電子設(shè)備和電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)防雷技術(shù)

摘要：國(guó)內(nèi)外都已把防雷認(rèn)為是一個(gè)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(nèi)部防雷（法拉第籠、均壓等電流等）和過電保護(hù)。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(hù)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)和數(shù)據(jù)線的瞬變保護(hù)。
前 言

    電子設(shè)備、電子系統(tǒng)運(yùn)行以及各用電設(shè)備之間就和人類生活中一樣，必須有一個(gè)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(yùn)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(shè)備和電子系統(tǒng)越來越趨于極效弱的信號(hào)下工作，信號(hào)工作頻率越來越高，動(dòng)作時(shí)間越來越短，電子設(shè)備的多功能化就、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、功率加大和頻率的提高，靈敏度也越來越高。故對(duì)外界的電磁干擾和電子元器件的都會(huì)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(shí)現(xiàn)。但是電子技術(shù)應(yīng)用的廣泛性是科學(xué)發(fā)展的必然，對(duì)于這些干擾的復(fù)雜性，根據(jù)電磁兼容（EMC）的原理，可以采用許多技術(shù)措施來減小EMI。將電磁干擾EMI控制在一定范圍的參數(shù)內(nèi)，從而來保證電子系統(tǒng)或電子設(shè)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(zhì)可分為自然干擾和認(rèn)為干擾，人為干擾中主要分為有意和無意干擾。
   
    這個(gè)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(jì)：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(dá)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(dá)3000K度（為太陽(yáng)表面溫度的5倍）。每年由于雷害事故全球的經(jīng)濟(jì)損失載入冊(cè)的就有10億美元，在歐美等國(guó)家每年有20~30%電子設(shè)備因感應(yīng)雷而引起故障。

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

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

    一般感應(yīng)雷擊造成的電子系統(tǒng)及電子設(shè)備破壞性大致分為：
    （一）、傳輸或存儲(chǔ)的信號(hào)或數(shù)據(jù)，不管模擬電路或數(shù)字電路都會(huì)受到干擾和丟失，甚至造成設(shè)備誤動(dòng)作或短時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)降低了其性能和壽命。
    （三）、若大幅值的雷電沖擊，電子設(shè)備的線路板（接口板）及元件燒毀會(huì)立即癱瘓，曹成不可估量的損失。

    綜上所述，國(guó)內(nèi)外都已把防雷認(rèn)為是一個(gè)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(nèi)部防雷（法拉第籠、均壓等電流等）、過電保護(hù)。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(hù)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)和數(shù)據(jù)線的瞬變保護(hù)。

    二、雷擊的表現(xiàn)形式

    （一）是帶電的云層與大地上某一點(diǎn)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(yīng)作用，使地面某一范圍帶上異種電荷。當(dāng)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(qiáng)大的脈沖電流對(duì)周圍的導(dǎo)電體產(chǎn)生電磁感應(yīng)發(fā)生的高電壓造成的閃擊現(xiàn)象，我們稱為“感應(yīng)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(dòng)，會(huì)在發(fā)生哨般的響聲后出現(xiàn)嗡嗡聲，遇到阻礙它會(huì)停止，有時(shí)也會(huì)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(shí)，在室內(nèi)來回滾動(dòng)幾次，能按原路返回。有時(shí)會(huì)綜合消失掉，一旦碰到異電荷，如人畜時(shí)會(huì)發(fā)出爆炸聲，同時(shí)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(xué)的態(tài)度來認(rèn)識(shí)“球形雷”。

    1. 瞬時(shí)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(shí)，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(diǎn)之間的地電位不均衡等原因而在直流體和無源導(dǎo)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(dá)450kA。

    第二種是操作大容量的開關(guān)電源造成的瞬時(shí)過電壓。在電網(wǎng)中大中型感應(yīng)設(shè)備和容性設(shè)備因分?jǐn)嗟仍�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(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生不同程度的損害。

