雷电知识

点击数：16892023-12-01 00:00:00　来源: 乌鲁木齐博科雷曼电子科技有限公司

雷电知识

　  雷电是由天空中云层间的相互高速运动、剧烈磨擦，使高端云层和低端云层带上相反电荷。此时，低端云层在其下面的大地上也感应出大量的异种电荷，形成一个极大的电容，当其场强达到一定强度时，就会产生对地放电，这就是雷电现象。

雷电的表现形式主要有两种：
　　一种是直击雷，是指带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。直击雷威力巨大，雷电压可达几万伏至几百万伏，瞬间电流可达十几万安，在雷电通路上，物体会被高温烧伤甚至融化。通常在建筑物顶部安装避雷针或避雷网等来防直击雷。

　　另一种是感应雷，是指当直击雷发生以后，带电云层迅速消失，而地面上某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物因电磁感应而产生高电压以致发生闪击的现象。

一、雷电干扰的入侵路径
常见的雷电干扰的入侵途径及原因，有如下四种（见图示）：

电位差，构成摧毁电子设备之冲击过电压。并且经下引线流过的大量电流，亦产生磁场冲击波。如上图中①所示。

2. 当远端的导线因雷电而产生感应电压会由远端经导线传导过来，如图②所示。

3. 当云层间放电时，强大的电磁冲击会在邻近的地上金属导线感应出冲击电压，并且磁场冲击会漫延到地上的建筑物，如图③所示。

4. 另外，内部操作过电压，如变压器的空载，电机的启动，开关的开启等，也能引起强大的脉冲冲击电流通过线缆引入，破坏电子设备。如上图中④所示。

　　 由感应雷引起的事故约占雷害事故的80%至90%。针对感应雷的破坏途径，我们可采取接地、分流、屏蔽、均压等电位等方法进行有效的防护，以保证人身和设备的安全。

　　防雷器的作用就是在最短时间内将线路上因感应雷产生的大量的浪涌电流释放到地网，使建筑物内各点之间电位差大致不变，从而保护设备。

二、接地系统
　　接地是避雷技术最重要的环节，不管是直击雷、感应雷、或其他形式的雷，最终都是把雷电流送入大地。因此，没有合理而良好的接地装置是不能可靠地避雷的。接地电阻越小，散流就越快，被雷击物体高电位保持时间就越短，危险性就越小。对于计算机场地的接地电阻要求≤4欧姆，并且采取共用接地的方法将避雷接地、电器安全接地、交流地、直流地统一为一个接地装置。如有特殊要求设置独立地，则应在两地网间用地极保护器连接，这样，两地网之间平时是独立的，防止干扰，当雷电流来到时两地网间通过地极保护器瞬间连通，形成等电位连接。

三、防雷等电位连接
　　等电位连接的目的，在于减少需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差。穿过各

防雷区交界的金属部件和系统，以及在一个防雷区内部的金属部件和系统，都应在防雷区交界处做等电位连接。应采用等电位连接线和螺栓紧固的线夹在等电位连接带做等电位连接，而且当需要时，应采用避雷器做暂态等电位连接。

　　　　　　　　　　　　防雷等电位连接示图

四、屏蔽和分区防雷保护
　　从雷电的入侵途径可知，雷电会产生强大的电磁波，在周围的导体上产生感应雷电流，也会构成对电子设备的直接冲击损坏。据资料统计，2.4高斯的电磁波冲击就能造成电子设备的直接损坏，0.03高斯的电磁波冲击就能造成电子设备的误动。屏蔽是减少电磁波破坏的基本措施，包括外部屏蔽措施、适当的布线措施、线路的屏蔽措施。雷电保护区是以屏蔽层为界面来划分的。

　　国际电工委员会IEC1312《雷电电磁脉冲的防护》对雷电保护区的划分问题，提出了原则性的建议。如下图所示。

一个欲保护的区域，从EMC（电磁兼容）的观点来看，由外到内可分为几级保护区，最外层是0级，危险性最高；我国大多数情况下的机房，就与0区仅一墙之隔，即只有一层屏蔽，则该机房内空间定为1区；各电子设备的外壳为一层屏蔽层，可视机壳内的空间为2区等。越往内部，危险程度越低，过压主要是沿线穿过的，保护区的界面通过外部防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层面形成。穿过各级雷电保护区的金属构件，一般应在保护区的分界面做等电位连接。

五、雷击保护的基本原则
　　欲使设备得到很好的保护，首先应对其所处的环境、受雷电影响的程度作出客观的估计，因它与出现过电压的幅值、概率、网络结构、设备抗电压能力、保护水平和接地等有关；防雷工作应作为一项系统工程来考虑，强调全面防护（包括建筑物、传输线路、设备和接地等），综合治理，且要做到科学、可靠、实用和经济。针对感应雷瞬时能量较大的特点，根据IEC国际标准对能量逐级吸收的理论，及防护区间量级分类的原则，需要做多级防护。

对现代新型防雷的一些认识

　　雷击灾害是一种自然灾害，人们通过积极防雷，可减少雷害的发生。防雷保护对象主要有：人、建(构)筑物和设备。随着信息时代的到来，高科技的迅猛发展，先进的测量、保护、监控电信和计算机等微电子产品的日益广泛使用，雷击灾害出现了新的情况，即出现频繁，波击面扩大。现代防雷要进行全方位综合防雷，才能更有效地减少雷害所带来的损失。

1　现代防雷技术措施

　　现代防雷的主要任务是全方位堵截雷电的任何入口。因此，提出了现代综合防雷的技术措施，它包含：接闪、分流、等电位连接、屏蔽、合理布线、接地。

1.1　接闪

　　指通过接闪器，把闪电电流传导入地，保护建筑物不受雷击，它是防直击雷的主力军。

1.2　分流

　　分流是把从室外来的导线(包括电力电源线、电话线、信号线或者这类电缆的金属外套等)都要并联一种避雷器至接地，把循导线传入的过电压在避雷器处经避雷器分流入地。

1.3　等电位连接

　　等电位连接是防雷措施中极为关键的一项。因为雷电流的峰值非常大，其流过之处都立即升至很高的电位(相对大地而言)，因此对于周围尚处于大地电位的金属物、设备或人会产生旁侧闪络放电，又使后者的电位骤然升高，因而要有较完善的等电位连接。

