論環境模擬試驗系統中電涌的危害及其防護

摘要:由于信息技術的發展，環境模擬設備的信息化和自動化程度也越來越高，計算機、人工智能設備及其它電子設備在環境模擬試驗系統中的使用愈來愈廣泛。介紹了電涌對低壓系統的危害，并闡述了對電涌防護的有關措施。

關鍵詞:環境模擬;過電壓;電涌保護器

中圖分類號:TJ3

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)13-0359-02

產品在儲存、運輸或使用過程中，受到周圍環境條件的影響，將降低它的性能以至危害操作者的人身安全。因此，必須研究環境對產品的影響，對產品進行環境模擬試驗，從而選擇耐環境因素的材料、工藝、結構。隨著電子信息設備信息技術正在飛速發展，電子信息設備在環境模擬試驗系統中的應用也越來越多。但電子信息設備常因元件被擊穿或燒毀而停止工作，重要的原因是這類設備的元件耐暫態過電壓的水平很低，如果設備的電源線和信號線上感應暫態過電壓，而線路又未設置必要的暫態過電壓保護器，則設備的電子元件將被擊穿。環境模擬試驗系統在雷雨季節工作，為了防止雷電侵入，必須采取完善的防護電涌的措施。

1 環境模擬試驗系統

綜合環境模擬試驗系統主要承擔的試驗項目有:高溫試驗、低溫試驗、濕熱試驗等。綜合環境模擬試驗使系統主要有以下系統:試驗室系統，供氣系統，制冷系統，加熱系統，蒸汽加濕系統，測控系統等。

環境模擬試驗系統的各分系統有自己的控制監視分系統，最后通過組網，由系統的總的測控系統控制監測，系統中含有計算機，程控交換機等電子信息設備。

2 電涌的產生于危害

電涌被稱為瞬態過電，是電路中出現的一種短暫的電流、電壓波動，在電路中通常持續約百萬分之一秒。220v電路系統中持續瞬間(百萬分之一秒)的5kV或10kv的電壓波動，即為電涌或瞬態過電.

電涌也指電網輸出電壓有效值大于額定值110%，其持續時間為一個周波(20ms)至數個周波的電壓變化。

電涌的來源有兩類:外部電涌和內部電涌。

外部電涌最主要來源于雷電，而內部電涌主要是由于系統內部工作造成的工作電壓超過正常供電值。

2.1 雷電(外部過電壓)的產生及危害

雷電時一種大氣中帶有大量電荷的雷云放電的結果。密集于大地上空的云，若帶有大量的正電荷或負電荷，則成為雷云。當雷云的電荷聚集量很大且具有較高的電場強度時，周圍的正、負雷云之間或雷云和大地之間即可發生強烈的放電現象，成為雷電現象。雷云的電量比大地高的多，由于靜電感應而使大地感應出大量的與雷云電荷異號的電荷，兩者類似于一個巨大的空間電容器。

雷電放電過程中，呈現出電磁效應、熱效應以及機械效應，對用電設備有很大的危害性。

雷擊主要有三種形式:直擊雷、感應雷和球形雷。

計算機、人工智能設備及其它電子設備都使用集成電路模塊，其耐壓、過流的能力脆弱，國際電工委員會已將雷電災害稱為“電子化時代的一大公害”。從大量的計算機雷擊事例中分析可以認為:由雷電感應和雷電波侵入造成的雷電電磁脈沖(LEMP)是計算機和電子設備損壞的主要原因，具體有以下規律:

(1)從被損壞部件在電路中的位置看，均在與外線連接的主機、終端機或MODOM接口中的驅動器和接收機，或擊穿MODEM后再擊穿主機或終端的接口，越過接口的部件很少被擊穿，可見雷電感應過電壓波侵入途徑是室外通訊線和電源線。

(2)從接口與線路看，損壞的多是接口，線路絕緣很少損壞，保護重點應是接口。

(3)發生雷擊外線路的長度，有長到二十多公里，也有短到幾十米的，可見雷電波的侵入在引出機房之外的線路就可發生。

(4)導線屏蔽程度對雷擊事故發生差別非常大，不加屏蔽或簡單屏蔽多次遭雷擊，屏蔽效果很好的導線，雷擊發生率極低。

(5)架空線路的雷電感應過電壓。

(6)地下電纜的雷電感應過電壓。

2.2 內部過電壓的產生及危害

在電力系統內部，由于斷路器的操作、負荷的投入和切除或系統故障等系統內部的狀態變化，而使系統參數發生變化，從而引起的電力內部電磁能量轉換或傳輸過渡過程，將在系統中出現過電壓，這種過電壓稱為內部過電壓。在電力系統引起的內部過電壓的原因大致可分為:

(1)電力大負荷的投入和切除。

(2)感性負荷的投入和切除。

(3)功率因素補償電容器的投入和切除。

(4)短路故障等。

內部過電壓雖然沒有外部過電壓的危害大，但是，由于它長年作用于計算機系統，容易造成元器件的老化，減少設備的使用壽命和正常使用。

3 電涌的防護

電涌不能被阻止，因為它包含的能量太強。電涌的防護關鍵是給雷電感應電流提供一個通向大地的短捷有效的通路，這樣雷電流將從設備外分流。

3.1 降低入侵感應電壓幅值

這是基本的方法，具體做法是不用架空線，采用屏蔽良好的電纜并將屏蔽層和備用芯線兩端接地，正確選擇布線路徑，盡可能直接埋地敷設，并在電纜上方埋設避雷線。但若單靠改善線路結構達到避雷的目的在經濟上很難辦到，特別是在雷電活動強烈的地區，即使全線采用同軸電纜，感應電壓也達100多伏甚至上千伏，所以還必須在線路的兩端設備處設過電壓保護裝置。安裝過壓保護裝置是為了達到兩個目的:不產生誤動作和原件不遭損壞;另一種是不影響儀器設備的工作性能。

