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通天雷神

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电涌过电压的危害及其防护

航天航空部   矫学才（高级工程师）

   我国电子信息设备信息技术正在飞速发展，它在生产科研和日常生活的应用日益广泛，据最新统计，我国的上网计算机已超过1千二百万台。但电子信息设备常因元件被击穿或烧毁而停止工作，重要的原因是这类设备的元件耐暂态过电压的水平很低，如果设备的电源线和信号线上感应暂态过电压，而线路又未设置必要的暂态过电压保护器，则设备的电子元件将被击穿。家庭的彩电在打雷时可拔掉电源插头和天线插头免受损害，而科研、生产、军工部门的电子信息设备雷雨季节仍需坚持工作，不能采取拔插头这种躲的方式。如果这些部门遭受雷电侵入，又没有完善的防护过电压的措施，将造成电子设备的损坏，产生不良后果，造成经济损失和政治影响。1992年6月2０日国家气象局和1996年6月27日北京无线局维修中心大量电子信息设备遭雷电击毁，说明暂态过电压的危害不能轻视。现在有一种做法，遭雷击时想防雷，过了雷雨季节不谈防雷，寄希望遭雷击是一种巧合。其实，一个地方或建筑是否经常遭受雷击，由该地区的雷暴日数、土壤电阻率、建筑物的高度、金属体的多少等多方面因素影响，不以人们的意志为转移。在目前，人们对雷电的产生还无法控制，但是经过多年的技术进步，人们已经寻找到了多种减轻雷电过电压危害的有效办法。只要合理运用这些方法，我们就可以把雷电的危害减轻到最低限度。
计算机系统能否正常工作，除了本身的软硬件条件外，还有外部工作环境，主要是影响该系统正常工作的外部及内部过电压，防止外部及内部过电压也是计算机系统正常工作投资的一部分，如果忽略了这部分投资，造成系统的损坏，出现更换及维修设备的费用，从一定时期的周期投资费用上来讲，很可能超过一次性装备防过电压设备的费用。在这里暂不计政治、社会及其它影响，有可能这方面的影响远比防雷器件的投资大得多。1992年中央气象局就因雷击造成设备损坏，出现过未报天气预报的事故，造成了很坏的社会影响。

1 过电压的产生及危害
过电压的概念：由电源系统外部（主要是雷电）和系统内部工作造成的工作电压超过正常供电值，即称为过电压。暂态过电压存在的时间非常短，只有几十微秒的时间。
1.1 雷电（外部过电压Lightning）的产生及危害
雷云形成的假说很多，至今没有一种被公认为无懈可击的完整学说，主要有威尔逊假说。
广州的唐山樵先生的说法：雷电的出现除与气流、风速密切相关，而且与地球磁场也有一定联系。雷雨云内部的不停运动和相互摩擦，使雷雨云产生大量的正、负电荷的小微粒，即所谓的摩擦生电。这样庞大的雷雨云相当于一块带有大量正、负电荷的云块，这些正、负电荷不断地产生和复合，当这些云块在水平方向向东或向西移动时（最大风速可达40m/s），它与地球磁场磁力线产生切割，就好像导体切割磁力线产生电流一样，云中的正、负电荷将产生定向移动，其移动的方向按右手定则判断。若云层由西向东移动，因地磁场磁力线是由地球南极指向北极，所以，大量的正电荷向上移动，负电荷向下移动，当正、负电荷积聚的足够多时，场强达到（25～30kV/cm）时，将引起雷云间、雷云中或雷云对地的放电。没有大气运动就不会有雷电，这说明为什么雷电总是伴随着狂风暴雨出现。
大地被雷击时，多数是负电荷从雷云向大地放电，少数是雷云中的正电荷向大地放电；在一块雷云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电。观测证明，负电荷放电的能量平均为30kA；发生正电荷向大地放电的雷击显得特别猛烈，一般为100 kA，高的达200～300kA。
前几年山东黄岛油库特大火灾事故，也是由于雷击所致，火灾造成100多人伤亡，毁掉原油数万m3，损失直接经济7000多万元，造成附近生态环境严重破坏。此次事故皆因领导不重视所至。
雷电破坏性很强的原因：
a. 在短短几十?s，把雷云蕴藏的能量放出来。但据有关资料计算，每次闪击发出的能量只相当于几千克石油所放出的能量，见图１、２。

