防雷及电涌保护的基本原理

浅谈防雷及电涌保护的基本原理

随着科学技术进步，微电子技术的不断发展；自动化水平也在不断提高，自动控制系统在生产生活各个方面的使用越来越广，微电子设备应用日益广泛，人们在受益于微电子的极大方便的同时，也受到其一旦损坏就损失巨大的困扰。而雷击是一种自然现象，它能释放出巨大的能量、具有极强大的破坏能力。几个世纪来，人类通过对雷击破坏性的研究、探索，对雷电的危害采取了一定的预防措施，有效地降低了雷害，采取正确、全面的防雷措施是保证弱电设备安全可靠运行的重要手段。但在实际生产活动中，设计我厂自动控制系统时，往往对自动控制系统的防雷未加考虑，一旦有雷电波侵入，设备损坏一般是巨大的，有的可能导致整个系统瘫痪，造成无可挽回的损失。一些微电子器件工作电压仅几伏，传递信息电流小至微安级，对外界的干扰极其敏感，而雷电流产生的瞬变电磁场对微电子设备的干扰和损害尤为严重。在雷雨季节，自动化显示系统、通信联络系统(Modem、载波机、程控交换机等)等常常损坏，造成较大的直接和间接经济损失。尽管有些自动化系统采取了一定的防雷措施，但仍常出现由于雷击发生使弱电设备损坏。其主要原因是由于一次设备发生雷击后在弱电设备造成的浪涌超过了设备承受的能力而损坏设备的，浪涌的主要形式是电源浪涌、信号浪涌。雷电危害可分成直击雷、感应雷和浪涌三种。

一、直击雷

直击雷在雷暴活动区域内，雷云直接通过人体，建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称之为直接雷击。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位。雷电击中人体、建筑物或设备时，强大的雷电流转变成热能。雷击放电的电量大约为25～100C。据此估算，雷击点的发热量大约500～2000J。该能量可以熔化50～200mm3的钢材。因此雷电流的高温热效应将灼伤人体，引起建筑物燃烧，使设备部件熔化。在雷电流流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击性机械力。该机械力可以达到5000～6000N，因而可使人体组织，建筑物结构、设备部件等断裂破碎，从而导致人员伤亡、建筑物破坏，以及设备毁坏等。雷电流在闪击中直接进入金属管道或导线时，它们沿着金属管道或导线可以传送到很远的地方。除了沿管道或导线产生电或热效应，破坏其机械和电气连接之外，当它侵入与此相连的金属设施或用电设备时，还会对金属设施或用电设备的机械结构和电气结构产生破坏作用，并危及有关操作和使用人员的安全。雷电流从导线传送到用电设备，如电气或电子设备时，将出现一个强大的雷电冲击波及其反射分量。反射分量的幅值尽管没有冲击波大，但其破坏力也大大超过半导体或集成电路等微电子器件的负荷能力，尤其是它与冲击波叠加，形成驻波的情况下，便成了一种强大的破坏力。

二、感应雷。感应雷可由静电感应产生，也可由电磁感应产生，形成感应雷电压的机率很高，对建筑物内的弱电设备威胁巨大。感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备具有强烈的破坏性。感应雷可分为以下两类：静电感应雷（电感性耦合）和电磁感应雷。

1、静电感应雷（电感性耦合）。根据感应定律：带有大量负电荷的雷云所产生的电场E将会在架空线路上感生出被电场束缚的正电荷。当雷云对地放电或对云间放电时，云层中的负电荷在一瞬间消失了（严格说是大大减弱），那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击，从而对仪表电器设备产生不同程度的影响。

2、电磁感应雷。雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上（由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了），对用电设备造成极大危害。地电位反击电压通过接地体入侵；雷击时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地，在接地体附近放射型的电位分布，若有连接电子设备的其他接地体靠近时，即产生高压地电位反击，入侵电压可高达数万伏。建筑物防直击雷的避雷引入了强大的雷电流通过引下线入地，

在附近空间产生强大的电磁场变化，会在相邻的导线(包括电源线和信号线)上感应出雷电过电压，因此建筑物避雷系统不但不能保护计算机，反而可能引入了雷电。计算机网络系统等设备的集成电线芯片耐压能力很弱，通常在100伏以下，因此必须建立多层次的计算机防雷系统，层层防护，确保计算机特别是计算机网络系统的安全。