3.2 現代防雷技術——BCDGS

雷電是導致電涌最明顯的原因，現代防雷技術的原則強調全方位防護，綜合治理，層層設防，把防雷看做是一個系統工程，這是由于雷電的危害無孔不入，在整個空間范圍侵襲微電子設備，很難防范。

現代綜合防雷技術“BCDGS”:

B:“等電位聯接”(Bonding)，其目的是防止強大雷電流流過之處立即升高至很高的電位，與周圍金屬物和設備之間出現很大的電位差，造成旁側閃絡放電。同時可消除因地電位驟然升高而產生“反擊”的現象。消除因電位差引起的人身事故。

等電位聯接是“使各外露可導電部分和裝置外可導電部分電位基本相等的電氣聯接”，分為總等電位聯接、局部等電位聯接、輔助等電位聯接。總等電位聯接就是在建筑物每一電源進線處及進出建筑物的金屬管道、金屬結構構件等連成一體一般有總等電位聯結端子板，并與其它等電位聯結端子板放射連接。等電位聯接能夠降低接觸電壓，防二次雷擊，防間接接觸電擊及接地故障引起的爆炸和火災，在電氣設計中，等電位聯接是一種行之有效的安全措施。

C:傳導(Conducting)，作用是把閃電的巨大能量引導到大地中耗散掉。只能攔截建筑物上空的閃電，對于遠處落雷產生的過電壓波沿各種導線的入侵無能為力。避雷針引導閃電入地的導線流有巨大的電流，會產生感應電磁場，也可能損壞設備，所以必須與其它防雷措施配合。

D:分流(Dviding)，從室外來的導線(電源線、電話線、信號線)都要并聯一種避雷器至接地線。把循導線傳入的過電壓波在避雷器處分流入地，也就是把雷電流的所有入侵通道堵截，使之降到不危害設備的程度。

G:接地(Grounding)，從“BCD”三個措施看，都涉及到閃電能量的泄放，所以G雖是配角，但沒有它，這三個措施就不可能達到預期的效果，它歷來都是防雷工程的難點和重點。

接地型式介紹:避雷接地——避雷針、避雷帶、避雷網防直擊雷的裝置接地。電源接地——交流供電電路中的中性點N接地或叫零線。供電系統分為三種型式TN、TT、IT。一般的建筑用電采用TN，并分為三種，即TN—S、TN—C、TN—C—S。

在計算機站和裝有電子信息設備的場所，防干擾要求高，PEN容易引起干擾，所以在此場所應采用TN—S、TN—C—S系統。

安全保護接地——各類用電設備的外金屬殼接地，作用是保護人身安全、屏蔽設備。

直流接地——有線通信中的信號接地。在中型以上的計算機網絡中又叫邏輯接地。

接地系統中非常重要的指標是接地電阻。

S:屏蔽(Shielding)，就是利用金屬網、殼管等把閃電的脈沖磁場從空間入侵的通道阻隔起來，力求“無縫隙可鉆”。

對計算機網絡的雷電防護采用現代綜合防雷措施中，重點要求加強電源系統和信號系統的防護。

在對系統進行防雷設計前要進行周密的調查，有針對性的采取相應的保護措施。

3.3 電涌保護器

3.3.1 電涌保護器的工作原理

電涌保護器，又稱浪涌保護器(SPD)，根據IEC標準規定，電涌保護器主要是抑制傳到來的線路過電壓和過電流的裝置。它實際上是一種非線性元件，這種非線性元件的工作取決于施加在其兩端的電壓U和和觸發電壓Ud的大小，對于不同的SPD產品Ud為標準給定值。

SPD的工作特性為，當U﹤Ud時，SPD的阻值約為1MΩ，只有很小的漏電電流通過;當U≧Ud時，SPD的阻值減小到只有幾歐姆，瞬間放電，時電壓突降;待U﹤Ud時，SPD又呈現高阻抗特性。

電涌保護器起到保護作用的基本要求是必須承受預期通過他們的雷電流，并且通過電涌時的最大鉗壓，有能力熄滅在雷電流通過時產生的工頻續流。

3.3.2 SPD設置原則

應遵循分級保護的原則。信息系統雷擊電磁脈沖的防護應按其所處的建筑物條件、信息設備的重要程度、發生雷擊事故嚴重程度等進行雷擊風險評估，將信息系統雷擊電磁脈沖的防護分為A、B、C、D四級:

A級:宜在低壓系統中采取3-4級SPD進行保護。

B級:宜在低壓系統中采取2-3級SPD進行保護。

C級:宜在低壓系統中采取2級SPD進行保護。

D級:宜在低壓系統中采取1級或以上SPD進行保護。

3.3.3 SPD布局原則

(1)在任意兩個防雷區交界處布置。

(2)即使在同一個防雷區里，還需要限制電路波過程引起的電壓升高。

4 結束語

環境模擬試驗系統是一個集成化、信息化程度非常高的系統。防止電源及信號系統的過電壓，是一個系統工程，要實現系統的電涌防護，要根據實際情況，采取科學合理的避雷方式和選用合適的電涌保護器，從而才能得到更好的效果，提高系統的全天候作業方式，減少系統中電子元器件的損耗，延長系統的工作壽命。

我們必須將電源及信號的電涌保護工作實際運用到工程設計中去，使得電子信息設備以及電力設備得到切實的保護，從而保證正常的辦公、科研、生產。

參考文獻

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