b. 大多数雷电流峰值为几十kA，也有少数的上百kA和几百 kA。
c. 在电源或输电线上的感应电压，低则几万伏，高的达几十上百万伏。
雷击的三种主要形式：
直击雷：带电的云层与大地上某一点之间发生猛烈的放电现象，称直击雷。避雷针并不能百分之百的拦截上空来的雷电，有的雷电并不是经最短的路径泄放电流，有时绕过避雷针，对建筑物产生侧击或绕击。据外国有关资料介绍，一个直击雷不仅仅影响到被击中的对象，而且对周围半径1.5km范围内都有影响。
感应雷：强大的脉冲电流对周围的导线或金属物体产生电磁感应发生高电压，以致发生闪击的现象，也叫二次雷。当感应到导线时传输的距离更远。一小女孩雨淋后，跑回家，欲打开金属大门，结果被击倒，抢救无效死亡。
球形雷：在雷电频繁的雷雨地区，偶尔会发现紫色、殷红色、灰红色、蓝色的“火球”。
这些火球有时从天空降落，然后又在空中或沿地面水平方向移动，有时平移，有时滚动。这些火球一般直径10几cm，大的超过1m，存在的时间从几s到几min，一般为几s的居多。
1975年9月25日，海南省临高县一座知青宿舍，有一个发绿光的球形雷从开着的窗口窜入屋内，一位女青年因害怕而夺门而逃，球雷随风尾追，碰到他身上爆炸，女青年死亡。
1983年8月15日，北京市东郊炼焦化工厂，因球形雷烧毁体积10m3的酒精罐两个。
球形雷形成的原因推测：一是等粒子体；二小范围的急促气旋造成，三核反应。到目前试验室未完满重复这一现象。
近年来，由于建筑物的防雷设计逐渐完善，直击雷造成的建筑物损坏和火灾事故已有所减少，但是，随着电子技术的飞速发展，敏感电子设备的工作电压不断降低。如第一代的计算机元件主要是电子管，过去没有什么防雷保护措施，也很少发生雷击事故。而今，新型超级计算机、人工智能计算机都使用集成电路模块，其耐压、过流的能力脆弱，国际电工委员会已将雷电灾害称为“电子化时代的一大公害”。从大量的计算机雷击事例中分析可以认为：由雷电感应和雷电波侵入造成的雷电电磁脉冲（LEMP）是计算机和电子设备损坏的主要原因
具体有以下规律：
a. 从被损坏部件在电路中的位置看，均在与外线连接的主机、终端机或MODOM接口中的驱动器和接收机，或击穿MODEM后再击穿主机或终端的接口，越过接口的部件很少被击穿，可见雷电感应过电压波侵入途径是室外通讯线和电源线。
b. 从接口与线路看，损坏的多是接口，线路绝缘很少损坏，保护重点应是接口。
c. 发生雷击外线路的长度，有长到二十多公里，也有短到几十米的，可见雷电波的侵入在引出机房之外的线路就可发生。
d. 导线屏蔽程度对雷击事故发生差别非常大，不加屏蔽或简单屏蔽多次遭雷击，屏蔽效果很好的导线，雷击发生率极低。
e. 架空线路的的雷电感应过电压。无屏蔽架空线路雷电感应过电压幅值按下式计算：

