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点击数：15272018-06-14 11:27:13　来源: 乌鲁木齐博科雷曼电子科技有限公司

雷击和瞬间过电压防护技术

摘要：就雷击过电压对信息系统造成危害，讨论雷电过电压的产生，过电压的危害途径，及其预防原理和方法

关键词：雷电；过电压；防护；等电位理论；过电压保护器

雷电是发生在大气层中的声、光、电物理现象，它给人类的生活带来很大影响，雷电造成的灾害自远古以来一直威胁着人类和地球上的一切生物。它是气象灾害的一种。也是世界上最具危害性的十大自然灾害之一。随着科学技术的发展，在现代化生活中，雷电除仍对生命造成危害，更严重的是对电力、广播电视、航空航天、邮电通讯、国防建设、交通运输、石油化工、电子工业等几乎是各行各业产生危害，尤其是电子计算机的普及和微电子设备对雷电电磁脉冲的敏感，更使雷电灾害的危害程度加剧，经济损失剧增。正如江泽民主席视察中国气象局时所讲：“看来经济越发展，气象灾害越容易造成大的损失。”随着微电子技术在信息产业日益广泛的应用，其技术装备已高度电子化、集成化、智能化。由于集成电路对无法耐受过电压、过电流、强电磁干扰，信息产业领域内的运营商、制造商都将共同面对一个新的问题——雷电瞬间过电压防护。

1   雷电过电压的产生形式

在发生雷击时，强大的雷电流及其所产生的空间电磁脉冲能够通过传导、感应和耦合等方式在建筑物内电子系统中产生各种暂态过电压，当暂态过电压沿电源线或信号线等线路传输时，就形成了过压波。这些暂态过电压和过电压波对电子系统的安全正常生产运行颇具危害，容易造成电子设备的工作失灵或损坏。雷电暂态过电压的产生有以下几种形式：

1、建筑物在遭受雷击时，雷电流将沿建筑物防雷系统中各引下线和接地体汇入大地，在此过程中，雷电流将在防雷系统中产生暂态高电位，如果引下线与其周围电子或电器设备之间绝缘距离不够，且设备又不与避雷针系统共地，则两者之间就会出现很高的电压并会发生放电击穿，造成所谓反击现象。反击能导致电子或电器设备的严重损坏。

2、当信息系统所处的建（构）筑物防直击雷装置，遭受雷击时，雷电流沿引下线通过接地装置向大地泄放的同时，在建筑物防雷系统中流过的暂态电流或雷电放电通道中的雷电流将在建筑物内部空间产生脉冲暂态磁场，变化的雷电电磁场的存在，使信息设备作切割磁力线运动，使各连接导体回路和线路上感应出暂态过电压，当其超过信息系统所能承受的能力，必将产生危害，危及与这些回路相连接的电子设备。

3、由于雷云的静电感应作用，附近导体累积大量极性相反的感应电荷，当雷击放电后，附近导体会形成局部感应高电压，静电感应束缚着的感应电荷被迅速释放，形成暂态过电压波。暂态过电压沿线路向两端瞬间传播能量造成危害。

4、暂态过电压或过电压可以通过信号或电源线路耦合或转移到电子设备上。当雷击建筑物1时，引起该建筑物地电位及其设备外壳电位抬高，设备外壳与线路之间产生绝缘击穿，并可能将高电位沿信号线或电源线传输到附近未遭雷击的建筑物2使之产生线路与设备外壳间的绝缘击穿。雷电过电压对信息系统造成很大危害。

理论上，一个雷击点会造成以该点为中心2公里半径范围内的智能电子设备受影响，影响系统的安全可靠运行。

2   暂态过电压防护的原理和防护工作

2.1   过电压防护理论和防护要求

目前雷电防护技术的核心就是等电位理论，暂态过电压能够产生危害的原因就是系统之间产生的电位差。当遭受雷电袭击时，不论被保护物带有多高的电位，只要使它们处在均压等电位的环境场中，就是安全的。雷击产生的过电压防护必须从系统入手。直击雷的防护是基础，等电位是关键。

