电子设备的防雷

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电子设备的防雷

随着微电子技术的发展，电力系统中广泛采用了微波通信和各种自动化系统。电子设备的防雷问题已提到日程上。为了提高电子设备防雷运行的水平，各个使用部门均制定了相应的标准、规程、规范或导则。例如，由邮电部主编的国标“电子设备雷击保护导则（GB7450—87）”，由邮电部基建司主编的通信行业标准“微波站防雷与接地设计规范（YD2001—93）”，由信息产业部综合规划司主编的通信行业标准“移动通信基站防雷与接地设计规范（YD5068—98）”和“通信工程电源系统防雷技术规范（YD5078—98）”以及由国家电力调度通信中心主编的电力行业标准“电力系统通信站防雷运行管理规程（DL548—94）”等。但是由于电子设备的防雷研究还只是近十余年的事情，要达到与目前强电设备防雷技术相似的水平，还需经过一段时间的努力。

下面结合微波站防雷对电子设备的防雷作一具体分析。微波站雷害的来源有直击雷、感应雷和侵入波三个方面。通常雷击微波站进线形成的过电压或因雷击而在进线上感应的过电压可以从低压电源线、通信线和信号线入侵微波站；雷击微波站天线铁塔而出现的高电位可以从天馈线、波导管或接地线入侵微波站。下面着重介绍微波站的侵入波保护。

雷击时出现在导线与地间的过电压称为纵向过电压（或称共模过电压）；出现在导线间的过电压称为横向过电压（或称差模过电压）。这些过电压需用相应的过电压保护元件来抑制。装在靠近外线路入口处的保护称为粗保护，用作粗保护的保护元件要求有大的通流能力，允许有较高的残压。用于内电路固体元件保护的称细保护，用作细保护的保护元件要求有较低的限幅电压（残压或箝位电压），其通流能力可较低。性能好的电子装置自身应带有细保护元件。

一、用于电子系统的过电压保护器件

目前用于电子系统的过电压保护器件主要有气体放电管、氧化锌压敏电阻和齐纳TVS （Transient Voltage Suppressor）二极管等。

1. 气体放电管

气体放电管是一种用陶瓷或玻璃封装、内充低压惰性气体（如氩气、氖气）的放电间隙。当加在间隙上的电压超过其放电电压时，间隙击穿，从而起到限制过电压的作用。气体放电管有二电极和三电极两种结构。图1为其保护接线示意图。三电极放电管的优点是当一线的电极对接地极放电时，所产生的电弧会照射接于另一线的未放电的间隙，强迫该间隙提前产生点火电子。因而也在极短时间内对地放电。根据试验，利用这一原理，两电极放电的时间差可减少为0.15 ~ 0.2ms。

（a）二极放电管b）三极放电管

图1 气体放电管的保护接线

气体放电管的特点是通流容量大（一般为103 ~ 105A），极间电容小（不大于10pF），但其动作电压较高（冲击击穿电压不能低于250V），响应时间慢（10–6s），而且动作后会出现续流，不易关断，所以通常用于电话线及高至50 MHz的信号的初级保护。

2. 氧化锌压敏电阻

氧化锌压敏电阻是以氧化锌(ZnO)为主要材料，以少量的氧化铋（Bi2O3）、氧化钴（Co2O3）、氧化锰(MnO2)、氧化锑(Sb2O3)等金属氧化物作添加剂，在1000℃以上的高温中烧结而成的非线性电阻片。理想的非线性电阻应在大电流时呈现为小的电阻以保证在雷电流通过时其上的压降（残压或箝位电压）足够低，起到限压的作用。在雷电流过去以后，当加在电阻片上的电压是其正常工作电压时，电阻片应呈现为大的电阻以保证系统能恢复正常工作。其非线性程度可用下式表示

U=CIa(1)