    就電子計(jì)算機(jī)而言，系統(tǒng)所用的元器件耐瞬時(shí)過電壓、過電流的能力很低，根據(jù)美國(guó)83年模擬實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)雷閃電磁場(chǎng)升至0.07高斯時(shí)。計(jì)算機(jī)就會(huì)失效。當(dāng)該磁場(chǎng)脈沖達(dá)到2.4高斯時(shí)，晶體管和集成電路便遭永久性破壞。

    用10×20μs沖擊波對(duì)TTL和CMOS 集成片實(shí)驗(yàn)時(shí)，TTL是30V、CMOS為40V左右�，F(xiàn)在已進(jìn)入21世紀(jì)，電子發(fā)展技術(shù)已上了幾個(gè)階段，可想它能承受的電壓要低得多。這也意味著只要計(jì)算機(jī)系統(tǒng)附近遭雷擊，計(jì)算機(jī)損壞便毋庸置疑，這樣的實(shí)例在國(guó)內(nèi)外舉不勝舉。

    瞬時(shí)過電壓對(duì)計(jì)算機(jī)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(shí)過電壓的原因很多，如供電系統(tǒng)大容量的開關(guān)，分、合負(fù)荷的突變產(chǎn)生大的瞬時(shí)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(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓，都能沿電力線路傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)部，將計(jì)算機(jī)的多個(gè)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(jī)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(huì)因直接雷或感應(yīng)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(shí)，也可將電力線上的過電壓耦合至機(jī)內(nèi)，由于雷電電磁脈沖LEMP也可通過通信線路傳至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，從而引起設(shè)備損壞。

    （3）非常重要的一條：固地線安裝不當(dāng)或防護(hù)方法不對(duì)，會(huì)在雷電環(huán)境中引起計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的電位差，形成反擊而造成的危害。

    隨著電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)日益成為瞬時(shí)過電壓破壞的主要對(duì)象。所以如國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）、國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）等都制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。我們國(guó)家也制定了標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)也制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)制定了保護(hù)級(jí)別。
2.雷電電磁脈沖LEMP

    我們國(guó)家制定的標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(dǎo)閃電電流的導(dǎo)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(dǎo)線的傳導(dǎo)干擾，雷電的電磁干擾EMI 是通過電力傳輸線、信導(dǎo)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(dǎo)電體的傳輸。平時(shí)我們講的復(fù)合干擾就是導(dǎo)體傳輸干擾和輻射干擾。

    雷擊形成的電磁干擾EMI對(duì)電氣和電子設(shè)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(hào)線引入和信號(hào)輸出線引入
    C． 輻射的電磁場(chǎng)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(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大的閃電流和其電磁場(chǎng)，它的感應(yīng)范圍很大，對(duì)高大建筑物、人身和各種電氣設(shè)備及各類型路線都會(huì)有不同強(qiáng)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(duì)建筑物內(nèi)的干擾一般歸類如下：
    A． 雷電波的電磁輻射對(duì)建筑物內(nèi)電力線路的電磁干擾EMI；
    B． 雷電波的電磁輻射對(duì)建筑物內(nèi)電子設(shè)備的電磁干擾EMI；
    C． 當(dāng)裝設(shè)在建筑物的防雷裝置接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流對(duì)建筑物內(nèi)電力線路的干擾；
    D． 當(dāng)裝設(shè)在建筑物的防雷裝置接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流對(duì)建筑物內(nèi)電子設(shè)備的干擾。
    E． 由外部各種強(qiáng)、弱點(diǎn)架空線路或者是電纜線路傳來的電磁波對(duì)建筑物內(nèi)電子設(shè)備的干擾。
 
    導(dǎo)論的理由是雷電快速瞬變的脈沖同時(shí)產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射發(fā)射，從而就耦合到電纜、機(jī)殼和線路中。