1.4　屏蔽

　　用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包围起来，把闪电的脉冲电磁场从空间入侵的通道阻隔起来，且都必须妥善接地。

1.5　合理布线

　　根据建筑物的具体结构，要求均匀对称合理地布设引下线，把雷电波引入大地。

1.6　接地

　　接地实际上也是泄放雷电流。现代的建筑物大都利用基础作接地体，并构成周圈式接地带，雷电流分散入地。至于接地电阻值，近来许多防雷专家都认为，接地电阻值的大小并不是很重要的，最重要是要求等电位连接和合理的引下线布设，以最快地疏导雷电流。

2　现代新型综合防雷

　　现代的防雷工程技术已进入一个新时期，要考虑闪电的各种物理特性和作用而实行三维空间的综合防护措施。以往的防雷主要是强电系统，是一维或是二维空间的防御，而现在的防�则转向弱电系统，防雷工程技术面临着一个大转折，包括观念上、方法上的转变。

2.1　防直击雷

　　在建(构)筑物顶安装常规避雷针、避雷带仍是防直击雷的最好方法。要求合理安置布局。

2.2　防感应过电压

　　由于空中云间闪电形成的感应电磁波及静电侵入使得长距离(＞20米)送电线路、信号传输线路、计算机网络线路、电话线等产生感应过电压，从而造成设备损坏。因而在这类线路上安装避雷器是很有必要的。
　　(1)在电源供电线路上采用二级以上保护方式，高压线和380V、220V电源线都安装电源避雷器。
　　(2)电话总机中继线和架空分机线、计算机线路分别安装电话避雷器和信号避雷器。
　　(3)********、无线电台发射天线等安装天馈线避雷器。
　　(4)闭路安全监视系统在摄像机头至信号接收处理器两端、在信号接收处理器至监视器两端分别安装馈线避雷器或信号避雷器。

2.3　防反击过电压

　　建筑物中大部分为电子机电设备和通信设备，因此接地网应按均压等电位的原理来设计，工作、保护、屏蔽、建筑物防雷接地应共用一组接地极的联合接地方式，以防止由于雷击而产生的地电位的抬升所引起的过电压。这里有一点必须提出来，这样做的缺点是很难避免的，即对于计算机等的工作会产生一定的干扰。这在当前的防雷工作中是一道最难处理的问题。若计算机等的接地与建筑物防雷接地分开，则容易产生反击过电压；若共用一组接地极的联合接地方式，又会产生干扰。这要求在具体实施过程中通过经验和实践来决定采用那一种接地方式。
　　防直击雷、防感应过电压和防反击过电压的三维综合防雷，是一种新型的综合防雷措施。具体实施过程中要根据实际需要、因地制宜。以达到最佳防雷效果。