对于信息系统雷电过电压的防护应考虑，信息设备和网络系统所处的电磁环境条件；直击雷的防护措施；等电位联合接地要求是否满足；信息系统遭各种过电压损坏的主要途径为电源线路、信号线路、天馈线路和接地回路，这是避雷针不能防护的，要求实施过电压的多级防护。信息设备及网络系统自身的电磁兼容要求越来越高，这就要求在雷电防护工作中提高信息设备和网络系统自身的电磁兼容性，雷电防护设施不能影响信息设备及网络系统自身的正常工作。

2.2  过电压防护工作

首先，要做好直击雷防护工作，要将绝大部分雷电流直接引入地中泄放。良好的直击雷防护措施可以将一次雷击的50~60%的能量泄放到大地。因此，直击雷防护信息系统所处的建筑物的直击雷防护装置不仅可以保护建筑物本身，而且还能为其内部的各类信息设备和网络系统提供良好的电磁环境。建（构）筑物的防直击雷装置通常由接闪器（避雷针、带、网、线）、引下线（笼式钢筋结构）和接地装置（基础钢筋接地网）组成，将雷电能量通过合理、有效途径向大地泄放。建筑物内的冲击电位和空间电磁场的分布，将关系到建筑物内人身安全和通信设备的安全。因此法拉第笼得以广泛应用。法拉第笼是利用建筑物定平面内和墙内的钢筋，与地网可靠连接，共同形成一个等电位体的保护笼。它可以有效的屏蔽雷电产生的强大电磁场和静电场，从而使建筑物内的电子设备免遭雷电侵害，同时利用它作引下线也可以起到分流的作用。地网是雷电流泄放入地的主要通道。因此地网的质量好坏，将直接决定了系统防雷的整体效果与安全。而地网的接地形式比接地阻值更重要。单一接地系统是最为理想的地线结构系统，其优点是各地线系统彼此分开，避免了共模干扰；缺点是增大了投资，而且在现代智能建筑物群体化的今天很难保证各接地系统的完全独立性和必要的安全距离。分支状、树干状两种地线网络系统近似于一点接地的地线网络系统。其优点是节省投资；缺点是只能用于直流和低频场合，对于通信设备种类复杂且有高频的场合，采用单一接地系统效果更好。对于接地的建设，考虑到防雷要求及周围环境，共用接地系统是比较好的选择。即建筑物内的所有的系统和设备共用同一接地系统。

其次，要阻塞雷电波造成的沿各类引入线进入设备的过电压。电涌入侵的路径是电源、信号、建筑物、地网与接地四部分。主要的雷击通道是电力线、信号线、引下线（二次雷击）、地线（反击）。雷点过电压侵入防护必须从以上四个方面入手。目前最新雷击事故原因调查分析资料表明，由供配电线路引入的雷电过电压致使信息系统的信息设备和网络系统损坏约占信息系统整个雷灾事故的70%左右，因此信息系统供配电线路的雷电过电压防护是信息系统雷电防护的重点。其防雷保护的主要原理也是等电位。电源线路入户端应使用金属铠装电缆或电源线路穿金属管埋地引入埋地敷设，将电缆金属外皮接到防雷电感应的接地装置上，并在与架空线连接处和入户处重复接地。电源线路引入的总配电箱处应装设过电压保护器，过电压保护器、电缆金属外皮、钢管、绝缘子铁脚等应连结在一起接地。一般情况下，在配电系统应采取多级避雷器保护。过电压保护器接至等电位连结带得导线应短而直，或采用凯文接线法利用电源线“V”型连接，尽量减少避雷器连线的线感。为了有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流，过电压保护器之间线路长度应小于10m，限压型过电压保护器之间线路长度应小于5m，否则要加装退藕装置。无论是金属线缆还是具有金属部件的光缆在遭受直接雷击或雷电感应所形成的雷电过电压均可沿这些信号线路侵入信息设备和网络系统构成危害。由于信号线不仅仅涉及运行中的通信设备，它还连结众多的终端用户，因此，信号线入侵的瞬间过电压的涉及面和危害性最大。应列为过电压防护的重点之一。不同的信号线上所传输的信号电压是不同的。电缆或光缆进入机房与程控交换机相连，其中间必须实施电话信号过电压保护，安装信号过电压保护器，避免由外线窜入的雷电过电压侵入程控交换机，网络内部数据信号传输线路上的雷电过电压防护宜采用集中控制式，通常在总接线架处安装多路集中式过电压保护器。信息系统通常具有交流工作地、安全保护地、直流地、防雷地、防静电地、屏蔽地等多种接地，当未采用等电位联合接地方式的信息系统遭遇雷击时，会造成雷电地电位的抬升，出现地电位反击对信息系统造成干扰。等电位连结、采用接地极过电压器和屏蔽是消除地电位差最有效的方法。任何一次云-云、云-地的闪击，都会在空间造成强大的电磁、静电感应；建筑物的避雷针任何一次接闪，其引下线周围的信号线都会感应到瞬间的过电压。由建筑物引下线产生雷电反击也是产生过电压的重要途径，可以采用等电位连结和屏蔽的措施。

