电子设备的雷电及过电压保护

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电子设备的雷电及过电压保护

过电压主要是指雷击过电压、电力网络操作过电压，损坏电子设备的过电压通常就是这两种。
众所周知，作为一种大气物理现象，每一次雷击都是由一系列的放电（云间、云地）形成的。雷击过电压是指由于雷电直接击中电线；雷击避雷针时由于电阻耦合、电容耦合、电感耦合引入电线；或雷击某地造成不同地之间的地电位不均衡等原因在有源或无源导体上产生的瞬态过电压。雷击过电压的能量有时非常强，雷电的放电电流一般为20_40千安培，在大雷暴时最大可达430千安培，雷击概率及其电流数据如下表所示：
概率50%10%5%≈1%
电流峰值kA3080100200
电荷量As1080100400
雷电现已成为破坏电子设备的主要原因。操作过电压是指开关中央电源设备、电力网中大型感性或容性设备的投切等原因产生的过电压。操作过电压不如雷击过电压高，但出现频繁，对电子设备同样会产生不同程度的损害。
1.过电压保护必要性
现在已进入电子信息时代，各行各业都日益广泛地采用电子信息技术装备自己，如一座现代化的大厦，一般都装有自动消防、防盗保安、程控电话、楼宇自控、电脑管理、群控电梯、广播音响、闭路等一系列电子信息系统；又如国防现代化建设，电子信息技术已作为其发展的基础；其它航天、金融、邮电、石油化工、电力、广播电视等部门及工厂企业也不例外，所以电子信息设备的应用已日趋广泛，其数量与规模正在不断地扩大。但是这种电子信息设备的工作信号电压很低，一般仅5V左右，因此，其抗干扰、抗电涌的能力极低，对电磁环境的要求很高，所以随着电子信息设备的广泛应用，过电压的危害也将日趋严重，尤其是雷电引起的过电压，其后果不但使这种昂贵的设备损坏，而且有可能使整个系统的运行中断，造成巨大的经济损失。
随着电子技术的发展，电子设备日益成为雷电破坏的主要对象之一。为此，国内外专家学者进行了大量的实验和研究，IEC（国际电工委员会）、ITU(国际电信联盟)等组织都制定了相应的防雷电及电磁脉冲的标准，如IEC1024、IEC1312、ITU的K系列等。IEC1024、IEC1312相继公布了雷电流参数（如表1）和雷电波形，并对雷电保护区（LPZ）的划分、系统的分级保护和浪涌过电压保护器（SPD）的各项指标进行了规定。我国的国家标准《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）也对雷电电磁脉冲的防护进行了规定：“在配电盘内，宜在开关的电源侧与外壳之间装设过电压保护器”（第3.5.4条，三）；信息产业部《移动通信基站防雷防雷与接地设计规范》（YD5068-98）中规定：“3.1.5……出入基站的所有电力线均应在出口处加装避雷器”，“ 3.3.3同轴电缆馈线进入机房后与通信设备连接处应安装馈线避雷器”，“ 3.4.1信号电缆应由地下进出移动通信基站处应加装相应的信号避雷器”；公安部颁发的《计算机信息系统防雷保安器》（GA173-1998）中规定：“计算机信息系统加装有效可靠的防雷保安器，是国际上通用的最有效的防护措施”等。
表１
首次雷击的雷电流参数保护级别
Ⅰ（一类）Ⅱ（二类）Ⅲ-Ⅳ（三类）
I幅值（KA）200150100
T1波头时间（μS）101010
T2波头时间（μS）350350350
2.雷电过电压保护系统
现代意义的防雷，把防雷看成一个系统工程，根据雷电电磁脉冲（LEMP）防护的国际标准：IEC1024和IEC1312，前者对应国家标准GB50057-94，现代防雷系统的构成如图1所示。
其中，根据IEC1024-1：1990，借助电位补偿布线和浪涌过电压保护器（SPD）实现雷电电磁防护均压等电位系统，即将外部避雷器、建筑物钢筋结构、内部安装的设备外壳、用于非电系统的导体部分以及电气和电讯装置等连接起来，建立等电位，是实现内部防雷保护的非常重要的措施。
鉴于国内过电压保护等方面欠缺相应的标准，为适应防雷工程开展的需要，根据中华人民共和国标准法的规定，对国内无相应的标准可参考时，参照国际上有关规定执行。为此，本公司将依据IEC1312等国际标准结合国内标准设计防雷系统。
一个有效的防雷系统，包括三部分：
直击雷保护
一点接地网络
暂态浪涌电压抑制
三者缺一不可，而正确的连接和接地是其中最关键的因素。
（一）直击雷保护
避雷针（或避雷带、避雷网）、引下线和接地装置构成建筑物的直击雷保护，同时要抑制引雷过程中的二次效应。（由于直击雷的防护技术现已比较成熟且已被广泛应用，这里不作阐述）。