Vg: 感应过电压，kV
I ：雷电流幅值，kA
Ha：导线离地面高度，m
S： 雷击点与导线的垂直距离，m据上式估算，在一公里远处有50kA的雷击电流，在4m高的导线上可产生5kV的感应过电压，显然，这对计算机和电子设备都会造成巨大的灾难。
f. 地下电缆的雷电感应过电压。5 kA雷电流流入地网，在其附近（5～10m）的无屏蔽电缆上将感应出5～7.5 kV的高压。但电缆有金属护套并两端接地，则感应过电压将降为（5%～10%）。
另外，光纤通讯发展很快，光纤本身是非金属材料不怕雷击，但是为了防止外界的腐蚀作用和增强架空拉设的强度，电缆内部加有抗拉的钢芯，外加上金属护套，也与雷电联系在一起。
消雷器——实践证明，消雷器并不能起到消雷的作用。
1.2 内部过电压(Inter Overvoltage)的产生及危害
在电力系统内部，由于断路器的操作、负荷的投入和切除或系统故障等系统内部的状态变化，而使系统参数发生变化，从而引起的电力内部电磁能量转换或传输过渡过程，将在系统中出现过电压，这种过电压称为内部过电压。在电力系统引起的内部过电压的原因大致可分为：
a. 电力大负荷的投入和切除（电梯、大功率空调机、冷冻机、等）；
b. 感性负荷的投入和切除（电机、继电器的线圈、带负荷垫板变压器）；
c. 功率因素补偿电容器的投入和切除；
d. 短路故障等。
内部过电压虽然没有外部过电压的危害大，但是，由于它长年作用于计算机系统，容易造成元器件的老化，减少设备的使用寿命和正常使用。
1.3 核致电磁脉冲（NEMP）

2 过电压对电子设备的危害例证
例１：１９９４年７月７日下午３时５７分，湖南省沅陵县麻溪铺镇政府办公大楼顶的卫星接收天线受雷击２４６台电视机无一幸免，直接经济损失达３０万元。
例２：１９９２年６月２０日２０时０５分，中国气象局气象中心大楼落雷，避雷装置和建筑物完好，但大楼大型计算机小型计算机网络中断，６条北京同步线和１条国际同步线路被击断，计算机系统中断４６小时，不仅经济损失数十万元，次日中央电视台气象预报成为空白，影响非常巨大。
例3：武昌水果湖地区是湖北省委、省人民政府及各厅局所在地，其周边地区为国务院批准的东湖高新技术开发区，该地区湖泊与山丘交替，雷暴日比周边其它地区多。特别是高新企业的建立，楼房增多，房屋顶上金属物体较多，特别是计算机网络与现代化通信设施的飞速发展，使雷电事故发生率明显提高。两三年的时间遭直击雷的损害达二十多次，造成电话总机、通信设备、计算机网络等的巨大损失，有时一周都不能工作。
九十年代初，在省政府的重视下，在该地区完成了第一期防雷工程，分别在省劳动厅（７层）、省档案馆（１４层）、省物价局（６层）房顶上加装防雷接闪设备，效果较好。但由于当时没有考虑防感应雷，没有过电压保护措施，致使该地区雷击事故时有发生。省政府大院的微波通信和电话总机，国防工办电话总机多次遭到了雷击，而附近的中科院物理所等单位的计算机网络与通信设备上装设了各类避雷过压保护器，未发生事故。
与水果湖区相邻的卓刀泉地区，也是雷击事故多发区。在此的湖北省口腔医院电话总机、７７２所供电系统、省气象局计算机网络接口多次遭雷击，经调查，并不是因遭直击雷所致，皆因未采取防感应雷措施。而这些单位之间的武汉信联证券公司在屋顶上铁塔上装设一套避雷针，在信号、配电等设施上分别安装了电源、天馈信号避雷器，对地网进行了全面改造，在周围多处遭雷击的情况下，公司未因雷击受到损失。