三、浪涌。雷电浪涌是近年来由于微电子设备的不断应用而引起人们极大重视的一种雷电危害形式，同时其防护方式也不断完善。最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌引起的。一方面由于电子设备内部结构高度集成化，从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降，对雷电（包括感应雷及操作过电压浪涌）的承受能力下降，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜入微电子设备。我就这电源浪涌和信号系统浪涌两方面分别讨论其对弱电设备的危害：

1、电源浪涌。电源浪涌并不仅源于雷击，当电力系统出现短路故障、投切大负荷时都会产生电源浪涌，电网绵延千里，不论是雷击还是线路浪涌发生的几率都很高。当距你几公里的远方发生了雷击时，雷击浪涌通过电网线路传输，经过变电站等衰减，到你的微电子设备时可能仍然有上千伏，这个高压很短只有几十到几百个微妙，或者不足以烧毁微电子设备，但是对于微电子设备内部的半导体元件却有很大的损害，例如旧音响的杂音比新的要大是因为内部元件受到损害一样，随着这些损害的加深微电子设备也逐渐变的越来越不稳定，或有可能造成您重要数据的丢失或出现一些莫名其妙的疑问。

2、信号系统浪涌。信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。金属物体（如传输线）受到这些干扰信号的影响，会使传输中的数据产生误码，影响传输的准确性和传输速率。排除这些干扰将会改善网络的传输状况.

目前，直击雷造成的灾害已明显减少，而随着城市经济的发展，感应雷和雷电波侵入造成的危害却大大增加。一般建筑物上的避雷针只能预防直击雷，而强大的电磁场产生的感应雷和脉冲电压却能潜入电路中危及回路中的仪表设备、电源、DCS及联网微机等弱电设备。

(1) 当地面突出物遭直击雷打击时，强雷电压将邻近土壤击穿，雷电流直接入侵到电缆外皮，进而击穿外皮，使高压入侵线路。

(2) 雷云对地面放电时，在线路上感应出上千伏的过电压，击坏与线路相连的电器设备，通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播，涉及面广，危害范围大。

(3)若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时，当某一导线被雷电击中时，会在相邻的导线感应出过电压，击坏低压电子设备。

目前，随着微电子设备应用的日益广泛和普及，雷电会导致对微电子设备多种不同形式的危害，而目前仍没有任何一种办法可以全面防止雷电的危害，只能通过各种有效的办法可将雷害的程度降到最低，在多年的实际中人们对直击雷、感应雷、球形雷的认识比较高，防护也相对完善，但对雷电浪涌的防护意识和防护措施相对比较薄弱，目前国外有一些厂家已经过多年研究，出现了一些可以减少雷害的产品用于过程控制领域。

四、电子装置防浪涌器件。为了防止瞬态浪涌摧毁系统,所有处于危险中的接口,如信号的输入输出、电源,必须安装防雷及电涌保护器。通过“有效保护电路”我们可以防止浪涌电压的侵害。我们把被保护的系统或设备看成是在一个受保护的区域内，如下图示。在所有的交叉点“线路-保护电路”，应安装与需保护装置的具体电路类型相匹配的防雷及电涌保护器。如此保护电路之内的区域将是安全的，不可能受外部耦合浪涌电压的侵害。按照防护范围可将弱电设备的防雷措施分为两类，外部防护和内部防护。外部防护是指对安装弱电无线数据过程控制线路低压电系统设备的建筑物本体的安全防护，可采用避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等措施，这种防护措施人们比较重视、比较常见，相对来说比较完善。内部防护是指在建筑物内部弱电设备对过电压（雷电或电源系统内部过电压）的防护，其措施有：等电位联结、屏蔽、保护隔离、合理布线和设置过电压保护器等措施，这种措施相对来说是比较新的办法，也不够完善，针对弱电设备防雷的特性机理，对雷电浪涌及地电位差的防护进行探讨。

1、弱电设备的外部防护。弱电设备的外部防护首先是使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引入大地；其次是在将雷电流引入大地的时候尽量将雷电流分流，避免造成过电压危害设备；第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉第笼，起到一定的屏蔽作用，如果建筑物中的设备是低压电子逻辑系统、遥控、小功率