（二）一点接地网络
除独立避雷针外，其它交流地、保护地、信号地、防雷地等不同的接地均接成一点接地网络系统，使其电位差不随雷击电流的变化而变化，形成“水涨船高”的接地电位网络。
等电位连接
过电压保护的基本原理是在瞬态过电压发生的瞬间（微秒或纳秒级），在被保护区域内的所有金属部件之间应实现一个等电位。“等电位是用连接导线或过电压保护器将处在需要防雷的空间内的防雷装置、建筑物的金属构架、金属装置、外来的导体物、电气和电讯装置等连接起来。”(《建筑物防雷设计规范条文说明》)(GB50057-94)。“等电位连接的目的在于减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差”(IEC1312 3.4)。《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）中规定：“第3.1.2条 装有防雷装置的建筑物，在防雷装置与其他设施和建筑物内人员无法隔离的情况下，应采取等电位连接。”在建立这个等电位连接网络时，应注意使相互之间必须进行信息交换的电器和电子设备与等电位连接带之间的连接导线保持最短距离，这一点可以用以下公式说明：
V=Ldi/dt (1)
根据上式：电感（L）越大，瞬变电流在电路中产生的电压（V）就越高，而电感主要与导线的长度成正比，因此，应使连接导线尽可能地短些。同时，采用多条连接导线并联也能明显地降低电感量，因此可采用星型或网型结构将被保护的装置连接到一条等电位连接带上。
对于系统中无法使用连接导线进行等电位连接的地方，应使用电涌保护器（SPD）实现瞬态等电位连接。因此需要选用一些响应速度快的元件，在瞬态过电压的情况下将数十千安的电流传导入地，理论计算认为：在雷击情况下，以10/350μs脉冲计算，通流量可高达50kA。
在建立了由连接导线和电涌保护器组成的等电位连接网络后，当网络出现瞬态浪涌过电压甚至受到雷击时，可以认为在极短的时间内形成了一个等电位岛，这个等电位岛对于远处的电位差可高达数十万伏，而岛内由于实现了等电位连接，所有导电部件之间不会产生有害的电位差。
以上两点在《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）中有详细的规定。
（三）暂态浪涌电压抑制
在过去，线路中的过压不是一个很大的问题，而现在大量使用微电子设备，尤其是微处理机的大量使用，系统中的暂态浪涌电压会造成很大的系统故障。
电子设备的雷电主要是通过引线引入的，因此，一方面应注意引线的屏蔽接地处理，另一方面应在其雷电通道的入口处系统地装设电涌保护器（SPD）。
电子设备群体的防雷保护，主要是抑制雷电入口的脉冲过电压，视引线的性质加装不同类型的SPD，同时处理好子系统引线的屏蔽及均压接地。系统地安装适当的电涌保护器（SPD）
电涌保护器（SPD）
3.电涌保护器元件从响应特性来看，有软硬之分。属于硬响应特性的放电元件有充气的放电器（充气放电器）和空气火花隙，后者要么是基于斩弧技术（Arc-chopping）的角型火花隙，要么是同轴放电火花隙。属于软响特性应的放电元件有压敏电阻和抑制二极管。所有这些元件的区别在于放电能力、响应特性和残余电压。由于这些元件各有其优缺点，人们将其组合成特殊保护电路，以扬长避短。
●角型放电器（雷击电流放电器）：放电能力强，10/350μs脉冲波形时能疏导大于50kA的脉冲电流；8/80μs脉冲波形时能疏导大于100kA的脉冲电流。并且能够自动灭弧。但是其响应速度较慢，一般≤100ns；残压较高，为2.5~3.5 kV。应用于额定电压为400V处，并须与其他SPD配合使用。
●气体放电器：放电能力较强，8/20μs脉冲波形时能疏导10kA的脉冲电流。但是其响应速度较慢，一般≤100ns；点火特性不稳定；当电压大于12V和电流大于100 mA时会产生后续电流。通常应用于测量、控制、调节技术电路和电子数据处理传输电路等预期不会出现强大的放电电流的电路中。
●压敏电阻：放电能力较强，8/20μs脉冲波形时能疏导最大达40kA的脉冲电流；电压箝位能力强；响应速度较快，一般≤25ns。其缺点是易老化和电容较高。常用于电源第二及保护，也可以多只并联用于电源第一及保护。
●抑制二极管：响应速度快，可达皮秒（10-12）级。其缺点是泻流能力差，8/20μs脉冲波形时能疏导电流的能力只有几十安培；常应用于低压信号系统的精细保护。
4.根据综合防护方案安装SPD
三级保护的原理图
电源A：雷击电流放电器Z1：≥10米导线或退耦电抗器B：压敏电阻Z2：≥5米导线或退耦电抗器压敏电阻
