雷擊對電子設備的危害及防護

摘要: 本文闡述了雷擊的原理，SPD的類型和選擇時應注意的問題。

關鍵詞: 電子設備;雷擊;防雷;SPD;接地

一、引言

隨著電子信息設備和計算機系統普遍使用，電子設備的防雷問題越來越引起人們的重視。由于這類設備的工作電壓和耐沖擊電壓水平低，極易受到雷電電磁脈沖的危害，國際電工委員會將雷電災害稱為“信息時代的公害”。為消除這一公害，科技人員通過不斷研究和探索，發明和制造了各種防雷元器件，不斷完善電子信息系統的防雷技術。

二、用電設備遭雷擊損壞原理

當雷擊現象發生時，建筑物的外部防雷裝置能有效地抵御雷擊對建筑物的破壞，同時均勻的避雷引下線與建筑物接地的均壓環也起到法拉第網籠的作用，保證建筑物內的人員不致因跨步電壓升高而導致觸電事故。

但這時當雷電擊中建筑物防雷裝置或擊中附近其他建筑物的避雷針(帶)并由引下線導人大地時，瞬間內在引下線自上而下的產生一個很強的變化磁場。處在這個電磁場作用下的導體，便會感應產生電壓，其數值也可達數十千伏，處在這個磁場作用范圍的電氣、信號、電源及它們的傳輸線路都因相對地切割了這個變化的磁場磁力線而產生出感應高壓，從而將用電設備擊壞。如圖1所示，如果導體的形狀是開口環形感應電壓，便會把幾厘米長的空氣間隙a、b擊穿發生火花放電。如果導體是一個閉合回路，感應電壓會造成一個電流通過，假如回路上有接觸不良的接點，這些地方就會局部發熱。再有，由于雷電沖擊波的能量集中在工頻附近幾十赫茲到幾百赫茲的低端，雷電沖擊波能量就容易與工頻回路發生耦合、諧振，于是雷電沖擊波從電源線路進入電子設備的機率要比從信號線中進入的機率要高很多，據統計，約有8%的雷擊損壞電子設備的事故是由電源引入的，因此應特別加強系統中設備電源的防雷措施。

三、電子設備遭遇雷擊的途徑

雷擊過電壓損壞設備可分為兩種情況，一種是受雷電直擊，另一種受感應雷影響所致。據統計電子設備受雷電直擊而損壞的機率很小，而絕大多數損壞為感應雷造成，雷電行波通過傳輸信息的電路線傳至電子設備使其某些電子元件受損。

還有一種情況值得重視的是電子設備附近的大地或其他設備的接地體，因受直擊雷引起的電位升高，會使電子設備造成反擊，使之對地絕緣擊穿。根據傳統經驗電子設備的地線與電源設備的地線分開設置是減少這種雷電侵入途徑的有效措施之一。所以凡聯結有輸人或輸出線路的電子設備應考慮以上三條侵入途徑。不論那種途徑侵入的雷擊過電壓加在電子設備上沖擊引起兩種過電壓，一種是:使平衡電路某點出現超過允許的對地過電壓，稱為縱向過電壓，地電位上升引起的反擊也屬于從地系統侵入的縱向過電壓;另一種是平衡電路線間或不平衡電路線對地出現的過電壓稱為橫向過電壓。使用對稱傳輸線的設備，橫向過電壓是因線路兩線間存在不同的縱向過電壓;或因縱向防護元件放電性能的分散性(如動作時間有快慢的差別)是造成橫向過電壓的原因，如果在平衡線路上的兩個縱向防護元件，其中一路故障或失效這就造成了橫向過電壓的極限情況。對不平衡電路如對連接同軸電纜的電子設備其縱向過電壓即橫向過電壓。雷電沖擊過電壓可導致絕緣擊穿，也可產生過電流。進行縱向雷擊試驗的目的，在于檢驗設備在縱向過電壓下元器件對地的絕緣。橫向雷擊試驗則是檢驗兩線間出現沖擊過電壓時設備耐受沖擊的能力。

在電子設備中，易受雷擊過電壓損壞的元部件，大多數是靠近設備的入口端，如縱向過電壓會擊穿線路和設備間起匹配作用的變壓器匝間、層間、或線對地絕緣等。橫向過電壓可隨信息同時傳至設備內部，損壞設備內的阻容元件及固體元件。設備中元器件受損的程度，取決于元器件絕緣水平，即耐受沖擊的強度，對具有白復能力的絕緣，擊穿只是暫時的，一旦過壓消失，即可恢復。有些非自復性的絕緣介質，沖擊時只有小電流流過，一次沖擊不會立即中斷設備，但經過多次沖擊，隨著多次沖擊的累積可能會使元件逐漸受損最終導致毀壞，這就是為什么在試驗時要試驗沖擊次數，極性和間隔的原因所在。

