電子設備的雷擊過電壓分析

【中圖分類號】V443 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2012）09-0057-01

1、引言

目前，各種先進的電子設備被廣泛應用，因其大量使用大規模集成元器件，對過電壓干擾十分敏感，尤其是雷擊過電壓。雷擊過電壓是指由于雷電直接擊中各種金屬線路；或雷擊接閃器時由于電阻耦合、電容耦合、電感耦合等將高電位引入電子設備；或由于接地系統的不規范，雷電流入地時各地問的地電位不均衡等原因產生瞬態過電壓。大量的雷災案例分析證明，雷電過電壓已成為損壞電子設備的主要原因，本文就雷電過電壓入侵電子設備的途徑進行分析，并通過實際案例提出防護措施。

2、電子設備過電壓保護的必要性

現在已進入電子信息時代，各行各業都日益廣泛地采用電子信息技術裝備自己，如一座現代化的大廈，一般都裝有智能安防、計算機網絡、群控電梯、通信網絡、廣播系統、樓宇自控等一系列電子信息系統；航天、金融、電信、石油化工、電力、廣播電視等部門及工廠企業更不例外，其電子信息設備的應用已日趨廣泛，數量與規模在不斷地擴大。但是這種電子信息設備的工作信號電壓很低，一般小于10V，因此，其抗干擾、抗過電壓的能力極低，對電磁環境的要求很高，所以隨著電子信息設備的廣泛應用，雷電對設備的破壞途徑更加多樣，破壞程度更加廣泛和深入；它可以導致數據信號發生錯亂，也可能導致芯片的直接損壞，使設備立即發生故障中斷通信；還有可能，雷擊產生的過電壓僅使某些部件緩慢劣化而縮短使用壽命，這種損傷會使設備經常產生難以捉摸的軟故障直到最后電路失效或性能下降。

3、雷電過電壓的來源分析

雷電對建筑物內部的電子設備的危害是多途徑的，有直接雷擊、有沿金屬管路和電氣線路、電纜引入的雷電侵入波，還有空中傳播的電磁波，以及雷擊地面產生的高電位，由接地引入線反擊入室。

雷電放電可視為一種變化的電磁波，其干擾離不開干擾途徑（耦合機制）“路”和“場”等方式，干擾途徑（耦合機制）可分電導性耦合、近場耦合（容性和感性耦合）以及輻射耦合（電磁耦合）。當干擾源離系統的距離小于干擾源頻率的0.16倍波長入（入/2π）時，可認為是近場干擾。輻射耦合主要是指干擾源處于遠場電路，是一種電磁波傳播的形式。

3.1 電導性耦合

電導性耦合主要是雷直擊于低壓導電系統或防雷裝置時，雷電流通過其等效阻抗而產生的壓降。

3.2 容性耦合

如果雷擊防雷裝置的接閃器或低壓系統傳導線時，在其有效阻抗上將產生很高的電位差。由于系統每部分之間都存在著分布電容，任何電壓的變化，不管在什么位置，將有驅動電流通過分布電容而產生傳導干擾。雷擊接閃器的容性耦合如圖2所示，C₁為接閃器對傳導線的分布電容，C₂為傳導線對地的分布電容，R為傳導線對地的等效電阻。根據等效電路可求出傳導線對地的電位差UR。

U_R=（jωRC₁V）/[jωR（C₁+C₂）+1] （1）

在R為低阻抗時（傳導線上的限壓元件動作），且小于分布電容C₁及C₂容抗之和，可得

U_R=jωRC₁V （2）

在R為高阻抗時，且大于分布電容C₁及C₂的容抗之和，UR取決于C₁及C₁+C₂容抗之比。

3.3 感性耦合

通過回路所包圍的面積的磁通量發生變化時，回路產生的感應電動勢與磁通量對時間的變化成正比。雷電流是一瞬變電流，其磁通量的變化率非常高，雷電流的波頭時間通常在（0.1-10）μs之間。