3 计算机和电子设备的过电压防护
对于过电压引起的危害，以引起了发达国家的重视，美国、法国、德国、英国等国都有相关的防过电压的标准和规定，如德国的ＶＤＥ ０６７５《过电压防雷保护器》。国际电工委员会制订的相关标准有：《雷电电磁脉冲的防护》(ＩＥＣ1312—1，2，3—94，95，96)、《低压电力配电系统的电涌保护器》(ＩＥＣ1643-1)。
基于过电压的危害，及防过电压产品取得的良好效果，我国正在着手制定相关的规范，如通信部门的《通信局雷电过电压保护设计规范（送审稿）》。我国许多相关现行规范中也提到了过电压防护。如：《建筑物防雷设计规范》ＧＢ50057-94（文说明）中指出:“关于电子元件的过电压保护分三部分，即２２０/３８０Ｖ、信息线路、有电子元件的设备本身…，在装置附近的供电设备是否装设过电压保护器，应根据设备的重要性，由信息线路设计者一起解决，或由设备的使用者解决或由设备的制造者提供”。从此规范中可以看出，建筑电气设计者们早就对过电压问题引起了重视，只是不便于干预其它行业，而强行要求装设过电压保护器。
随着智能大厦的推广应用，电视、电话、计算机及网络的普及，迫切需要过电压防护跟上发展形势。
3.1 降低入侵感应电压幅值
这是基本的方法，具体做法是不用架空线，采用屏蔽良好的电缆并将屏蔽层和备用芯线两端接地，正确选择布线路径，尽可能直接埋地敷设，并在电缆上方埋设避雷线。但若单靠改善线路结构达到避雷的目的在经济上很难办到，特别是在雷电活动强烈的地区，即使全线采用同轴电缆，感应电压也达100多伏甚至上千伏，所以还必须在线路两端设备处设过电压保护装
置。
3.2 保护装置
安装过压保护装置是为了达到两个目的：不产生误动作和原件不遭损坏；另一种是不影响仪器设备的工作性能。
3.3 现代防雷
富兰克林美国科学家（1706-1790），放风筝发明了避雷针。从富兰克林发明避雷针到现在，科学技术发生了巨大变化，为适应高科技的现状，要采用现代防雷技术。现代防雷的技术原则强调全方位防护，综合治理，层层设防，把防雷看做是一个系统工程，这是由于雷电的危害无孔不入，在整个空间范围侵袭微电子设备，很难防范。
现代综合防雷技术“BCDGS”：
B：“等电位联接”(Bonding)，其目的是防止强大雷电流流过之处立即升高至很高的电位，与周围金属物和设备之间出现很大的电位差，造成旁侧闪络放电。同时可消除因地电位骤然升高而产生“反击”的现象。消除因电位差引起的人身事故。
等电位联结：随着我国电气行业日新月异的 变化，我国许多新修订的规范、标准正逐步同IEC（国际电工委员会）接轨。等电位联接是“使各外露可导电部分和装置外可导电部分电位基本相等的电气联接”，分为总等电位联接、局部等电位联接、辅助等电位联接。总等电位联接就是在建筑物每一电源进线处及进出建筑物的金属管道、金属结构构件等连成一体一般有总等电位联结端子板，并与其它等电位联结端子板放射连接。等电位联接能够降低接触电压，防二次雷击，防间接接触电击及接地故障引起的爆炸和火灾，在电气设计中，等电位联接是一种行之有效的安全措施，早已为国际上许多国家所采用，这项内容在王厚余老先生的极力倡导和推荐下，被写进了我国的设计规范《低压配电设计规范》（GB50054—95），并于1996年6月1日实施。为了使这一内容在工程中得到更好的推广，1997年，航空设计院的徐华等人在王厚余、刘屏周的具体指导下，编制了《等电位联接安装》（97SD567）标准图。
等电位联接示意图见图３。