　计算机防雷刻不容缓

    雷电，如同感冒一样随时随地都有可能发生。雷电创造了生命但也带来了灾难。人类在各个历史时期都与雷电做斗争，尽管付出巨大的代价，甚至被雷击毙。但人们也在防雷工作中取得了巨大的成就。
    一、人类防雷回眸
    自从富兰克林通过金属线上系风筝，以生命为赌注研究大气电物理建立了雷电理论，发明了避雷针。随着工业化的发展，高炉烟卤建筑物上都装有防雷装置。发电机变压器的发明和电话在生活中的应用，人类在电气化时代又屡着雷击，由直击雷击伤击毁生命和财产发展到通过金属线特别是电线和电话线进行了感应雷和高电压反击，人们为此制造了间隙串联熔断器、各国先后制订了防雷规范。并纳入由国家或独立机构进行的技术管理和监督中，国际合和让防雷科学技术得到了发展。
    然而道高一尺，魔高一丈，二下世纪七十年代以来，半导体技术发展特别是大规模集成电路的应用，尤其是计算机通信系统，微爱信系统中的大规模集成电路于由电压低（5V，15V或者更低）耐不了过电压的过电流的冲击，雷击尤其是感应雷又频频光顾，造成的损失甚至超过设备本身的价值，各种高层建筑地拔而起，遭雷害造成的损失也相当大。防雷老问题又遇到了新麻烦
    二、雷害的现实
    这是一组触目惊心的数字
    1992年8月刚刚敷设的福建德化－永春二级埋地光缆在距永春10KM处距光缆10M的大树遭雷击。雷电流沿树根泄入大地，因无排流线等降低电位措施，将光缆的金属护层与塑料处护层击穿成许多小孔，雷电电弧将钢带击穿成孔洞，烧断光缆数根。
    1993年5月17日，6月3日，某自治区证券中心两次受到雷击，击坏计算机16台。
    1994年5月7日，南方某报社一次雷击损坏计算机近百台。
    1995年6月，南方某省银行结算中心，33层高的大楼遭到雷击，计算机网络系统停止工作3天，几亿元资金不能正常结清，仅利息就损失200万元人民币。
    1999年8月9日，吉林省蛟河发生雷灾，天岗地区某单位的通讯设备被雷击毁。当地1000余台电视机和300余部电话出现故障，雷害发生后的36小时之内，远离百里的蛟河市区，市话手机全停。银行专线无法正常进行，损失严重。相当多的公安机关的专网和军事机关的雷达也受到雷击。被雷击上的部门就如同得了感冒一样，难受的不仅是他们自己，而且还会传染开来，给相关的部门和人们带来损失，甚至引发社会问题。
    一般而言，雷电活动以季节上看，夏季最活跃，冬季较少，从地区分布上看，赤道最活跃，随纬度升高而减少。以雷电日计算，我国根据多年统计得出的平均雷电日，西北15日以下，长江以北包括东北在15-40日之间，长江以南地区达40日以上，雷州半岛和海南岛是雷电活动最剧列的地区，达120-130日，总体上讲我国的雷活动很强。
      借助无线电技术统计出的雷闪频数（即1000KM内一年内发生的雷闪击次数）和中国的雷电日成线性关系，也证明了这一点。
     三、防雷工作
    上述雷击事件带来的损失之惨重，发人深省，知识经济时代是信息时代，政府上网电子商务，越来越多的机房，甚至智能大厦如雨后春笋般出现，越来越多的计算机和网络在运行，以史为鉴，将防雷工作搞好，亡羊补牢犹为晚，雷击虽然厉害，但因其有预兆，可以尽量减少减轻雷击造成的损失。
    未联网的单机只需将电源的零线重复接地，拨号上网的用户也可在雷击之前关机，断开电话线电源线。
    雷害造成的危害表现在：
    1、直击雷中机房的建筑物可产生30KA左右的雷电流，由于电压分布不均会产生局部高电位反击，击毁建筑物，损坏设备，造成人员伤亡。
    2、强大的直击雷电流会使机房的电压升高到几万，几十万伏，通过电线电话线信号电缆的接地点反馈，所有与之相连的通信和网络设备均会遭身。当然危害远远不止这些。
    为此中心机房的避雷则要在以下几方面采取措施
    1、在中心机房所在的建筑物应当安装独立的避雷针避雷网将整个中心机房所在的建筑物保护起来，将电流引入地下，现在有的建筑师把建筑物本身的钢筋作为雷电流引下线，这对于计算机通信设备较少的机房也是一种合理的方法，所有进入中心机房的金属管道，外壳，交换机柜，中心路电器应联成统一的电气整体，并与专门的统一地网相连。计算机通信电缆的芯线，电话线均应加装避雷器。
    3、电话网络的避雷，因其采用程控交换机中大量的集成电路对过电压过电流的耐受能力不足，对于架空线路应在电杆上安装避雷器。在路端安装保安器，一旦线路受雷电冲击时，通过放电器放电，在短时间内大电流不烤断熔丝；以保证通信畅通。一旦雷击电流过大，熔丝熔断，保证设备人员安全。一般而言，雷暴日多发的地区熔丝应当略粗些，雷暴日少的地区，略细一些，若采用细裸铜丝，粗的不能超过0.48mm，细的应在0.39mm。
    4、电力入户线避雷保护。是一般在配电变压器两侧安装避雷器，在低压长线进户的最后几个基杆上进行接地，让雷电受到分流衰减，防止雷电力线进入。
    5、Novell和Ethernet等局城网络防雷措施一般不经过Modem，如果信号线不长。好接地和穿好金属管就可做到相对安全了。也如果信号线较长，也不应考虑使用氧经锌材料的避雷器，因为信号损失大，但可以在远程电活联网中采用。
    6、电缆的防雷，即使是埋在地下的电缆也会受到雷击，有的当时不一定引起绝缘击穿，即使击穿绝缘，也不一定马上造成通信中断。而多表现在通讯信号时断时续。上例中已经提及。
    7、防雷接地是最根本的一条。但如果接地做了但不合格，那会为雷击创造条件；同样，当时合格并不意味着永远合格，雷雨季节前的年检必不可少，吉林省某市教育系统的许多机房直接将地线接到暖气管上，危险就在眼前，而自认为安全。
    我国的防雷工程形成了比较完整有效的体系。国家也制定了《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）计算机通信系统的防雷理论、元器件、材料和施工工艺也有了较大发展。公安机关也在积极进行防雷产品的安全检测和监督管理的，为计算机防雷安全做了大量工作。尽管雷电如同感冒一样，但我们会克服这一难题，尽量减少损失，甚至可以期待有一天化害为利。 

雷电与防雷误区

摘要：阐述雷电形成的原因、产生的过程以及防雷的方法，以便正确选用防雷器件。

关键词：雷电形成  防雷方法

    随着电子技术的发展，电子器件已进入大规模集成电路时代。电子设备的功能得以改善，运行的可靠性不断提高，然而防雷的能力却大大地降低了。现在，每年遭到雷击而造成的损失数以亿元计，所以研究保护微电子设备免遭雷电危害已成为一个重要课题。虽然近两个世纪出现了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件，但由于对雷电的了解不全面或对器件性能的偏见，往往得不到预期的效果。由于不得其法，浪费了大量资财。本文阐述雷电的成因并指出当前防雷误区，力图打破似乎冻结的防雷方法的规范，以求防雷研究的进展。

1 雷电的形成

1.1 自然界的自由电荷

    在电子学中，当人们研究电的现象时发现构成物质的微单元的原子中，围绕原子核高速旋转的外层电子易受外界条件的影响而逸出，使原子缺少电子或者自由电子单独存在而对外部形成电场的带电现象。

    金属导体和绝缘体的内部结构区别在于：金属导体中的自由电子内部引力较弱，而绝缘体内部引力较强。所以在金属导体环路中，如加上一种使自由电子逸出的力量（这个力量我们叫电压），由于环路中电压的存在，金属中的电子产生位移式的流动，不过金属内的正负电荷量的绝对值是相等的，一旦去掉加在环路中的电压，环路立即处于中性，没有电子的流动，不再产生电场。

    对非环路的金属，比如两块相互平行的金属板，它们之间以空气为介质，如在这两块板上加上电压，金属导体中的电子按同性相斥，异性相吸规律，使电子向一面流动，产生电场，这种现象称为静电现象。这时对某一块金属来说，它们电荷的正负电量的绝对值就不相等了，这时如去掉加在其上的电压，它不像环路那样呈现电中性，却仍保持带电性质，仍然有电场的存在，但是随着时间的推移，这个电场会自然消失。正统的理论解释为A片金属的电子通过介质层逐步释放给B片金属的结果，这是以环路电流理论为依据的论点。但是，如果将两块已充了电的金属块瞬间拉开到不可能从A向B释放电子的距离，两块金属会不会永久性地带电呢？事实告诉我们，随着时间的推移带电现象也随之消失，这是什么原因呢？教科书上提到的摩擦起电现象，即绝缘体相互摩擦后，绝缘体出现带电现象，在这种情况下，是否需要两件物体再接触一下才能使绝缘体呈现带电中性呢？事实并非如此，这些悬于空间的带电物体，不管带电性质如何，只要与大地接触一下，带电现象就立即消失。因此这种现象告诉我们，在自然界中，A给B的电荷，A不必从B收回，B多余的电荷也不一定向A输出，这与金属环路电流理论是不相同的。同时可以推定，自然空间（包括大地在内）各种物体电荷的拥有量的绝对值是不相等的，就是说自然界拥有巨大的自由电荷量。

