雷击浪涌的产生及危害

雷电
是一种常见的自然现象，雷云中的电荷累积到一定程度，云 与云之间或云与地之间就会发生空气击穿而引起静电放电。这种 通过大地上的建筑物、高架输电线或通信电缆直接放电而产生的 电压浪涌称直接雷击，其放电电流可达 3～200KA。在建筑物、高 架输电线或通信电缆附近发生的静电放电通过地电位变化或电磁 耦合引起的雷击电压浪涌称为间接雷击。一个距离数据电缆或建 筑物 100m 的雷击放电，可能在该数据电缆上感应 6KV、3KA 的电 压浪涌。
气体放电管
其结构是在陶瓷外壳内部（两端有金属电极）充入惰性气 体，比如氩气或氖气。当外部电压(两极)增大到使两极间的电场 超过气体的绝缘强度，两极发生间隙击穿。两极间呈低阻状态。气 体间隙击穿电压与过电压的上升速度有关（如图 5 所示）。
从图 5 可以看出，当电压上升速率小时，如 100V/us，则保护 动作电压 Uz2 为气体放电管额定击穿电压。当瞬变电压上升速率 很大时，如 1000V/us 时，则响应时间变小，动作电压可达额定击 穿电压 10 倍。如气体放电管直流击穿电压为 90V，1KV/us 瞬变击 穿电压可达 900V。气体放电管的主要特点是放电电流大。最大可 达 100KA。它的缺点是输出残压大约 700V（当 1KV/us）和响应时 间相对较慢约在 ns 梪 s 之间。还有一个缺点是可能出现的续流问 题。放电管击穿后电弧两端的电压很低，只有外部电压低于该值 时，电弧才会熄灭。否则气体放电管将吸收线路中的电能直至烧 坏。这里电源保护电路应重点考虑而信号线路保护可不考虑。
雷击和电压浪涌的危害
我国地域辽阔，大部分地区属雷暴日多发地区。除了西北 地区雷暴日较少外，其他地区如东北地区年均雷暴日有 3 0 天左 右，华北地区 40～50 天，长江以南大部分地区都在 40～80 天，而 福建、广东、广西、云南、海南等地区长达 80 天以上。
在我国主要经济活动地区如长三角及长江经济带、珠三角地 区，都处于雷暴多发地区，不管是直接雷击还是间接雷击，它除 了危及到人身安全外还将对电子设备造成巨大损害。在这些地区 计算机控制系统及电子信号产品使用量最大，遇到雷击造成的危 害也最大。由于科学技术的进步，电子信息系统集成度的不断提 高，但同时其耐受电涌冲击的能力却在下降，导致因雷击电涌引 起的电子信息系统数据丢失或损坏而造成的损失逐年增多。
瞬态抑制二极管
当浪涌电压加在保护电路的输入端时，响应时间速度最快的 瞬态抑制二极管 TVS 首先动作。通过选择适当耦合元件(电感或电 阻)参数使线路设计为在抑制二极管可能损坏之前，随着放电电流 的增加使其在 L2 上产生的压降加上在 TVS 上的压降达到 MOV 的 击穿电压，这时 MOV 开始放电。同样，随着放电电流进一步增加 使其在 L1 上的压降加上 MOV 击穿电压达到 GDT 的动作电压，最 终由 GDT 释放更大的浪涌电流，见图 8。
图3
图4
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防雷和浪涌保护知识
防雷元件
雷击电涌保护器(SPD)的基本要求是响应时间快，放电电流 大，输出残余电压低和使用寿命长。要想达到上述要求需采用不 同的保护元件构成多级保护电路。常用的保护元件有三种：陶瓷 （或玻璃）气体放电管（GDT）、金属氧化物压敏电阻（MOV）、瞬 态抑制二极管（TVS）。
例如;当浪涌电压以 1KV/us 的标准速率上升，峰值为 6KV 的 脉冲电压加在一个 24V 组合保护电路时，通过气体的放电管后电 压大约被限制在 700V。此电压通过耦合元件（电感或电阻）的衰 减和压敏电阻的抑制，电压大约被限制在 150V 左右。再经抑制二 极管箝位使输出电压限制在 40V 左右。这样被保护的电子设备只 需承受其额定 1.5 倍的瞬间过电压。
压敏电阻
压敏电阻是一种以氧化锌为主要成份的金属氧化物半导体, 非线性电阻,当作用在两端的电压高于他的额定电压时,它的电阻 将迅速减小而尽拟短路（如图 6 所式）。