信号A：气体放电管Z1：无感电阻Z2：无感电阻抑制二极管（桥）
设保护级（三级保护的一般原理如上图：图中通流量A>B>C，残压值A>B>C，响应时间A>B>C，UB<UC+U2，UA<UB+U1，这样就既可以以最短的时间，将雷电及过电压主要通过设备A泻放入地，又可以通过主要起到箝位的作用的B和C将冲击电压限制在设备允许的范围之内）。此外，由于电源系统的复杂性即不仅可能存在各线对地的（纵向）危险过电压，而且有可能存在各线之间的（横向）危险电位差，为了更加安全的考虑，也可在各相线之间再加装一组过电压保护器（如下图所示）。
为了达到有效的过电压保护，人们按照电磁兼容性的不同划分了保护区域雷电保护区0、1~更高（LPZ0、1~更高）。
切实有效的空间屏蔽，不但能大大降低过电压保护的成本，同时也为保护电子设备提供了良好的环境。设置LPZ0至1LPZ2是为了避免高能耦合而损坏设备。而序号更高的防护区是则为防止信息失真和信息丢失而设置的。所有穿过保护区边界的电线，在接到其他设备的同时，都应在恰当的位置安装相应的电涌保护器。
电涌保护器的选择取决于各个电路的参数。过压保护器的工作电压以安装在此电路中所有部件的额定电压参数为准，而要达到的残压则根据安装在此电路中所有部件的耐压强度确定。
电涌保护器的连接方式有两种：串联方式和并联方式。当电路中装有串联电涌保护器时，必须注意其额定电流；而装有并联电涌保护器（有源导线与地之间接上电涌保护器）时，则无须考虑额定电流，因为额定电流并不通过放电器。至于专门为数据传输电路而设计的电涌保护器，生产厂家已考虑到其传输速率了。
5.总则
过电压保护，我们强调系统的概念。就是将直击雷防护、等电位连接和系统地安装电涌保护器有机地结合起来。对于电涌保护器，不但要选择好适当的型号，还要注意其安装的位置和彼此配合的层次。
此外，我们必须明确，作为一项系统工程，过电压保护器件的选型是前提，勘察设计是关键，施工安装是保障。只有合格并且合适的产品选型，完整而全面的设计方案加之符合专业规定和标准的施工安装，才能建立起行之有效的过电压保护系统。
附录1：相关IEC标准
1. 建筑物防雷标准
1.1 IEC61024系列
IEC61024-1：  1990 建筑物防雷 第一部分 通则
IEC61024-1-1：1993 建筑物防雷 第一部分 第一部分 防雷装置保护级别的确定
IEC61024-1-2：1998 建筑物防雷 第一部分 第二部分 防雷装置的设计、施工、维护和检测
IEC61024-2（草案）： 建筑物高于60米的附加要求
IEC61024-3（草案）： 火灾爆炸危险环境的建筑物的附加要求
IEC61312系列
1.2 IEC61312-1：1995 雷击电磁脉冲的防护 第一部分 通则
草案在修订中的有：
IEC61312-2： 雷击电磁脉冲的防护 第二部分 建筑物的屏蔽、等电位连接及接地
IEC61312-3： 雷击电磁脉冲的防护 第三部分 对过电压保护器（SPD）的要求
IEC61312-4： 雷击电磁脉冲的防护 第四部分 现在建筑物内信息系统的保护
IEC61312-5： 雷击电磁脉冲的防护 第五部分 应用指南
通信防雷标准（TC81出版或草案）
IEC61663： 通信线路防雷标准
IEC61662： 雷击损害危险度确定的标准
IEC61819： 模拟防雷装置各部件效应的测量参数
低压电力系统的绝缘配合、过电压保护、安全防护等标准
IEC60364-4：     1992 建筑物的电气安装 第四部分 安全防护
IEC60364-5-534： 1997 建筑物的电气安装 第五部分 电气装置的选择与安装 第534章 过电压保护器件
IEC60664-1： 1992 低压电力系统内电气设备的绝缘配合 第一部分 原则要求及测试
IEC60532-2： 1992 防止电击保护系列
IEC61643-1： 1998 低压电力系统的过电压保护器 第一部分 性能要求及测试
IEC61643-2： 1997 低压电力系统的过电压保护器 第二部分 选择和使用原理
2.通信和信号网络过电压保护及元件标准
IEC61643-3、IEC61644、IEC61647-1/2/3/4 对接入通信和信号网络的过电压保护器以及元件提出了技术标准。

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怎么没有图啊？

通天雷神

恩……

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