雷电对弱电设备干扰的途径与耦合机制

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1.概述 随着科技的不断发展，人类已步入信息社会，计算机网络技术的普及越来越多的办公大楼、写字楼、医院、银行、宾馆等建筑离不开综合布线系统。配置综合布线系统，犹如为建筑物建立了一个高速，大容量的信息传送平台，为建筑智能化提供了快速的信息通道。计算机、程控交换机、CATV等微电子设备日益增多，而微电子器件承受雷电电磁脉冲能力较差，因此，雷害事故不断发生。我国每年因雷击破坏建筑物内计算机网络系统的事件时有发生，所造成的损失是非常巨大的。因此综合布线系统的防雷设计就显得尤其重要。

我们知道雷电入侵电器设备的形式有两种：直击雷和感应雷。雷电直接击中线路并经过电器设备入地的雷击过电流称为直击雷；由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压，过电流形成的雷击称为感应雷。

目前，在建筑物防雷系统设计上，是执行的国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057－ 94，设计由避雷网(带)，避雷针或混合组成的接闪器，立柱基础的钢筋网与钢屋架，屋面板钢筋等构成一个整体，避雷网通过全部立柱基础的钢筋作为接地体，将强大的雷电流入大地。计算机系统安置在建筑物内，受建筑物防雷系统保护，直击雷击中计算机网络系统的可能性非常小，计算机设备抗直击雷能力很低，防护设备非常昂贵，通常不必安装防护直击雷的设备，而计算机网络必须防感应雷和雷电浪涌电压。

2.干扰途径与耦合机制

产生干扰必须具备三个条件：干扰源、干扰通道、易受干扰设备。

干扰源分为内部和外部。内部主要是装置原理和产品质量等。外部主要由使用条件和环境因素决定，如工作电源直流回路受开关操作和天气影响等而引起的浪涌电压，强电场或强磁场以及电磁波辐射等。

干扰通道有传导耦合、公共阻抗耦合和电磁耦合三种。外部主要通过分布电容的电磁耦合传到内部；内部则三种均有。

由于设备采用的敏感元件的选用和结构布局等不尽合理，造成本身抗干扰能力差， 对干扰加以抑制，降低其幅度，减少其影响力，这是从外部环境上加以改善。

2.1干扰途径

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，计算机网络系统及电话程控交换机的防雷工作重点是防止感应雷入侵。入侵计算机网络系统的雷电过电压过电流主要有以下三个途径：

2.1.1由交流电220V电源供电线路入侵；计算机系统的电源由电力线路输入室内，电力线路可能遭受直击雷和感应雷。直击雷击中高压电力线路，经过变压器耦合到220伏低压，入侵计算机供电设备；另外低压线路也可能被直击雷击中或感应雷过电压。在220伏电源线上出现的雷电过电压平均可达10000伏，对计算机网络系统可造成毁灭性打击。电源干扰复杂性中众多原因之一就是包含着众多的可变因素，电源干扰可以以"共模"或"差模"方式存在。"共模"干扰是指电源线与大地，或中性线与大地之间的电位差。"差模"干扰存在于电源相线与中性线之间。对三相电源来讲，还存在于相线与相线之间。电源干扰复杂性中的第二个原因是干扰情况可以从持续周期很短暂的尖峰干扰到全失电之间的变化。

电源干扰的类型见表一： 表一 序号 干扰的类型 典型的起因 1 跌落 雷击，重载接通，电网电压低下 2 失电 恶劣的气候，变压器故障，其他原因的缘故 3 频率偏移 发电机不稳定，区域性电网故障 4 电气燥声 雷达，无线电信号。电力公司和工业设备的飞狐，转换器和逆变器 5 浪涌 忽然减轻负载，变压器的抽头不恰当 6 谐波失真 整流，开关负载。开关型电源，调速驱动 7 瞬变 雷击，电源线负载设备的切换，功率因数补偿电容的切换，空载电动机的断开电源干扰进入设备的途径；一是电磁耦合；二是电容耦合；三是直接进入三种。

2.1.2由计算机通信线路入侵；可分为三种情况：

(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。

2.1.3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*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。

2.2耦合机制

雷电冲击影响微电子设备构成系统的耦合机制有下面几种。

2.2.1电阻耦合；雷电放电将使受影响的物体相对于远端地的电位上升高达几百千伏，地电位升高形成的电流将分布到设备的金属部分。如连接到系统参考点数据线和电源电线。电缆屏蔽层的电流在屏蔽层与芯线之间引起过电压，其数值与传输阻抗成正比例。　

2.2.2磁耦合；在导体上流通的或处在雷电通道的雷电流会产生磁场，在几百米范围内，可以认为磁场的时间变化率与雷电电流时间变化率相同。然而，磁场经常被建筑材料和周围的物体所衰减和改变。磁场的变化会在室内外电缆设备上产生感应电流和电压。　

2.2.3电耦合；雷电通道下端的电荷会在附近产生一个很强的电场，它对鞭状天线设备有影响，而对于建筑物内部电场干扰一般可以忽

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