浪涌电压通过压敏电阻被泻放到大地。它作为多级保护电路 的中间级对过电压进一步箝位。压敏电阻具有中等的放电能力， 在信号线路保护中采用的压敏电阻放电能力为 5KA 以下，它的响 应时间也是中等约 25ns 左右。而残压比气体放电管小许多和没有 续流问题。但它有两个缺点即，容易老化和电容较大，约 1000 － 10000PF。老化是漏电流造成的。因此，压敏电阻不适合用在较高 灵敏度的测量电路和较高频率.（100KHz 以上）的通讯电路中。特 别是在本安防爆型 SPD 中不宜采用。
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雷击和电压浪涌产生及危害
雷击感应电压浪涌途径
电压浪涌
是指电子系统额定工作电压瞬时升高，其幅度达到额定工作 电压的几倍～几百倍。电压浪涌可能引起通信系统的数据失真和 丢失，甚至造成电子设备损坏。产生电压浪涌的原因有：雷击、设 备开关、静电放电和线路故障。雷击发生的频率相对其它原因要 少得多，但危害最大。
图7 压敏电阻特性曲线
图8
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防雷和浪涌保护知识
浪涌保护器应用
浪涌保护器和被保护设备的接地
本安型浪涌保护器安装和布线
将被保护设备的接地线或外壳和浪涌保护器接地线之间用导 线直接连接起来,并使连接导线尽可能缩短。在浪涌保护器接地端 单点接地。这样可避免浪涌保护器与被保护设备的地线之间产生 高电压，从而有效地起到保护作用。
图1
电感耦合
当雷击通过建筑物外防雷系统（如避雷针）放电时，巨大的 雷电流产生的电磁场会在建筑物内电子设备连接电缆线上感应出 破坏性的电压浪涌（如图 2 所示）。
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图2 115
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防雷对策
电容耦合
当雷电击中一根架空电线时，就会和附近电缆线之间产生很 强的电场。由于它的高频特性，通过电缆线之间的分布电容耦合， 会在低电位电缆线上产生电压浪涌，从而对电子设备造成破坏 （如图 3 所示）。
建筑物的电子信息系统遭受雷击的影响是多方面的，既有直 接雷击，也有从电源线、信号线路入侵的雷电电磁脉冲（电容耦 合），还有在建筑物附近落雷形成的电磁场感应（电感耦合），以 及接闪器接闪后由接地装置引起的地电位反击（电阻耦合）。因 此，电子信息系统应采用外部和内部相结合的防雷措施进行综合 防护。外部防雷采用传统的避雷针、避雷网等防护设备将雷击电 流引至大地，但通常只有 50％的雷电能量直接进入大地，其余 50 ％的能量将通过各种方式传入建筑物中电子信息系统中。为实现 内部防护，一方面建筑物内的所有金属管道及电子设备地线必须 实现等电位接地，另一方面在电子信息系统中各种与外部通信传 输线路端口安装与之适配的浪涌保护器，见图 4。
压敏电阻
气体放电管符号 图6
图5
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防雷和浪涌保护知识
多级组合保护电路原理
瞬态抑制二极管
瞬态抑制二极管有单极性和双极性两钟。其最大特点是响应 时间非常短，为 ps 级，箝位电压低。但泄流能力不够大。一般小 于 1 5 00 W （1 0/ 1 0 00 μ s 波形)。而也有较大的电容 1 0 0p F － 10000pF，箝位电压越低，结电容越大。它一般用在最后一级做精 箝位，图 7 压敏电阻特性曲线。
当用本安型浪涌保护器(SPD)保护安全栅及连接的设备时，应 将浪涌保护器与安全栅分开安装（如下图），以满足危险侧与安全 侧接线端子之间 50m m 的间隔要求，同时可使得布线更加整齐。
正确
正确
错误
错误
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直接雷击可造成巨大破坏。在直接雷击附近的电源线和数据 线上感应的电压浪涌也会造成损害。由雷击感应电压浪涌称雷击 二次效应。其主要的耦合途径有三种：1）电阻耦合，2）电感耦 合，3 ）电容耦合。
电阻耦合
当雷击发生在某一建筑物 A 接闪器上或附近大地上时，会引 起建筑物附近地电位急剧升高。由于存在大地电阻，在 A、B 两地 间将会产生巨大的电势差。这个电势差通过电子接地系统，A、B 内电子设备连接导线会产生巨大的浪涌电流，对电子设备造成损 害（如图 1 所示）。