式中C为电阻片流过1A电流时的压降，它和电阻片的材料及尺寸有关；a为非线性系数，其值小于1。a愈小则非线性愈好，当a=0时，将出现电阻片电压不随电流而变的理想状态。图2为氧化锌压敏电阻的伏安特性，可划分为小电流区、非线性区和饱和区三个区域。在小电流区（通过氧化锌阀片的电流在１mA以内）非线性系数较大，约为0.1~0.2。在非线性区a大大下降，可低达0.015~0.05，已非常接近a=0的理想值，即使在10kA雷电流下，a也仅为0.1左右。在饱和区，电阻片的伏安特性明显上翘。在正常工作时通过电阻片的电流小于10–5A，可以近似认为为零。

图2 氧化锌电阻的伏安特性

通常把氧化锌压敏电阻片伏安特性上拐点（即小电流区和非线性区的交界处）附近的某一电流值称为电阻片的参考电流（一般为1mA）。在参考电流下测得的电阻片上的电压称为电阻片的直流参考电压V1mA，显然当作用在电阻片上的电压超过其参考电压时，流过电阻片的电流将迅速增大。电阻片的持续运行电压的峰值与直流参考电压（即额定电压峰值）的比值称为电阻片的荷电率。荷电率的高低将直接影响到电阻片的老化过程。荷电率高时，电阻片的老化将加速，降低荷电率可以减缓电阻片的老化过程，增大其使用年限。但还应注意到荷电率的降低会使电阻片的保护性能变坏。常用的荷电率在45%~75%内。

氧化锌压敏电阻的通流能力大（一般为102 ~105A），动作响应时间快（10-9s），且动作后无续流出现，常用于各级电源的初级和次级保护。但由于氧化锌压敏电阻的直流1 mA电压的降低受到电阻片厚度的限制一般不能低于15V，所以残压的降低受到了限制，而且其极间电容太大（可达数千pF），不能用在高频，超高频和甚高频的电路中，也不能用在箝位电压要求低的场合。目前氧化锌压敏电阻广泛应用于电源系统的初级、次级保护，也可用于频率不高的信号保护中。

3. 齐纳TVS二极管

齐纳TVS二极管是一种专门用来抑制过电压的二极管。它是在普通稳压二极管的基础上发展起来的。和普通稳压二级管相比，齐纳TVS二极管具有较大截面积的硅PN结，该PN结工作在雪崩状态时，脉冲吸收能力较普通稳压二极管强。齐纳TVS二极管有单极性和双极性两种。单极性TVS管只对一个方向的冲击电压起保护作用，相当于一个稳压二极管，靠它的伏安特性起箝拉作用。参看图3，二级管在反偏电压下工作，当电压位于0 ~ UZ之间时，管子呈高电阻，流经管子的只有mA级的电流。当反偏电压达到UZ时，流经管子的电流迅速增加，管子进入低电阻导通状态。管子一旦导通后，只要流过管子的电流不大于其允许的最大电流，管子两端的电压就大体上保持在UZ附近。当雷电脉冲通过后，二极管又可恢复到高阻状态。双极性TVS二极管的工作原理相当于两只稳压二极管反向串联，对正、负极性的冲击电压均能起到保护作用。图4为其伏安特性。

图3 单极性TVS二极管图4 双极性TVS二极管

齐纳TVS二极管的箝位电压低（可低达12V）响应时间快（可达10–12s），极间电容小，可用于信号和数据线的保护。但由于其通流能力较小（为101 ~102A），一般不宜用于电源等的初级和次级保护。

二、电源保护

有关220V/380V低压电源线的保护已在低压配电网的防雷中阐明。需要进一步说明的是，对一些耐压水平低的设备，当采用单个保护装置后残压仍嫌太高时，可以采用两级或多级保护的方式，使雷电流逐级分流，残压逐级降低。图5为电源采用两级保护时的典型接线图。两级保护均可用氧化锌压敏电阻为保护元件，但第一级保护应能先于第二级保护动作，并应有比第二级保护大的通流能力。当两级保护间的电气距离不够大时，为确保第一级保护先于