    為什么要對(duì)雷電電磁脈沖采取防護(hù)呢？

    原因是：近年來現(xiàn)代電子技術(shù)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(shè)備非常靈敏，而耐壓又低。比如由IEC實(shí)驗(yàn)證實(shí)，一般電子設(shè)備都不能承受±5V的電壓波動(dòng)。以各類計(jì)算機(jī)為例：當(dāng)雷電電磁脈沖的磁場(chǎng)強(qiáng)度超過0.07Gs（高斯）時(shí)，就會(huì)引起計(jì)算機(jī)的誤動(dòng)作；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過2.4Gs（高斯）時(shí)，就會(huì)造成計(jì)算機(jī)的永久性損壞。

    為防護(hù)雷電電磁脈沖的干擾，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外常用的就是設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)觀比較普遍，用不了多少鋼筋就很容易連接起來形成一個(gè)法拉第籠，從而就可將建筑物內(nèi)的電子設(shè)備屏蔽起來。現(xiàn)在只要是工藝樓建筑上基本是“內(nèi)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(shí)，不僅能防御空間電磁波的輻射，而且還可使建筑物內(nèi)部的分流和均壓達(dá)到最佳效果，但如果要達(dá)到一定等級(jí)的屏蔽必須根據(jù)建筑物內(nèi)電子設(shè)備的使用要求而定。

    由于使用的要求不一樣，設(shè)備的性質(zhì)也不同，有的只對(duì)電子設(shè)備本身屏蔽，有的要求在設(shè)備與設(shè)備之間達(dá)到屏蔽，還有要求較高的場(chǎng)地，需要機(jī)房全屏蔽。

    依據(jù)1995年國(guó)際電工委員會(huì)建筑防雷分委會(huì)（IEC/TC-81）在《雷電電磁脈沖的防護(hù)》的標(biāo)準(zhǔn)中就提出了防雷保護(hù)區(qū)方面的概念。故在工程師設(shè)計(jì)中就可按照微電子設(shè)備的多少、重要程度、主要的要求以及設(shè)備擺放的位置和相應(yīng)的管線進(jìn)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?cè)谄綍r(shí)能聽說“雷電發(fā)生在建筑物周圍最大”呢？

    因?yàn)榉览椎囊�下線，做法是用鋼筋混凝土板內(nèi)的鋼筋和整個(gè)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(dǎo)致墻處的電流密度大，電磁場(chǎng)強(qiáng)。

    所以在設(shè)計(jì)機(jī)房時(shí)，建筑物中的電源和通信網(wǎng)絡(luò)線等主要干線不應(yīng)靠近外墻，最好設(shè)置在建筑物的中心位置，若中心設(shè)有電梯井，要設(shè)置在電梯井的附近。同時(shí)建筑物內(nèi)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(shè)。電子設(shè)備所用的電氣饋線和各類通訊網(wǎng)絡(luò)線纜宜采用屏蔽電纜，特殊的地方應(yīng)采用雙層屏蔽纜線。在不停電電流的輸入，輸出和電子設(shè)備的配電設(shè)備處應(yīng)加裝SPD，以及濾波導(dǎo)裝置。

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

    雷電對(duì)電子設(shè)備的危害不是因?yàn)橹睋衾讚粢�起的，而是由于雷擊�?duì)電源和通信線路上感應(yīng)電壓（電流）的瞬時(shí)沖擊引起的。主要是近年來電子設(shè)備內(nèi)的電子結(jié)構(gòu)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(duì)雷電以及操作的瞬時(shí)過電壓的承受能力都很低；另一方面由于信號(hào)來源的渠道路徑增多，系統(tǒng)遭受雷擊的耦合機(jī)會(huì)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(shè)備。

    當(dāng)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(hào)干擾。一旦這些干擾信號(hào)進(jìn)入電子設(shè)備中，不免對(duì)傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼，影響傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和傳輸速率。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(luò)傳輸，保證了運(yùn)行中因傳輸線路引起的信號(hào)完整性。