    自然界之所以拥有大量的自由电荷，从电势形成概念而言，有电磁效应、化学效应、摩擦起电及射线等诸方面原因，现代科学可以做到测量人脑电流的运动来判断脑的活动。自然界的自由电荷的成因，用能量守恒定律来规范，可以这样说：凡有物质运动的地方（包括宇宙射线），就会产生电子运动并形成自由电荷，这是一种能转换成另一种能的变换过程，所以自然界物质的运动是自然界产生自由电荷的根源。

    所谓自然界，包括天空与大地这样广阔的空间，这个空间不存在电荷的中性，就大地而言，我们称之为零电位，但大地本身因物质的运动其电位并非为零，它拥有大量的自由电荷，我们可以做一个简单的小实验：用一副耳机，或者一只毫伏表，两根同金属性质的金属棒，在一定距离内分别将金属棒插入地下，棒与棒之间用耳机可以听到地电荷的噪音，如果接上毫伏表发现有电压指示，而这种指示不因放电时间的加长而消失，单线传输的电话线路，电话的耳机里的噪音也连续不断，这些都说明大地自由电荷的存在。当然用上述方法无法测量天空自由电荷，但是我们用长波和中波收音机收听电台时，噪音干扰也连续不断，以此证明，天空中有不断的放电现象，说明天空中存在丰富的自由电荷，同时又能形成一定强度的电场放电。

    这里反复地论证自然界存在自由电荷，其目的是要解释雷电产生的根源，因为教科书上的环路理论不能对雷电成因进行解释。

1.2 雷电场的产生

    雷电的能量是巨大的，在人类活动中，任何单一的电站所发出的电能不可能产生一次雷电所释放的能量，那么这样大的能量积聚是怎样形成的呢？

    上面说过，由于物质的运动自然界产生巨大的自由电荷，当然这些自由电荷是产生雷电的根源。从电子学中得知，要形成一个强大的电场，一定是其中一方是同性质电荷的积累，但是在天空中空气是绝缘的，同性质的电荷又相斥，它们不可能积聚在一起，不可能形成能量的集中，天空中的物质受气流、宇宙射线的影响而产生自由电荷，且不断增加，在大气层的挤压下向太空高层运动，形成一个电离层，这个电离层是含单性电荷的电子层，其电场的能量是不可估量的。

    当大气层中出现潮湿的空气，在上升阶段又遇冷空气结成水状云块时，由于云块可看成是一个整体的导体，在电离层电场力的作用下，云层中的电子推向面向地的一端，虽然云块正负电荷的绝对值相等，但实际上形成了一个静电场，在晴天，云块远距地面而且云块与大地间潮湿空气较稀，它们之间介质绝缘程度较高，不易发生击穿放电现象，但是在雨天，特别是热雨季节，由于云层下降，空气潮湿，在此条件下带电云块击穿空气向大地放电而形成雷电。

    雷电不单纯是空间对地放电，往往在空间也会形成雷电。这是因为带电云块在空间的位置较高，当地面的潮湿空气急速上升时，它与带电云块形成的电场在空间放电，形成高空雷电。

    上面说过，云块受电离层电场力的作用产生静电现象，这些云块向地放电以后，其本身产生电离即云块的正负电量的绝对值不相等，形成带电现象，带电云块随着气流运动与另一云块形成电场，当它们逐渐接近时产生放电现象是形成空中雷的原因，当我们观察雷电在空间放电时，往往是一次接一次有连续不断的感觉。

1.3 雷电过程

    雷电过程也是静电理论中阐明的电场中介质击穿过程。上面说过雷电的成因，雷电是带电云块在运动过程中放电的现象，其放电位置不是固定的，但有一定固定的条件。比如电场中介质的厚度、绝缘系数、气体温度和地表导电系数都影响雷击地点。我们常说的多雷区应该说该地区具备上述诸因素中的几种。但是有人认为雷电是在本位置产生的，这是一种误解。道理很简单：因为在本地区又有什么力量积聚这么大的能量呢？应该是带电云块在运动过程中放电形成雷电，当然在带电云块的作用下，在什么地方放电与地面的前述条件有关，以地貌而言相对高度越高应该说越易遭雷击，这里指的是高建筑物、高山及地表凸出处，但也不一定就在这些地方出现雷击，因为在电场中介质参数不单纯是指厚度，还取决于绝缘系数即环境的温度和气体的温度。我们发现，往往雷击点不在山顶而在平川，这是因为那里的潮湿空气和气温使电场介质的绝缘低于高山而遭雷击。另外，地表的导电也有影响，良好的导电地质比难以导电的地质所产生的雷电场就大得多，所以易导电的地质易于引雷。

    雷电场是一个巨大的静电场，是人类不可建造的。巨大的电场面积和所积聚的巨大能量是不可估量而又不可测量的，人们往往在雷电以后，从被雷击的物体破坏的程度估计它的大小。对于雷电流用数以亿安计的词来形容是不过份的，雷电场在放电过程中与静电场放电有相似的地方，但也有差别，人为形成的静电场其储能是极为有限的，所以它在放电过程中放电电流是从最大值逐步减弱，而雷电场就不同，由于储能巨大，在放电时因通过空间的阻力开始阶段不可能使电场减弱，而是在放电时空气加热以后放电电流达到最大值，再随着电场的减弱放电电流随之下降。所以雷击过程中雷电流是从小到大再减弱，就电的性质而言，由于它是一个静电场的放电，电流的方向是不变的，所形成的是一个幅度巨大的脉动直流电流。

