电子设备的防雷

zb1122

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第二级保护动作，可在两级保护间加装电感线圈（十几微亨）。当采用5（b）的接线方式时，中性线N对地间的保护元件也可采用放电间隙。

(a)

(b)
图5  电源采用两级保护时的接线
三、通信线保护
为降低雷击通信线路的概率，通信线路进站前应采用直接埋地式电缆。但应注意，电缆的低电阻率将为选择性雷击提供有利条件，使埋有电缆处大地的落雷概率上升。雷电可击穿电缆上方的土壤直击到电缆上，也可在击中电缆附近的物体后经土壤反击到电缆上。另外雷击通信电缆附近的物体还会在通信电缆上形成感应过电压。为降低感应过电压的危害，通信电缆最好采用屏蔽电缆，屏蔽层的两端应接地，并在电缆芯线和屏蔽层间加装氧化锌压敏电阻（当电缆和用户或分局的低频通信系统连接时）或气体放电管（当电缆和包括微波站在内的高频通信系统连接时）。当电缆有多余芯线时，应将多余芯线与屏蔽层相连以加强屏蔽效果。如果所用通信电缆为无屏蔽层的橡皮或全塑电缆时，或只有薄金属箔无法焊接时，应将导线穿入埋地铁管中并将备用芯线两端接地来实现屏蔽。为加大通信的安全性，通信线路也要采用多级保护。图6是由三极气体放电管，双极TVS二极管和限流电阻组成的保护电路。雷电流在电阻的限流作用下，先经气体放电管泄入大地，残余电流通过TVS二极管时，由TVS二极管实现对电压的箝位。

1——气体放电管；2——TVS二极管；R——限流电阻
图6  通信线路的保护
四、天馈线保护
对雷电波的频谱分析表明，雷电波的绝大部分能量分布在几十千赫以下，而天线的发射频率通常为数十兆赫，微波通信的频率则可达数千兆赫。因此可以利用由高通滤波器和低通滤波器组合的电路将雷电波通道和通信电磁波通道分开，如图7所示。在雷电波作用下高通滤波器开路，低通滤波器导通将雷电过电压短接，使进入发射机的横向过电压得到限制。在天线的工作频率下，高通滤波器导通，低通滤波器开路，保证了天线的正常发射。

图7  天馈线保护
当发射频率较高（波长短）且为单一频率时，低通滤波器可以简化为一根长度为l/4（l为波长）的导线，如图8所示。这一导线对高频发射信号来说相当于开路，而对雷电波来说相当于短接。

图8  l/4型避雷器
应该指出这种天线保护装置只能限制出现在信号线间的横向过电压（或差模过电压）不能限制雷击时由于地电位升高和接地引下线压降而造成的纵向过电压（或共模过电压）。常用的防止纵向过电压危害的措施是“水涨船高”法，即将发射机外壳与电缆外皮相连，使发射机外壳的电位升高。但此时应该注意加强发射机供电电源的防护，避免因电源处于低电位而引起电源的损坏；同时应加强发射机所处层面的均压措施，避免在发射机和其他设备间形成电位差。
将微波塔上同轴天馈线金属外皮的上端及下端分别就近与铁塔相连，在机房入口处与接地体再连接一次等均压措施并不能使纵向过电压得到实质性的降低。降低纵向过电压的有效措施是在微波塔顶部装设半导体消雷装置或限流避雷针，靠半导体消雷装置或限流避雷针的限流作用大幅度降低雷击微波塔时经铁塔入地的雷电流以及铁塔电位的升高，从而可使天馈线的纵向过电压得到大幅度降低。
五、雷电电磁干扰的防护
电子元件对雷电电磁干扰十分敏感。为实现对雷电电磁干扰的屏蔽，DL548—94规定“通信机房及调度通信综合楼的建筑钢筋，金属地板、构架等均应相互焊接，形成等电位法拉第笼。”但实验和计算说明，要将建筑物内空间的磁场强度降低到2.4×10﷓4T（造成无屏蔽的电子设备永久性损坏的磁场强度阈值）或0.07×10﷓4T（造成无屏蔽的电子设备误动作的磁场强度阈值）以下，仅仅依靠增加引下线或构架钢筋的密度是很困难的。而且当雷击楼顶微波塔，雷电流经建筑物钢筋或引下线入地时，在靠近钢筋和引下线处的磁场强度远较建筑物中央为高，因此电子设备应放在房间的中央，要做到这一点也是比较困难的。
对塔楼分离的微波站来说，由于建筑物构架对外部电磁场的屏蔽效能比较低（一般小于5dB），微波塔和通信机房的距离又比较近（一般在10 m左右），当微波塔遭雷击时，建筑物内部空间的磁场强度将远大于0.07×10﷓4T。要使建筑物内部空间的磁场强度低于2.4×10﷓4T和0.07×10﷓4T，则分别要求有约16dB和46dB的屏蔽效能。而通常接触良好的六面屏蔽的22目镀锌铁网的屏蔽效能约为18.6dB，22目紫铜网的屏蔽效能也只有约38.5dB。如果建筑物有未经屏蔽的门窗，则在靠近门窗处的屏蔽效能还将下降40％左右。可见要靠建筑物的六面屏蔽来达到防止雷电电磁场干扰的目的是有一定难度的。因此对磁场敏感度高的电子设备，自身还应有屏蔽。另外敷设在机房内的各种电缆也宜采用屏蔽电缆或敷设在金属管内，并将屏蔽层或金属管两端就近接地。
在微波塔或塔楼顶部装设具有限流作用的半导体消雷器或限流避雷针，可以大幅度降低雷击微波塔时流经铁塔或建筑物钢筋以及引下线的雷电流，有效地降低空间电磁场的值，从而大大减轻对空间电磁场防护的压力。
六、微波站的接地
为防止雷击时地电位升高所引起的反击，调度通信综合楼内的通信设备应与同一楼内的动力装置、建筑物避雷装置共用一个地网。如为塔楼分离的通信站，则微波塔的接地和机房的接地间至少应用两根规格不小于40mm × 4mm，互距不小于3 m的镀锌扁钢相连。
为了防止雷击时地电位升高沿各种进线和管道向外传播，进入微波通信站的各种进线均应采用埋地电缆，进入微波通信站的各种金属管道的埋地长度应在10 m以上。
为了降低雷击时地电位的升高，在经济合理的前提下，通信站的接地电阻应尽可能低。表1列出了DL548－94对接地电阻的要求，但在高土壤电阻率地区要做到这一点是比较困难的。应该指出，引外接地虽对降低工频接地电阻比较有效，但在雷电冲击下，由于要计及导线电感的作用，效果不大。大幅度降低雷击时地电位升高的有效措施显然仍然是在微波塔上安装半导体消雷器或限流避雷针。
表1  对接地电阻要求
序号接地网名称接地电阻（W）
一般高土壤电阻率
1调度通信综合楼< 1< 5
2通信站（塔）< 5< 10
3独立避雷针< 10< 30

