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当前位置:首页 » 专家谈 » 电子设备和电子网络系统运行防雷技术(首章)

电子设备和电子网络系统运行防雷技术(首章)

来源:中国绿色武松娱乐 作者:机房360 更新时间:2009-12-15 11:06:44
摘要:国内外都已把防雷认为是一个系统工程:分为外部防雷(避雷针、避雷网带、引下线、接地体、法拉第笼)、内部防雷(法拉第笼、均压等电流等)和过电保护。广泛使用了优化接闪器,雷电流直接入大地,系统的低电阻地网,杜绝地面回路,采用SPD浪涌冲击防护,以实现信号和数据线的瞬变保护。
    前 言

    电子设备、电子系统运行以及各用电设备之间就和人类生活中一样,必须有一个和谐正常的工作秩序,不至于受外界干扰。相互间由于性能的改变,造成运行的不正常,以致损坏系统的现象。

    这些不和谐的因素是由于这些电子设备和电子系统越来越趋于极效弱的信号下工作,信号工作频率越来越高,动作时间越来越短,电子设备的多功能化就、结构的复杂化、功率加大和频率的提高,灵敏度也越来越高。故对外界的电磁干扰和电子元器件的都会产生干扰(EMI)。

    这些不和谐因素的产生,使彻底消除这些电磁干扰EMI无法实现。但是电子技术应用的广泛性是科学发展的必然,对于这些干扰的复杂性,根据电磁兼容(EMC)的原理,可以采用许多技术措施来减小EMI。将电磁干扰EMI控制在一定范围的参数内,从而来保证电子系统或电子设备的兼容性。

    这些电磁干扰源主观来看,分为有意干扰和无意干扰;按性质可分为自然干扰和认为干扰,人为干扰中主要分为有意和无意干扰。 
   
    这个章节中我们主要谈的是自然干扰中的瞬态干扰。

    一、 雷击产生的浪涌危害

    雷击是人们广泛熟知的一种大自然的放电现象,但危害极大,具不完全统计:全球每年有数千人死伤于雷击事故。它的直击雷击电流最大值可达200kA,平均值都在30kA左右,能量之大,每次雷击所产生的能量大约为550000kW•h,温度之高可达3000K度(为太阳表面温度的5倍)。每年由于雷害事故全球的经济损失载入册的就有10亿美元,在欧美等国家每年有20~30%电子设备因感应雷而引起故障。

    感应雷又称之为二次雷:是指雷击之间或雷击对地之间的放电,而在附近的传导体上产生的感应电压。这种电压通过传导体传送至设备,间接的毁坏电子设备及电子系统,特别是对通讯设备和电子计算机、网络系统的危害最大。据资料记载,80%以上微电子设备都是遭感应雷损坏的。

    感应雷主要是指雷电波侵入,是雷电在放电时,在附近传导体上产生静电感应和电磁感应。在可能的情况下,传导体之间产生火花。雷电侵入指雷电放电时的强感电磁脉冲,雷电及击出雷电过电压波,可沿着传导体的线路和各种信号的进出线路进入室内,危及人体及设备,雷电的破坏表现形式是强大的电流、积热的高温、强烈的冲击波,剧变的电磁场及强大的电磁辐射。

    一般感应雷击造成的电子系统及电子设备破坏性大致分为:
    (一)、传输或存储的信号或数据,不管模拟电路或数字电路都会受到干扰和丢失,甚至造成设备误动作或短时系统停止。
    (二)、虽然受到较小幅值的雷击冲击,元器件不至于马上烧毁,但远远降低了其性能和寿命。
    (三)、若大幅值的雷电冲击,电子设备的线路板(接口板)及元件烧毁会立即瘫痪,曹成不可估量的损失。

    综上所述,国内外都已把防雷认为是一个系统工程:分为外部防雷(避雷针、避雷网带、引下线、接地体、法拉第笼)、内部防雷(法拉第笼、均压等电流等)、过电保护。广泛使用了优化接闪器、雷电流直接入大地、系统的低电阻地网、杜绝地面回路以及采用SPD浪涌冲击防护,以实现信号和数据线的瞬变保护。