    所以雷电流的主要分量是直流分量，但脉动部分和雷电流与空气及地接触时产生的热骚动形成的谐波和高次谐波的电磁能量也相当大，所以雷电过程中的交流分量也不可小看，雷击过程中，从低频直至米波段这样宽的频谱均受不同程度的干扰，从谐波理论得知，低频段所受干扰较为严重。

    如果我们将地面的物体置于某一位置，雷电��这一物体产生的干扰可分为感应干扰和直接干扰。某一物体不在雷电场内，但由于雷电在放电过程，它所产生的强大电磁波使这一物体受电磁波的冲击，这样的雷我们称“感应雷”，当某一物体置于雷电场内，而且物体又作为雷电流的导电体，巨大的电流通过该物体使物体遭到严重破坏，这种直接置于雷电场受到雷电的冲击，我们称这种雷为“直接雷”。以现代微电子来说，不管感应雷还是直接雷对微电子器件都会造成永久性的破坏。

2 防雷的误区

2.1 避雷针与避雷器

    19世纪后叶，人们发现金属导体尖端放电现象。避雷针是典型的利用尖端放电原理做成的防雷装置，在被保护物体上架设一根金属针，并将它与地相通。它是怎样避雷的呢？解释是这样：当避雷针置于空中对地这个雷电场时，由于避雷针与大地有良好的接触，此时电场能量通过避雷针放电，雷电场消失，使它不发生大电流的放电，从而起到消雷的作用。但是这种解释也有不清楚的地方，即位于强大的雷电场下的避雷针，能否按人们的意愿慢慢地放电使雷电场消失呢？从电学原理也说不通。因为强大的雷电场就像****缺少引信一样，避雷针所指的空间就像引信，由于避雷针的引导会一触即发。因为其高度和良好的接地条件要优于其它位置，同时尖端形成的电场又大于其它地方，所以强大的雷电场以避雷针为中心放电区，如果说避雷针本身不具有电抗，接地电阻又达到零值，数以亿安计的雷电流可以顺利通过它，不会形成热效应和雷电位，便可达到避雷目的。但避雷针本身和引线存在着电抗，接地电阻不可能为零，所以雷击过程中，它没有避雷能力，只起到雷击位置的引��作用。人们认识到这一点，但对避雷针有所偏爱或者说对雷电成因不理解，他们将雷电解释为是本位置产生的，就是说讲不清楚的原因，在避雷针设置的地方和相对的空间形成电场，由于避雷针逐步放电而使这一电场建立不起来，所以避雷针起到消雷的作用。事实上从20世纪以来人们对避雷针的避雷作用公开地提出了质疑，因为避雷针成为引雷针的事件屡见不鲜。

    然而避雷针在下述情况能发挥一定作用，当带电云块的电量很小，而且又远离地面与大地形成不太强的电场时，避雷针对其电场逐步放电达到消除这个电场的目的。地面有些物体与大地是绝缘的，比如木质结构的古建筑物，在感应雷和直接雷的作用下，可能会带上静电，由于静电的存在可能引起火灾，如果在这些物体上架设避雷针，就可使建筑物与大地形成等电位，避免这些物体在雷电场作用下带静电。

    但是，现代的建筑物几乎都是钢筋水泥结构的，它与大地已形成了等电位，显然架设避雷针是多余的。但是现在的建筑物仍沿袭老规矩架设避雷针，其原因很明显，主要是责任和规范问题。说句实话，不设避雷针谁能保证该建筑物不受雷击？安装了避雷针而遭雷击是老天爷的事，责任不在人。

    几乎在出现避雷针的同时，在输电线上人们利用尖端放电现象发明了尖端放电避雷器，两个尖端所形成的电场在一定间距内放电，这个间距的大小可以设定在一定电压下放电，于是将它安装在输电线上，使雷电的超压值通过此放电器引导入地达到避雷的目的。20世纪初叶，输电线上普遍安装了形似羊角的羊角避雷器，但是由于羊角避雷器在泄放雷电过程中，空气被加热引起电弧不断，虽然有引导电弧上升的形态，但雷电过后，电路不能正常供电。于是在尖端放电的基础上加了对电压敏感的电阻元件，此元件在超过额定电压时呈现的电阻小，反之阻值增大，对过压引起的电流起到开关作用，这种避雷器称“阀型避雷器”。按压敏原理又派生出气敏和氧化锌器件。

    不管羊角型、阀型、气敏和压敏避雷器，它们的结构企图达到一个目的：使输电线上的过压值，通过这些器件，箝位在人为的整定值上，从而使用户设备的端电压不超过额定电压，确保用户设备的安全。

2.2 避雷器件用在不同电路中的反应

    现在形形色色的避雷器，如果单纯地就其本身结构来判断是否有防雷作用是不全面的，还要看这些器件用在什么电路。下面介绍几种电路在雷电过程中的反应：

    （1）高压输电线雷电势的分布与过渡

    高压输电线是三相三线制，线对地是绝缘的。不管输电线受感应雷或直接雷影响，在三线中的雷电势的电位和相位均是相同的，线与线之间的电位差等于零。所以当雷击高压输电线时，主要危及输电线及其在线路上运行的变压器的对地绝缘。在三线的输电线中，由于各种原因三线对地绝缘系数不尽相同，特别是高压侧的避雷器绝缘性能更难求得一致，所以在雷击过程中会出现一线首先向地放电现象。由于一线放电，该线雷电位迅速下降，此时另外二线的雷电位就高于放电线，线与线之间就出现了雷电位差，这个电压通过变压器高压侧绕组，低压侧（即变压器副边）就由于电磁感应出现雷电压，这个电压很高时就危及用户设备的安全。

