采用SPD浪涌沖擊防護，以實現(xiàn)信號和數(shù)據(jù)線的瞬變保護。

    二、雷擊的表現(xiàn)形式

    （一）是帶電的云層與大地上某一點之間發(fā)生迅速猛烈的放電現(xiàn)象這叫直擊雷。

    （二）帶電云層由于靜電感應作用，使地面某一范圍帶上異種電荷。當直擊雷發(fā)生后，云層帶電迅速消失，而由于地面某些范圍散流電阻大，以致云出現(xiàn)局部的高電壓，或者在落雷的放電過程中，強大的脈沖電流對周圍的導電體產(chǎn)生電磁感應發(fā)生的高電壓造成的閃擊現(xiàn)象，我們稱為“感應雷”，也叫“二次雷”。

    （三）球形雷
    一般在閃電后，以每秒2M的速度向前滾動，會在發(fā)生哨般的響聲后出現(xiàn)嗡嗡聲，遇到阻礙它會停止，有時也會越過阻礙，一般從煙囪，開著門或者窗戶，甚至縫隙擠入。無障礙時，在室內來回滾動幾次，能按原路返回。有時會綜合消失掉，一旦碰到異電荷，如人畜時會發(fā)出爆炸聲，同時發(fā)出刺激性的氣味，一般為臭氧，致人畜死亡或者燒傷。我們要以科學的態(tài)度來認識“球形雷”。

    1. 瞬時過電壓
    主要指雷擊過電壓——是一種天氣物理現(xiàn)象，一次雷擊是由一系列的云與云之間，云與地之間的放電形成。雷擊過電壓是指雷電直擊擊中電線或避雷針時，由于電阻耦合、電容耦合或電感耦合而引入電線，或直擊擊中某地造成不同地點之間的地電位不均衡等原因而在直流體和無源導體上產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓，它的能量極大，一般放電電流在20-40kA，偶爾的雷暴則可達450kA。

    第二種是操作大容量的開關電源造成的瞬時過電壓。在電網(wǎng)中大中型感應設備和容性設備因分斷等原因而產(chǎn)生的過電壓。雖然它的過電壓比雷電低得多，但出現(xiàn)在生產(chǎn)過程中很頻繁，同樣對電子設備產(chǎn)生不同程度的損害。

    就電子計算機而言，系統(tǒng)所用的元器件耐瞬時過電壓、過電流的能力很低，根據(jù)美國83年模擬實驗統(tǒng)計，當雷閃電磁場升至0.07高斯時。計算機就會失效。當該磁場脈沖達到2.4高斯時，晶體管和集成電路便遭永久性破壞。

    用10×20μs沖擊波對TTL和CMOS 集成片實驗時，TTL是30V、CMOS為40V左右�，F(xiàn)在已進入21世紀，電子發(fā)展技術已上了幾個階段，可想它能承受的電壓要低得多。這也意味著只要計算機系統(tǒng)附近遭雷擊，計算機損壞便毋庸置疑，這樣的實例在國內外舉不勝舉。

    瞬時過電壓對計算機系統(tǒng)造成危害的途徑大致有三條：

    （1）由傳電的電網(wǎng)引入的。一般電力線上產(chǎn)生瞬時過電壓的原因很多，如供電系統(tǒng)大容量的開關，分、合負荷的突變產(chǎn)生大的瞬時沖擊，直擊雷擊中在電力線路（架空線路，地下電纜）或者在電力線附近落雷時產(chǎn)生的感應過電壓，都能沿電力線路傳入計算機內部，將計算機的多個接口燒壞。

    （2）由數(shù)據(jù)通訊線路引入的過電壓。熟知的中央處理器機和終端站間的通訊一般都是通過數(shù)據(jù)通信線路來完成，所以無論是地下電纜或架高電纜都會因直接雷或感應雷引起瞬間過電壓，在交流電力線與通訊線路平行或接近時，也可將電力線上的過電壓耦合至機內，由于雷電電磁脈沖LEMP也可通過通信線路傳至計算機系統(tǒng)中，從而引起設備損壞。

    （3）非常重要的一條：固地線安裝不當或防護方法不對，會在雷電環(huán)境中引起計算機系統(tǒng)內部產(chǎn)生的電位差，形成反擊而造成的危害。

    隨著電子技術的飛躍發(fā)展，電子設備和計算機系統(tǒng)日益成為瞬時過電壓破壞的主要對象。所以如國際電工委員會（IEC）、國際電信聯(lián)盟（ITU）等都制定相應的標準。我們國家也制定了標準，行業(yè)也制定了行業(yè)標準，同時制定了保護級別。
2.雷電電磁脈沖LEMP

    我們國家制定的標準《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-94（2000年）版第六章防雷擊電磁脈沖中談到了，雷擊電磁脈沖是一種干擾源。作為發(fā)生源的閃電通道向周圍很遠的地方傳輸，一種是空間傳輸?shù)妮椛涓蓴_，就是通過閃電通道和引導閃電電流的導電物體大部分起著輻射天線的作用，向空間閃出輻射電磁波；另一種是導線的傳導干擾，雷電的電磁干擾EMI 是通過電力傳輸線、信導線、地下電纜或地上各類纜線、天饋線、各種類型的金屬管道等導電體的傳輸。平時我們講的復合干擾就是導體傳輸干擾和輻射干擾。

    雷擊形成的電磁干擾EMI對電氣和電子設備及系統(tǒng)的侵入也是通過不同途徑：
    A． 各種電源線引入
    B． 各種信號線引入和信號輸出線引入
    C． 輻射的電磁場侵入