雷擊防雷裝置時，因設備布置構成的環路中感應的均方值電壓，可估算為

U=M△i/△t （3）

式中U為均方值電壓，kV；△i/△t為雷電流的變化率，kA/μs；M為環路互感系數，μH。

雷擊防雷裝置時，平行導線構成的環路中感應的均方值電壓，可估算為

U=M’h△i/△t（4）

式中u為均方值電壓，kV；△i/△t為雷電流的變化率，kA/μs；h為同雷電流載流導

線平行的導線長度，nlnl；M’為環在導線h方向上的單位長度的互感系數，nH/mm。

在信息系統中，正常運行的工作電壓一般小于10V，而發生雷擊時，在平行導線中能產生大于100V感應過電壓，此感應電動勢足以損壞電子設備。

3.4 輻射耦合（電磁耦合）

輻射干擾是干擾源通過空間介質以電磁波的特性和規律發射干擾，低壓系統的傳導線以接收天線的形式接收干擾，其干擾是通過‘場’的方式對電子設備進行侵入。

雷電放電會產生變化的電磁場，電磁場的能量可以被引人到離雷擊點相當大范圍內的系統中。在架空系統中，可從以下公式粗略估算導線上產生的過電壓

U=30×kX（h’/d）×I （5）

式中u為導線上產生的過電壓，kV：I為雷電放電電流，kA：h’為導線離地面的高度，m；d為雷擊點離導線的間距，m；k為系數，取決于雷電流反擊的速率，一般取1.0～13。

對于電流為30kA的雷電流，當架空線距地面5m時，發生雷擊點到導線距離為1km以內的過電壓將超過5kV。在此情況下，當距離為10km時，100kA的雷電流會產生1.8kV的過電壓。

4、實例方案

4.1 基本情況

某證券機房，公司所在大樓四樓，大樓已有接閃帶等外部防雷設施；計算機網絡系統的供電由市電三相五線低壓電源供電，機房供電電源由大樓地下室配電柜至樓層分配電箱，分配電箱再供給機房UPS電源設備；機房計算機網絡通信線進出采用UTP雙絞線纜，通信線路采用超五類電纜線，衛星饋線采用BNC接口同軸電纜；機房接地利用建筑自然接地體。

4.2 方案設計

機房所在大樓已有外部防雷設施，不再作外部防雷補充設計。計算機網絡系統雷擊電磁脈沖防護按B類要求設計，供電系統采取3級電涌保護器（SPD）進行保護。網絡通信系統采取末級保護，對于進出保護區的電纜、電線在進入保護區時適當安裝信號接口電涌保護器（SPD）。機房接地采用共用接地系統，對進出各防護區界面的管、線、槽進行等電位連接，有效地將雷電過電壓降低到設備能夠承受的水平。

對于雷電磁場的影響，主要是直擊雷擊中機房大樓時，雷電流在建筑物的內部分布直接影響到計算機網絡系統設備，特別是對電磁干擾敏感的計算機及網絡通信終端設備。合理選擇機房內電子設備的位置，及合理的屏蔽措施可有效的減少雷害。

在供電系統及計算機網絡終端設備的接口處安裝電涌保護器SPD，并對出入機房纜線采取屏蔽、接地，實現等電位連接等措施，可有效減少雷擊過電壓對電子設備的侵害。

機房采取共用接地可有效的解決地電位反擊的影響，合理的地網是有效防雷的關鍵。對于敏感的數據通訊設備的防雷，接地系統的良好與否，直接關系到防雷的效果和質量。改善地網條件，適當擴大地網面積和改善地網結構，使雷電流盡快地泄放，縮短雷電流引起的高過電壓的保持時間，以達到防雷要求。

5、結語

隨著通信裝置的多樣化，高度信息化，更加敏感的反應在雷擊等過電壓方面，就有更高的防雷技術要求。電子設備的故障情況也在不斷的變化，仔細把握它的故障形態，要從定量方面明確雷害發生的機理以及雷害對電子設備的危害影響，只要嚴格按照有關防雷規范的要求，實行有效的防雷措施，電子設備的雷電過電壓危害是能夠避免或減少的。

參考文獻

[1]傅正財，葉蜚譽譯，低壓系統防雷保護（第二版）北京：中國電力出版社

[2]張小青，建筑物內電子設備的防雷保護北京：電子工業出版社2000年6月