C：传导（Conducting），作用是把闪电的巨大能量引导到大地中耗散掉。只能拦截建筑物上空的闪电，对于远处落雷产生的过电压波沿各种导线的入侵无能为力。避雷针引导闪电入地的导线流有巨大的电流，会产生感应电磁场，也可能损坏设备，所以必须与其它防雷措施配合。
D：分流（Dviding），从室外来的导线（电源线、电话线、信号线）都要并联一种 避雷器至接地线。把循导线传入的过电压波

在避雷器处分流入地，也就是把雷电流的所有入侵通道堵截，使之降到不危害设备的程度。但是一级不够，要多级堵截。
电子信息设备比一般的电气设备更易被过电压击毁。一般的电气设备工作电压较高，都具有一定的耐雷水平，如果电源进线的暂态过电压不超过6kV，这些设备一般不会损坏。而电子设备的耐暂态过电压的能力很低，据介绍，弱电设备电源部分的冲击耐电压值分别是：交流220V系统为1500Ｖ，直流48伏系统为330Ｖ，电信交换与用户终端设备为1000Ｖ；计算机不得低于1500Ｖ。又由于在短时间内电能释放的能量太大，为使最终的工作设备不损坏，必须在过电压到达弱电设备之前把电能释放掉。所以低压供电电源线路系统的防护，要求不得少于三级，最好是四级，从而将过电压降到设备所能承受的水平。一般防御电压为6kV、4 kV、2.5 kV和小于1.5kV：即三相总电源、进入室内的单相电源和进入用电设备前的三级保护，见图3。

过电压保护器的效果试验见图４。
我国《低压配电设计规范》（GB50054—95）中规定，从变电站接往建筑物的地下电缆，当超过150m时，在进入建筑物的总配电箱中应设避雷器，架空线即使只有几十m，也应设避雷器。
过电压保护器的等电位联接见图５。

过压保护器的接线：
保护器如果安装不正确，将降低保护器的效果。下面左图是不正确的，图中将避雷器安装在进线处墙上，还为之设置专门的接地极。当雷电流击穿短路时，设备所承受的雷电残压为和Ｉ分别为避雷器接线的电感、雷电涌流陡度和雷电流Ｉ在接地电阻Ｒ上的电压降）。如图中虚线所示，由于接线很长，加上Ｒ上的压降，雷电残压仍然很高。国际电工标准规定避雷器接线不应超过0.5m，最好将避雷器接于相线和ＰＥ 线之间，以尽可能缩短接线长度，如下右图。 这时图中设备绝缘所承受雷电残压仅为相线和
ＰＥ线母排间一小段接线 ，这样既不需另打接地极，又最大限度地限制了雷电残压。过压保护器的连接方法见图６。

计算机分为局域网和广域网两大类。为了保护网上的计算机等设备，在局域网电缆上和广域网的专用电路上都必须安装计算机数据线避雷器。
G：接地（Grounding）,从“ BCD”三个措施看，都涉及到闪电能量的泄放，所以G虽是配角，但没有它，这三个措施就不可能达到预期的效果，它历来都是防雷工程的难点和重点。
接地型式介绍：
避雷接地——避雷针、避雷带、避雷网防直击雷的装置接地。
电源接地——交流供电电路中的中性点Ｎ接地或叫零线。供电系统分为三种型式ＴＮ、Ｔ
Ｔ、ＩＴ。一般的建筑用电采用ＴＮ，并分为三种，即ＴＮ—Ｓ、ＴＮ—Ｃ、ＴＮ—Ｃ—Ｓ。
在计算机站和装有电子信息设备的场所，防干扰要求高，ＰＥＮ容易引起干扰，所以在此场所应采用ＴＮ—Ｓ、ＴＮ—Ｃ—Ｓ系统。
安全保护接地——各类用电设备的外金属壳接地，作用是保护人身安全、屏蔽设备。
直流接地——有线通信中的信号接地。在中型以上的计算机网络中又叫逻辑接地。
接地系统中非常重要的指标是接地电阻。各种装置的接地电阻值，按我国现行规范及有关
资料列于下表。