3   一种特殊等电位形式：过电压保护器

过电压保护器就是我们通常说的避雷器。当正常工作状态下，过电压保护器不影响系统的正常运行，当遭受雷电流袭击时，过电压保护器瞬间与地网连通，截断过电压向被保护设备侵袭，使其残压达到被保护设备可以耐受的水平。过电压保护器是雷电过电压防护工作的重要组成部分，是等电位理论在雷电防护工作中的的实际运用。

大多采用放电管、压敏电阻或两者电路组合，最末几级的防雷保护元件多采用二极管。现今的防雷元件大多采用以上几种基础元件配套组成防雷保护电路。

放电管工作原理是气体放电，放电管中充有惰性气体，当极间施加一定电压时，极间放电击穿。多用于多级保护电路的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压的作用。其优点是极间寄生电容小；缺点是灵敏度差，动作时延较大，对波头陡度较大的雷电波难抑制。压敏电阻主要成分是ZnO，正常情况下，其内阻为无穷大，近似于开路状态，达到击穿电压时压敏电阻呈现高阻状态。其工作原理是当供电线路出现瞬间的过电压时，压敏电阻能快速的抑制并使各线路间的电位差保持不变，并将雷电流协放入地，能够抑制大电流。其优点是通流容量大、常态泄漏电流小、残压水平低、动作相应快和无续流等，其缺点是有较大的寄生电容。齐纳二极管和雪崩二极管，工作原理是反向击穿，它们残压低，适合保护脆弱电子设备。其优点是响应时间快，钳位电压低。缺点是寄生电容大。过电压保护器就是吸收了以上元件的优点并采用理想的电路组合达到抑制雷电暂态过电压过电流的防雷元件。

4  信息系统防雷必须综合防护，雷电过电压的防护是综合防雷的重点

减少雷害，抑制过电压，消除雷电电磁干扰，提高信息技术设备和网络系统的雷电防护能力和雷电防护的安全系数和效率，将雷电所造成的直接经济损失和间接经济损失降低到最低限度，以保障财产和人身的安全是我们研究雷电防护的目的。电子设备的雷电过电压防护必须坚持整体防御、综合治理的原则，任何单一的措施，很难产生良好效果，有时反而增大了雷击事故。完整的雷电综合防护体系，必须按照系统工程的思维方式（整体性、结构性、层次性和目的性）采取综合治理的工程技术（分流、接闪、均压、屏蔽、接地、隔离、滤波、限压等多学科综合技术）将雷电能量通过合理有效的路径向大地泄放或有目的的将雷电能量抑制、转换到一定的安全范围值内。对于雷电的防护是一个系统的工程，要有一套完整的雷电综合防护体系，而雷电过电压的防护又是整个防雷体系的重中之重。雷电过电压防护远比直击雷防护工作复杂，防雷技术要求也高。如果把雷电过电压的产生、过电压侵入的途径和危害、对于过电压的防雷的原理弄清楚，对于防雷工作中做好信息系统的防雷和正确的选择和安装避雷器都有很大的帮助。