    （2）低压输电线雷电势的分布与过渡

    低压为三相四线制，零线与大地相连，雷电发生在低压电线时，由于零线本身存在着电抗，接地电阻不可能达到零值，四线上的雷电都向地放电，此时的低压输电线首先是零电位急剧上升，当然相线由于零电位上升而相应上升，而且每相向零线放电时，都是通过用户设备进行的，由于各自的负载不同，相应的雷电位也不尽相同，这样又出现了相对零线间和相间的雷电流。所以当雷击低压线时，对用户设备造成破坏的一是对地绝缘，二是超压过载，往往由于零线电位升高而破坏用户绝缘的故障最明显。

    （3）小电流电路

    所谓小电流电路系指电源功率容量小、电源内阻高的电路网络，这种电路我们常见的如电话外线及电子线路本身。

    上面说过，目前的防雷器件是由尖端放电和压敏原理派生，这些器件用于线路超压保护时，接线方式一般为线间并联及线与地间并联，这种器件在小电流电路上是能有效地箝定超压电流的，因为小电流电路功率容量小，电源内阻高。比如：当雷电冲击电话用户时，雷电流通过用户线倒传到交换机的终端，如果交换机终端安了压敏器件，压敏器件对雷电流进行泄放时，电话线路由于阻值大将雷电流给予限制，因此压敏器件能箝定在它的阈值上。在电子电路中，我们常见在稳压二极管的前面串联一只电阻，这只电阻是限流电阻，也可看成是为增加电源内阻而设定的，由于此电阻的限流，稳压二极管就能将电压箝定在它的阈值上，但负载电流不能大，否则稳压值低于阈值，所以在小电流电路中，使用压敏器件进行电压的箝位能有效地防止雷电的冲击，就是说防雷效果是显著的。

    （4）大电流电路

    大电流电路一般指电源电路，这种电路的特点是功率容量大、电源内阻小。如果在这样的电路上使用压敏器件并联在线路上，力图用压敏器件的过压放电特性，将过压值箝定在压敏器件的阈值上显然是做不到的。雷电要在电源电路形成超压状态，它的功率能量必须大于电源电路的能量，这样一个巨大的能量由压敏器件泄放而器件本身不损坏是不可能的，这是其一；其二，由于电源内阻小，就是在压敏器件放电过程中，压敏器件两端电压不会低于线路的过压值，这样用户设备同样受雷电过压的冲击。

    现在市面上有些设备号称具有防雷功能，单纯的将防雷器件和整机并联在电源上，并在电源电路上串联保险丝。制作者们认为在雷击过程中，压敏器件放电而使电路过流而熔断保险丝，达到避雷的目的。这样的接线，对功率器件即电机和电力变压器有一定的避雷作用，但对于微电子设备没有防范功效。前面说过加在压敏器件上的过压值同时加到了用户设备上，而且由于电源内阻小，电压不会因此而降落很多，另外，保险丝是一个热元件，有一个熔断时间，所以用保险丝与压敏器件配合的避雷器装置，对于微电子设备而言是不可取的。

    要使压敏器件在电源电路上发挥避雷作用，只有增加电源内阻即在电路上串联电抗元件，但是由于这个电抗元件使电路在正常工作状态下，降低了工作电压，同时又随负载的变化而波动使此电源不能使用，所以当今防雷问题的焦点几乎在电源线引雷问题上。

    由于电源线上不能串联电抗元件，但又要使用压敏器件泄放雷电流，于是有人从雷电频谱入手，提出了雷电的浪流现象。什么是浪流呢？雷电如水浪一样来势凶猛，下降迅速，认为这样一个冲击电流主要分量在高频，所以在电路上使用毫亨级的电感就能防止浪流。当然毫亨级的电感对于50Hz的电源频率几乎不形成有影响的电抗。但是前面说过，雷电是静电场的放电现象，主要分量是直流，谐波频率较宽。这个交流分量很小，所以把雷电频谱定在高频是不对的，因此使用高频电感的方法要获得较好的防雷效果是不可能的。

    当前对于微电子设备的防雷方法使用1∶1变压器，普遍认为具有较好的防雷效果，为什么能得到这样的效果呢？认为：它能阻止浪流，起隔离作用。但这种解释没有说到点子上。应该是1∶1隔离变压器将大功率容量的电源变成了定功率容量的电源。由于变压器具有磁饱和效应，如果在它的副边并接压敏器件，由于功率容量受到限制，压敏器件能将电压箝位。因为现在生产的氧化锌压敏器件瞬间电流可达数千安培。

3 结语

    本文简略地表达了雷电成因、雷电过程以及分析了当今防雷的方法，其目的是提出一个思维，以便对市面上形形色色的防雷器件的防雷效果有一个理智的判断，以达到正确地选用防雷器件保护微电子设备。

低压供电系统的防雷防浪涌保护

引言

雷电放电可能发生在云层之间或云层内部，或云层对地之间；另外许多大容量电气设备的使用带来的内部浪涌，对供电系统（中国低压供电系统标准：AC 50Hz 220/380V）和用电设备的影响以及防雷和防浪涌的保护，已成为人们关注的焦点。

云层与地之间的雷击放电，由一次或若干次单独的闪电组成，每次闪电都携带若干幅值很高、持续时间很短的电流。一个典型的雷电放电将包括二次或三次的闪电，每次闪电之间大约相隔二十分之一秒的时间。大多数闪电电流在10，000至100，000安培的范围之间降落，其持续时间一般小于100微秒。

供电系统内部由于大容量设备和变频设备等的使用，带来日益严重的内部浪涌问题。我们将其归结为瞬态过电压（TVS）的影响。任何用电设备都存在供电电源电压的允许范围。有时即便是很窄的过电压冲击也会造成设备的电源或全部损坏。瞬态过电压（TVS）破坏作用就是这样。特别是对一些敏感的微电子设备，有时很小的浪涌冲击就可能造成致命的损坏。