電子元件受雷擊損壞的情況，概括起來不外下列三種:(1)受過電壓損壞的，如電容器、變壓器及電子元件的反向耐壓。(2)受過電壓沖擊能量損壞的，如二極管PN結正向損壞，沖擊危險程度在于流過元器件的過電流大小和持續

時間，即能量大小。(3)易受沖擊功率損壞的，對元件的危害決定于沖擊電壓峰值和由此而產生的過電流。

四、防雷元件種類和性能

防雷元件的沖擊特性與試驗方法的關系甚為密切，它是規定防雷元件技術參數標準的基礎之一。但試驗方法又與雷電波形有聯系。因為電子設備大都在一定的頻率范圍內工作，不同頻率范圍的通路，對沖擊波有著不同的響應。因此，對雷電沖擊波形進行頻譜分析，無論對電子設備的防雷設計和試驗都是有意義的。

防雷元件種類繁多，概括起來可分間隙式的，再推廣一下像扼流線圈、電阻、電容……也可歸人這一類，從動作時間來說有快慢的區別。

使用在電涌保護器(sPD)中幾類元件的有關參數，雖然有廠家產品說明，但在選用時有的參數還須注意了解。例如放電管的伏秒特性:表征放電管點火電壓與時間的關系。它反映了各種不同上升速度的電壓波作用在放電管上其點火電壓和延遲時間的關系。由伏秒特性曲線可以判斷放電管的防護能力。放電管屬間隙式，有空氣間隙、氣體放電管等。再如氧化鋅壓敏電阻，是一種對電壓敏感的元件，是一種陶瓷非線性電阻器，有氧化鋅、氧化硅。這種元件，其電壓非線性系數高、容量大、殘壓低、漏電流小、無續流、伏安特性對稱、電壓范圍寬、響應速度快、電壓溫度系數小等特點。并且有結構簡單，成本低等優點，是目前廣泛應用的過電壓保護器件。適用于交流電壓浪涌吸收和各種線圈，接點間過電壓的吸收和滅弧，在電子器件過電壓保護中廣為應用。在選用時關注的是通流容量;按規定的電流波形，在一定的試驗條件下施加的沖擊電流值，壓敏電阻所能承受沖擊電流的能力。我國對壓敏電阻的考核一般以8/20us波形，在室溫條件下，間隔5分鐘單方向沖擊兩次后，5分鐘內測試壓敏電阻的起始動作電壓Vlma值的變化率在百分之十以內時，沖擊電流的最大幅值定為通流容量。壓敏電阻的殘壓(LJres):壓敏電阻通過電流時，在其兩端的電壓降謂之殘壓。通常均以規定的波形，通過不同的電流幅值進行殘壓測試。目前采用8/20us電流波形，以100A、1000A、3000A、5000A及該元件的滿通容量進行殘壓試驗。另外還有半導體浪涌抑制器件:如瞬間二極管，它是一種過箝壓器件，簡單TKS，利用大面積硅園錐P-N結的雪崩效應實現過箝位，TRS響應速度快、漏電流小，是極佳的過電壓吸收器件。齊納二極管較為常用，其無極性，正反向具有相同的保護特性，但器件的工作電壓至少要為聯端的工作電壓三倍。其適用于交直流回路，常應用于自動化控制裝置的輸出回路，即繼電器線圈或電磁間線圈兩端并聯應用。

以上各類間隙式，非間隙式和抑制式器件都是通過浪涌電壓產生非線性元件瞬時短路的方式實現防雷保護。

五、電子系統及電子設備的防雷

由于電子信息設備是集電腦技術與集成微電子技術的產品，它的信號電壓只有5~10伏，這種產品的電磁兼容能力較差，很容易感受脈沖過電壓的襲擊，它受雷擊的概率又比較高，受雷電損壞的可能性就大。但是，電子信息系統是由信號采集、傳輸、存儲、檢索等多環節組成。鑒于系統環節多、接口多、線路長等原因，給雷電的耦合提供了條件。系統的電源進線接口，信號輸入輸出接口，接口的線路較長等是感應脈沖過電壓容易侵人的原因，也是過電壓波侵入的主要通道。

六、結束語

本文介紹了雷擊對電子設備的危害和防雷的方法。隨著科學技術的發展，一定會有更先進的防雷元器件研發出來，為電子信息系統提供更好的防雷系統。

參考文獻:

《通信線路和通信設備的防雷手冊》