    二、雷击的表现形式

    (一)是带电的云层与大地上某一点之间发生迅速猛烈的放电现象这叫直击雷。

    (二)带电云层由于静电感应作用,使地面某一范围带上异种电荷。当直击雷发生后,云层带电迅速消失,而由于地面某些范围散流电阻大,以致云出现局部的高电压,或者在落雷的放电过程中,强大的脉冲电流对周围的导电体产生电磁感应发生的高电压造成的闪击现象,我们称为“感应雷”,也叫“二次雷”。

    (三)球形雷
    一般在闪电后,以每秒2M的速度向前滚动,会在发生哨般的响声后出现嗡嗡声,遇到阻碍它会停止,有时也会越过阻碍,一般从烟囱,开着门或者窗户,甚至缝隙挤入。无障碍时,在室内来回滚动几次,能按原路返回。有时会综合消失掉,一旦碰到异电荷,如人畜时会发出爆炸声,同时发出刺激性的气味,一般为臭氧,致人畜死亡或者烧伤。我们要以科学的态度来认识“球形雷”。

    1. 瞬时过电压
    主要指雷击过电压——是一种天气物理现象,一次雷击是由一系列的云与云之间,云与地之间的放电形成。雷击过电压是指雷电直击击中电线或避雷针时,由于电阻耦合、电容耦合或电感耦合而引入电线,或直击击中某地造成不同地点之间的地电位不均衡等原因而在直流体和无源导体上产生的瞬态过电压,它的能量极大,一般放电电流在20-40kA,偶尔的雷暴则可达450kA。

    第二种是操作大容量的开关电源造成的瞬时过电压。在电网中大中型感应设备和容性设备因分断等原因而产生的过电压。虽然它的过电压比雷电低得多,但出现在生产过程中很频繁,同样对电子设备产生不同程度的损害。

    就电子计算机而言,系统所用的元器件耐瞬时过电压、过电流的能力很低,根据美国83年模拟实验统计,当雷闪电磁场升至0.07高斯时。计算机就会失效。当该磁场脉冲达到2.4高斯时,晶体管和集成电路便遭永久性破坏。

    用10×20μs冲击波对TTL和CMOS 集成片实验时,TTL是30V、CMOS为40V左右。现在已进入21世纪,电子发展技术已上了几个阶段,可想它能承受的电压要低得多。这也意味着只要计算机系统附近遭雷击,计算机损坏便毋庸置疑,这样的实例在国内外举不胜举。

    瞬时过电压对计算机系统造成危害的途径大致有三条: 

    (1)由传电的电网引入的。一般电力线上产生瞬时过电压的原因很多,如供电系统大容量的开关,分、合负荷的突变产生大的瞬时冲击,直击雷击中在电力线路(架空线路,地下电缆)或者在电力线附近落雷时产生的感应过电压,都能沿电力线路传入计算机内部,将计算机的多个接口烧坏。

    (2)由数据通讯线路引入的过电压。熟知的中央处理器机和终端站间的通讯一般都是通过数据通信线路来完成,所以无论是地下电缆或架高电缆都会因直接雷或感应雷引起瞬间过电压,在交流电力线与通讯线路平行或接近时,也可将电力线上的过电压耦合至机内,由于雷电电磁脉冲LEMP也可通过通信线路传至计算机系统中,从而引起设备损坏。

    (3)非常重要的一条:固地线安装不当或防护方法不对,会在雷电环境中引起计算机系统内部产生的电位差,形成反击而造成的危害。

    随着电子技术的飞跃发展,电子设备和计算机系统日益成为瞬时过电压破坏的主要对象。所以如国际电工委员会(IEC)、国际电信联盟(ITU)等都制定相应的标准。我们国家也制定了标准,行业也制定了行业标准,同时制定了保护级别。
 
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