接地装置名称 接地电阻（Ω）
装在变电所与母线连接的避雷器 10
独立避雷器 5
电子设备接地 4
电子计算机安全接地 4
综合大楼联合设接地系统 ≤1

S：屏蔽（Shielding），就是利用金属网、壳管等把闪电的脉冲磁场从空间入侵的通道阻
隔起来，力求“无缝隙可钻”，但是这一点不能做到。
电缆线的保护：
对计算机网络的雷电防护采用现代综合防雷措施中，重点要求加强电源系统和信号系统的防护。
在对系统进行防雷设计前要进行周密的调查，有针对性的采取相应的保护措施。

4 现代防雷产品简介
4.1 气体放电管
用于弱电设备防雷，与强电系统的防雷有所不同，差别是在于工作电压。气体放电管从物理上看，也是放在管内的火花间隙，但体积小，接在电子设备的线路上，工作电压很低。有用玻璃管的，也有改用陶瓷管用于密封。可分为二极管、三极管、四极管、五极管等。常用的放电管的冲击电压在1kV左右（1kV/us），被保护电压从几十V到几百上千V。其突出特点是耐流能力较大，可达20 kA，极间电容较小且稳定，较适用于高频多路通信设备做保护，但当频率高到一定程度时，对信号的衰减很大。
这里要提到一个重要的参数，就是“时间相应”，从过电压波到达避雷器的瞬间到它的击穿放电导通的瞬间，有一个时间延迟，在到达放电瞬间之前，过电压并未降至残压，这时过电压已到达被保护的设备，则这个避雷器就失去意义。所以，我们在弱电防护工作中特别要重视这个参数。
4.2 阀型避雷器
它是由非线性电阻元件（又称阀片）组成。第一个字母F均表示这种避雷器（FS型系列适用于配电系统，FZ、FCZ型适用于变电所，FCD型适用于保护电机）。阀片材料在八十年代以前用SiO,现被ZnO取代。
ZnO的主要优点是：
a. 由于不串联火花间隙，消除了所有带火花间隙产生的问题，主要是大大缩短了响应时间。
b. 降低了过电压。
c. 流通容量大。
d. 体积小、重量轻、结构简单、寿命长。
衡量避雷器性能的参数——残压比：指避雷器通过10kA冲击电流时的残压与通过1mA直
流时的电位降的比值，此值越小，表明通过大电流时的残压越低，表明ZnO的保护性能越好。
4.3 压敏电阻
由ZnO材料制成的电阻元件，与阀型无间隙避雷器本质相同，只是体积小，使用的场合不同。它是近年新出现的电子元件，广泛用于电子电路中，也可用于弱点系统的防雷中作为避雷器。它的相应速度可达毫微秒级，冲击电流可达10kA。
4.4 隔离型防雷元件
隔离变压器，优点可承受１０kV电压不损坏，防止了地线对模块的反击，但体积大，价格高。
4.5 半导体器件
包括齐纳二极、开关二极管、瞬态二极管、可控硅。它们的性能相同，在限幅能力和冲击能力上稍有差异，最大优点是相应速度快n秒级。限幅电压低，最适于信号电路中保护电子元件，弱点是耐流能力差。
4.6 正温度系数热敏电阻（ＰＴＣ）。
主要用在限制电流的剧增上，串联在被保护电路中，与上述几种避雷装置组合使用。还有一些新型过电压保护器件在这里不一一介绍。

5 结束语
防止电源及信号系统的过电压，是一个系统工程，需要考虑的因素很多，如避雷器、线路的保护、地线的敷设、过电压保护器正确选用等等，要统筹考虑。要针对用户的状况采取具体的措施，从已往过电压保护的成功经验看，过电压保护器是一个非常有效的方法，值得进一步推广。