电子设备的雷电及过电压保护

电子设备的雷电及过电压保护

过电压主要是指雷击过电压、电力网络操作过电压，损坏电子设备的过电压通常就是这两种。众所周知，作为一种大气物理现象，每一次雷击都是由一系列的放电（云间、云地）形成的。雷击过电压是指由于雷电直接击中电线；雷击避雷针时由于电阻耦合、电容耦合、电感耦合引入电线；或雷击某地造成不同地之间的地电位不均衡等原因在有源或无源导体上产生的瞬态过电压。雷击过电压的能量有时非常强，雷电的放电电流一般为20_40千安培，在大雷暴时最大可达430千安培，雷击概率及其电流数据如下表所示：

概率50%10%5%≈1%

电流峰值kA3080100200

电荷量As1080100400

雷电现已成为破坏电子设备的主要原因。操作过电压是指开关中央电源设备、电力网中大型感性或容性设备的投切等原因产生的过电压。操作过电压不如雷击过电压高，但出现频繁，对电子设备同样会产生不同程度的损害。

1.过电压保护必要性

现在已进入电子信息时代，各行各业都日益广泛地采用电子信息技术装备自己，如一座现代化的大厦，一般都装有自动消防、防盗保安、程控电话、楼宇自控、电脑管理、群控电梯、广播音响、闭路等一系列电子信息系统；又如国防现代化建设，电子信息技术已作为其发展的基础；其它航天、金融、邮电、石油化工、电力、广播电视等部门及工厂企业也不例外，所以电子信息设备的应用已日趋广泛，其数量与规模正在不断地扩大。但是这种电子信息设备的工作信号电压很低，一般仅5V左右，因此，其抗干扰、抗电涌的能力极低，对电磁环境的要求很高，所以随着电子信息设备的广泛应用，过电压的危害也将日趋严重，尤其是雷电引起的过电压，其后果不但使这种昂贵的设备损坏，而且有可能使整个系统的运行中断，造成巨大的经济损失。

随着电子技术的发展，电子设备日益成为雷电破坏的主要对象之一。为此，国内外专家学者进行了大量的实验和研究，IEC（国际电工委员会）、ITU(国际电信联盟)等组织都制定了相应的防雷电及电磁脉冲的标准，如IEC1024、IEC1312、ITU的K系列等。IEC1024、IEC1312相继公布了雷电流参数（如表1）和雷电波形，并对雷电保护区（LPZ）的划分、系统的分级保护和浪涌过电压保护器（SPD）的各项指标进行了规定。我国的国家标准《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）也对雷电电磁脉冲的防护进行了规定：“在配电盘内，宜在开关的电源侧与外壳之间装设过电压保护器”（第3.5.4条，三）；信息产业部《移动通信基站防雷防雷与接地设计规范》（YD5068-98）中规定：“3.1.5……出入基站的所有电力线均应在出口处加装避雷器”，“ 3.3.3同轴电缆馈线进入机房后与通信设备连接处应安装馈线避雷器”，“ 3.4.1信号电缆应由地下进出移动通信基站处应加装相应的信号避雷器”；公安部颁发的《计算机信息系统防雷保安器》（GA173-1998）中规定：“计算机信息系统加装有效可靠的防雷保安器，是国际上通用的最有效的防护措施”等。

表１

首次雷击的雷电流参数保护级别

Ⅰ（一类）Ⅱ（二类）Ⅲ-Ⅳ（三类）

I幅值（KA）200150100

T1波头时间（μS）101010

T2波头时间（μS）350350350

2.雷电过电压保护系统

现代意义的防雷，把防雷看成一个系统工程，根据雷电电磁脉冲（LEMP）防护的国际标准：

IEC1024和IEC1312，前者对应国家标准GB50057-94，现代防雷系统的构成如图1所示。

其中，根据IEC1024-1：1990，借助电位补偿布线和浪涌过电压保护器（SPD）实现雷电电磁防护均压等电位系统，即将外部避雷器、建筑物钢筋结构、内部安装的设备外壳、用于非电系统的导体部分以及电气和电讯装置等连接起来，建立等电位，是实现内部防雷保护的非常重要的措施。

鉴于国内过电压保护等方面欠缺相应的标准，为适应防雷工程开展的需要，根据中华人民共和国标准法的规定，对国内无相应的标准可参考时，参照国际上有关规定执行。为此，本公司将依据IEC1312等国际标准结合国内标准设计防雷系统。

一个有效的防雷系统，包括三部分：

直击雷保护

一点接地网络

暂态浪涌电压抑制

三者缺一不可，而正确的连接和接地是其中最关键的因素。

（一）直击雷保护

避雷针（或避雷带、避雷网）、引下线和接地装置构成建筑物的直击雷保护，同时要抑制引雷过程中的二次效应。（由于直击雷的防护技术现已比较成熟且已被广泛应用，这里不作阐述）。

（二）一点接地网络

除独立避雷针外，其它交流地、保护地、信号地、防雷地等不同的接地均接成一点接地网络系统，使其电位差不随雷击电流的变化而变化，形成“水涨船高”的接地电位网络。

等电位连接

过电压保护的基本原理是在瞬态过电压发生的瞬间（微秒或纳秒级），在被保护区域内的所有金属部件之间应实现一个等电位。“等电位是用连接导线或过电压保护器将处在需要防雷的空间内的防雷装置、建筑物的金属构架、金属装置、外来的导体物、电气和电讯装置等连接起来。”(《建筑物防雷设计规范条文说明》)(GB50057-94)。“等电位连接的目的在于减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差”(IEC1312 3.4)。《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）中规定：“第3.1.2条装有防雷装置的建筑物，在防雷装置与其他设施和建筑物内人员无法隔离的情况下，应采取等电位连接。”在建立这个等电位连接网络时，应注意使相互之间必须进行信息交换的电器和电子设备与等电位连接带之间的连接导线保持最短距离，这一点可以用以下公式说明：

V=Ldi/dt (1)

根据上式：电感（L）越大，瞬变电流在电路中产生的电压（V）就越高，而电感主要与导线的长度成正比，因此，应使连接导线尽可能地短些。同时，采用多条连接导线并联也能明显地降低电感量，因此可采用星型或网型结构将被保护的装置连接到一条等电位连接带上。对于系统中无法使用连接导线进行等电位连接的地方，应使用电涌保护器（SPD）实现瞬态等电位连接。因此需要选用一些响应速度快的元件，在瞬态过电压的情况下将数十千安的电流传导入地，理论计算认为：在雷击情况下，以10/350μs脉冲计算，通流量可高达50kA。在建立了由连接导线和电涌保护器组成的等电位连接网络后，当网络出现瞬态浪涌过电压甚至受到雷击时，可以认为在极短的时间内形成了一个等电位岛，这个等电位岛对于远处的电位差可高达数十万伏，而岛内由于实现了等电位连接，所有导电部件之间不会产生有害的电位差。

以上两点在《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）中有详细的规定。

（三）暂态浪涌电压抑制

在过去，线路中的过压不是一个很大的问题，而现在大量使用微电子设备，尤其是微处理机