    由于雷擊電磁脈沖包含雷電流，雷電電磁脈沖LEMP是雷擊時產(chǎn)生的強大的閃電流和其電磁場，它的感應范圍很大，對高大建筑物、人身和各種電氣設備及各類型路線都會有不同強度的危害。

    這種危害的產(chǎn)生就是雷電電磁脈沖的干擾；雷電電磁脈沖對建筑物內的干擾一般歸類如下：
    A． 雷電波的電磁輻射對建筑物內電力線路的電磁干擾EMI；
    B． 雷電波的電磁輻射對建筑物內電子設備的電磁干擾EMI；
    C． 當裝設在建筑物的防雷裝置接閃時，強大的瞬間雷電流對建筑物內電力線路的干擾；
    D． 當裝設在建筑物的防雷裝置接閃時，強大的瞬間雷電流對建筑物內電子設備的干擾。
    E． 由外部各種強、弱點架空線路或者是電纜線路傳來的電磁波對建筑物內電子設備的干擾。
 
    導論的理由是雷電快速瞬變的脈沖同時產(chǎn)生很強的輻射發(fā)射，從而就耦合到電纜、機殼和線路中。

    為什么要對雷電電磁脈沖采取防護呢？

    原因是：近年來現(xiàn)代電子技術日益向高效率、高精度、高靈敏度和高可靠的方向發(fā)展。大家熟知，電子設備非常靈敏，而耐壓又低。比如由IEC實驗證實，一般電子設備都不能承受±5V的電壓波動。以各類計算機為例：當雷電電磁脈沖的磁場強度超過0.07Gs（高斯）時，就會引起計算機的誤動作；當磁場強度超過2.4Gs（高斯）時，就會造成計算機的永久性損壞。

    為防護雷電電磁脈沖的干擾，現(xiàn)在國內外常用的就是設計成籠式避雷網(wǎng)，它的原理是利用法拉第籠原理。由于建筑物用金屬結構觀比較普遍，用不了多少鋼筋就很容易連接起來形成一個法拉第籠，從而就可將建筑物內的電子設備屏蔽起來�，F(xiàn)在只要是工藝樓建筑上基本是“內部注混凝土，外墻板掛”。主要的工藝樓按使用的要求，半澆注半鋼架和鋼架做主體的；如果屏蔽做的較理想時，不僅能防御空間電磁波的輻射，而且還可使建筑物內部的分流和均壓達到最佳效果，但如果要達到一定等級的屏蔽必須根據(jù)建筑物內電子設備的使用要求而定。

    由于使用的要求不一樣，設備的性質也不同，有的只對電子設備本身屏蔽，有的要求在設備與設備之間達到屏蔽，還有要求較高的場地，需要機房全屏蔽。

    依據(jù)1995年國際電工委員會建筑防雷分委會（IEC/TC-81）在《雷電電磁脈沖的防護》的標準中就提出了防雷保護區(qū)方面的概念。故在工程師設計中就可按照微電子設備的多少、重要程度、主要的要求以及設備擺放的位置和相應的管線進出的具體布置情況來劃分防雷區(qū)，從而取得較為理想的屏蔽、等電位和接地效果。

    為什么我們在平時能聽說“雷電發(fā)生在建筑物周圍最大”呢？

    因為防雷的引下線，做法是用鋼筋混凝土板內的鋼筋和整個建筑的金屬門窗各管線等等形成的屏蔽網(wǎng)都在外墻上，雷電流必須經(jīng)近處鋼筋分流到大地上，導致墻處的電流密度大，電磁場強。

    所以在設計機房時，建筑物中的電源和通信網(wǎng)絡線等主要干線不應靠近外墻，最好設置在建筑物的中心位置，若中心設有電梯井，要設置在電梯井的附近。同時建筑物內的各種電力電氣饋線都要穿過金屬管或是金屬線槽數(shù)設。電子設備所用的電氣饋線和各類通訊網(wǎng)絡線纜宜采用屏蔽電纜，特殊的地方應采用雙層屏蔽纜線。在不停電電流的輸入，輸出和電子設備的配電設備處應加裝SPD，以及濾波導裝置。

    本章開頭我們就讀到雷擊產(chǎn)生的浪涌，對電子系統(tǒng)及電子設備的危害：它是通過耦合干擾來破壞電子設備的。

    雷電對電子設備的危害不是因為直擊雷擊引起的，而是由于雷擊對電源和通信線路上感應電壓（電流）的瞬時沖擊引起的。主要是近年來電子設備內的電子結構高度密集和高度集成化，各種芯片耐壓耐過流的水平都很低，對雷電以及操作的瞬時過電壓的承受能力都很低；另一方面由于信號來源的渠道路徑增多，系統(tǒng)遭受雷擊的耦合機會也增多。

    現(xiàn)代化的大都市，密布的建筑群和各類金屬塔都容易引雷。由雷電引起的浪涌電壓（電流）可以通過電源線和通信線等途徑竄入到電子設備。

    當然浪涌電壓（電流），不只是來源于雷電的電磁脈沖。還來自各種的電磁干擾（EMI），無線電干擾，靜電放電干擾（ESD）等的信號干擾。一旦這些干擾信號進入電子設備中，不免對傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼，影響傳輸?shù)臏蚀_性和傳輸速率。如果我們了解和熟知這些干擾然后去消除它們，從而就改善了電子信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸，保證了運行中因傳輸線路引起的信號完整性。