供电系统浪涌的影响

供电系统浪涌的来源分为外部（雷电原因）和内部（电气设备启停和故障等）：

# 雷击对地闪电可能以两种途径作用在低压供电系统上：

l  直接雷击：雷电放电直接击中电力系统的部件，注入很大的脉冲电流。发生的概率相对较低。

l  间接雷击：雷电放电击中设备附近的大地，在电力线上感应中等程度的电流和电压。

# 内部浪涌发生的原因同供电系统内部的设备启停和供电网络运行的故障有关：

    供电系统内部由于大功率设备的启停、线路故障、投切动作和变频设备的运行等原因，都会带来内部浪涌，给用电设备带来不利影响。特别是计算机、通讯等微电子设备带来致命的冲击。即便是没有造成永久的设备损坏，但系统运行的异常和停顿都会带来很严重的后果。比如核电站、医疗系统、大型工厂自动化系统、证券交易系统、电信局用交换机、网络枢纽等。

    直接雷击是最严重的事件，尤其是如果雷击击中靠近用户进线口架空输电线。在发生这些事件时，架空输电线电压将上升到几十万伏特，通常引起绝缘闪络。雷电电流在电力线上传输的距离为一公里或更远，在雷击点附近的峰值电流可达100kA或以上。在用户进线口处低压线路的电流每相可达到5kA到10kA。在雷电活动频繁的区域，电力设施每年可能有好几次遭受雷电直击事件引起严重雷电电流。而对于采用地下电力电缆供电或在雷电活动不频繁的地区，上述事件是很少发生的。

    间接雷击和内部浪涌发生的概率较高，绝大部分的用电设备损坏与其有关。所以电源防浪涌的重点是对这部分浪涌能量的吸收和抑制。

    供电系统的浪涌保护

对于低压供电系统，浪涌引起的瞬态过电压（TVS）保护，最好采用分级保护的方式来完成。从供电系统的入口（比如大厦的总配电房）开始逐步进行浪涌能量的吸收，对瞬态过电压进行分阶段抑制。 

[第一道防线]  应是连接在用户供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防浪涌保护器。一般要求该级电源保护器具备100KA/相以上的最大冲击容量，要求的限制电压应小于1500V。我们称为CLASS I 级电源防浪涌保护器（比如美国EFI公司的TBP、ISE、IBP等型号电源防浪涌保护器（简称SPD））。 这些电源防浪涌保护器是专为承受雷电和感应雷击的大电流和高能量浪涌能量吸收而设计的，可将大量的浪涌电流分流到大地。它们仅提供限制电压（冲击电流流过SPD时，线路上出现的最大电压成为限制电压）为中等级别的保护，因为CLASS I 级的保护器主要是对大浪涌电流的吸收。仅靠它们是不能完全保护供电系统内部的敏感用电设备。

[第二道防线]  应该是安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电设备处的电源防浪涌保护器。这些SPD对于通过了用户供电入口浪涌放电器的剩余浪涌能量进行更完善的吸收，对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。该处使用的电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为45KA/相以上，要求的限制电压应小于1200V。我们称为CLASS II 级电源防浪涌保护器（比如美国EFI公司的MBP、OSW、DR4P等型号电源防浪涌保护器）。一般的用户供电系统作到第二级保护就可以达到用电设备运行的要求了（参见UL1449-C2的有关条款）。

[最后的防线] 可在用电设备内部电源部分使用一个内置式的电源防浪涌保护器，以达到完全消除微小瞬态的瞬态过电压的目的。该处使用的电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为20KA/相或更低一些，要求的限制电压应小于1000V （比如美国EFI公司的 DR1P、DR2P、DR4P、TITAN 65DR、TITAN16DT等型号的电源防浪涌保护器)。对于一些特别重要或特别敏感的电子设备，具备第三级的保护是必要的。同时也可以保护用电设备免受系统内部产生的瞬态过电压影响。

配电屏上电源浪涌保护器的正确安装

 Correct Installation of Panel Suppressors  

引言

安装在配电屏上的电源浪涌保护器一般是采用并联方式连接的，其保护性能会受连接导线参数的影响。用于连接电源浪涌保护器的位置、导线尺寸和长度等因素都会影响保护效果。

连接导线

瞬态过电压脉冲具有快速的上升波前沿，其典型的脉冲电流上升速率（di/dt）为每微秒100安培。连接导线的自感（L）效应很强（每英尺0.1μH）,在浪涌前端通过时,会妨碍瞬态过电压的有效抑制。连接导线上的电压降（U＝I*R+L di/dt, R很小，可以不计），将叠加在浪涌保护器的限制电压水平上。因而，由于增加了残余电压而使浪涌保护器的性能变坏。

导线的自感与它的长度和其截面积的对数值成正比。将连接导线的长度减 少一半，自感也减少一半；但要达到相同的效果，必须将导线的截面积增加十倍。多股铰合导线与同等尺寸的实心导线相比，由于表面积上的集肤效应，其有效的截面积要大一些。

采用粗的、短的、多股铰合的连接导线，可使电源浪涌保护器达到最佳的保护效能。其中，较短的导线长度比较大的导线截面积更为重要。

推荐的安装步骤和要求

应该尽可能靠近配电屏安装电源浪涌器。

在电源浪涌保护器的钢板外壳上打一个适当尺寸的孔（如果需要，某些型号可能不需要），该孔的位置要使从浪涌保护器接线端到邻近配电屏断路器（或熔丝隔离开关）的连接导线之长度最短。可能的话，使用带导线的螺纹接头直接接入配电屏上部的主断路器处。这样可为所有连接到该配电屏的用电设备提供有效的浪涌保护。

在电源浪涌保护器和断路器之间，使用AWG＃10（6平方毫米）或更粗的多股铰合导线连接。要避免导线过度弯曲和过长。整齐的安装并不是最重要的，短而直的连接导线才是最好、最有效的。

电源浪涌保护器应通过一个适合整定值的断路器连接，而不是直接接入配电屏的主断路器的出线侧主接线端。在不能提供断路器或者断路器不适用的场合，应将一个熔丝隔离开关连接到浪涌保护器和主断路器之间的线路上，使电源浪涌保护器更易安装。当要对电浪涌源保护器进行在线检测或更换时不必断开主断路器，停止整个供电系统运行。同时对于设备运行的可靠性也有额外的保证，线路上增加的断路器或熔丝隔离开关可以作为系统后备的保护，如果连接导线故障或其他短路故障出现时，可以及时将浪涌保护器从供电系统中脱离出来，不会影响供电系统运行。