（陈慈萱执笔）

thdz

老兄没图？

通天雷神

估计他事懒得把图贴出来。我是没找到图在哪个网站。

建议贴图出来。

xs02556

好事做到底,贴一下,学习学习!!

通天雷神

我想针对此问提两个问题，请大家讨论。

文中“天馈线保护”说到：当发射频率较高（波长短）且为单一频率时，低通滤波器可以简化为一根长度为l/4（l为波长）的导线。这一导线对高频发射信号来说相当于开路，而对雷电波来说相当于短接。

问题是：为什么对高频发射信号来说相当于开路，而对雷电波来说相当于短接。

文中还说：应该指出这种天线保护装置只能限制出现在信号线间的横向过电压（或差模过电压）不能限制雷击时由于地电位升高和接地引下线压降而造成的纵向过电压（或共模过电压）。

问题是：首先，可能在天线馈线装置上产生“由于地电位升高和接地引下线压降”吗？其次，什么是‘横向过电压’什么是‘纵向过电压’？这两个概念和‘差模过电压’‘共模过电压’一样吗？

昆雷

zb1122 引用的陈慈萱教授的文章很好。但有些问题和笔误，拟在此给予指出：
1、文中说“微波站雷害的来源有直击雷、感应雷和侵入波三个方面。”应为直击雷、感应雷和雷电电磁幅射三个方面。因为感应雷与侵入波实际上是同一个东西。感应雷就是以侵入波的形式传播，沿线路进入室内或设备中，对设备和元件造成威胁。这里漏掉了“电磁幅射”这个对电子元器件来说最重要的危险因素。
2、文中的公式和以指数形式的数据或表达式均没有正确表示出来。让人难以看明白。当然这是本网站的问题——没有公式编辑器。也不能将公式从word文档中粘贴过来。在粘贴中，以指数表达的数据和公式都变成了现在这种看不懂的形式。因此希望网管方面能改进这个问题，增设公式编辑器。
3、对于电流数值，“氧化锌压敏电阻的通流能力大（一般为102 ~105A）”，让人难以理解。为何不以kA的形式表达，或直接以A表示，不就清楚了吗。
4、晌应时间的表达，“动作响应时间快（10-9s）”，也让人看不懂，这可以用nS（纳秒）表示。
5、关于磁场强度的表达也有同样问题。“2.4×10?4T（造成无屏蔽的电子设备永久性损坏的磁场强度阈值）或0.07×10?4T（造成无屏蔽的电子设备误动作的磁场强度阈值）”也让人看不懂。我从别的文献中得到的数据为：“当雷电流在无屏蔽措施的计算机处产生的磁感应强度达到0.03高斯时，就可能引起误动；当磁感应强度超过2.4高斯时，计算机就可能发生永久性破坏而不能恢复。”
总之， 这是一篇电子设备防雷的好文章。

 

zb1122

谢谢了呵呵！说实话！我还真不知道怎么把图上来！那为大侠指导一下！

通天雷神

贴图：

就可以。