增加的断路器整定值应该根据连接导线的截面积进行选择。一般情况下，在使用AWG#10连接导线时，可以选择30安培的整定值。在安装时应该根据电源浪涌保护器的安装说明书选择连接导线和断路器的整定值。 

断路器在电源浪涌保护中的应用

Application of Circuit Breakers to Surge Suppressors  

建筑电气工程中，对建筑物内部接入低压交流供电系统（220/380V）的所有用电负荷，要求具有过电流保护器（如，熔断器或电流断路器）进行短路和过载保护。其中也包括与供电线路并联连接的电源浪涌保护器。

尽管大多数电源浪涌保护器包含内置的熔丝，在电源浪涌保护器的部件承受过高的浪涌电流冲击时可以起到一定的保护作用，但是在连接电源浪涌保护器的线路中，仍存在发生短路故障的可能性。

电源浪涌保护器及其线路需要进行过电流保护。熔断器或断路器的电流整定值应与连接到电源浪涌保护器的导线相匹配，同时也应与电源浪涌保护器的内部熔丝相匹配。

由于大多数电源浪涌保护器使用AWG＃10或更大一些截面积的连接导线，并且使用等效15或20安培的内部熔丝，我们推荐使用30安培整定值（建议在25A-32A范围内选择）的断路器或熔断器。与采用几个单相断路器相比，推荐选择一个三相断路器。

由于大多数瞬态过电压冲击的持续时间很短，整定值为20至30安培的熔断器或断路器可以通过几万安培的瞬态浪涌电流（8/20µS波形）。熔断器和断路器的响应时间相对来说是较慢的（几十ms以上），因而它们在浪涌冲击状态下动作的机会很小。

如果在被保护配电屏上没有可用的断路器，可以采用一个熔断器刀闸开关将浪涌保护器器连接到交流供电电源。这也便于电源浪涌保护器的检修、维护。熔断器的整定值应该按上述要求确定。

EFI专利正弦波跟踪技术(SWT技术）

目前有两种主要类型的电源浪涌保护器，即包络线（或门限）浪涌抑制装置和正弦波跟踪浪涌抑制装置。

现在市场上可以购买的大多数电源浪涌保护器（常见并联型电源浪涌保护器），是仅使用固态保护器件（如压敏电阻（MOV）或硅雪崩二极管等）的包络线型钳制装置。这些双端口装置，在遭遇瞬态浪涌冲击时，通过钳制跨接在浪涌保护器两端之间的瞬态电压工作。限制电压的幅值取决于瞬态电流大小及波形，并且保护器的动作电压一定要达到一定的幅值，避免干扰被保护供电线路的正常运行。

在应用于保护交流电源时，单一模式的浪涌保护器有一个主要的缺点，即：浪涌保护器的动作电压与交流电源瞬时正弦波位置无关。也就是说，它的钳位电压范围（Clamping Barrier）相对于交流电源的中性点（或大地）是固定的。在遭受供电系统内部浪涌冲击时，如一个ANSI A类波形的浪涌，大多数应用于AC 220/380V低压供电系统的单一模式电源浪涌保护器把动作电压确定在大约480V左右。

由于单一模式电源浪涌保护器建立的是一个均匀钳制电压包络线，其钳制电压点会因瞬时工频交流电正弦波位置的差异而有不同的效果，这取决于随正弦波波形发生的相位。

例如，钳制在峰值480V的包络线型保护装置，可能允许一个发生在+90°相位的169V正瞬态脉冲通过。同样的装置可能允许发生在+180°相位下的一个480V的正瞬态脉冲通过。如果相同的瞬态脉冲发生在+270°相位，则可能让一个960伏特的正瞬态脉冲通过。 

包络线型钳位抑制装置对于防止结构简单的设备（比如电动机负载等）受瞬态损坏是有效的。但它们在保护敏感电子电路或微处理器的瞬态能量方面却达不到要求的效果。

交流电源可以经过整流、滤波和逆变，向用电设备提供电源，高频瞬态能量可以通过电源线路进行传播（如通过电力变压器的旁路电容等），所传递的瞬态浪涌能量大小取决于工频交流电正弦波上叠加的瞬时过电压幅值。 

在EFI实验室所进行的测量表明，在交流电源输入端的瞬态过电压，有0.1％至2％会出现在敏感电子电路的直流电源母线上。开关电源比线性电源更严重，一般有1％以上的瞬态过电压进入电路内部。对于电源滤波电容器，由于它的自感存在，并不能对瞬态过电压脉冲进行完全的衰减。因此，在交流电源输入端使用包络线型钳位浪涌抑制装置，如果电源保护器仅能限制正弦波以上570V的瞬态过电压，将有5.7V的浪涌峰值会出现在直流母线上，该值足以扰乱逻辑信号，甚至损坏芯片。

通过采用改进的电源浪涌保护器-正弦波跟踪浪涌抑制装置可以克服上述缺点。这类保护器的钳制电压不是固定的包络线，而是跟踪正弦波波形变化。正弦波跟踪抑制装置采用复合混合滤波器／抑制器电路，无论瞬态浪涌在什么相位下，都可有效地衰减吸收高频瞬态能量。因此，与固定门限钳位装置相比，无论任何时刻，均可达到最佳的、一致的电源保护水平。 

最好的正弦波跟踪抑制器，比如EFI高容量级的Linemaster iSE系列电源浪涌保护器，将ANSI C62.41 6KV A3类波型浪涌衰减到正弦波的几十伏特以内。它保证通过微小的残余瞬态浪涌小到不足以引起电路损坏或电路板逻辑错误。

电源浪涌保护器的使用建议

美国EFI公司作为专业的电源浪涌保护器生产商，致力于全球不同电网环境下的浪涌保护，提供全面的、完善的电源浪涌保护产