雷击对电子设备的危害及防护
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摘要: 本文阐述了雷击的原理,SPD的类型和选择时应注意的问题。
关键词: 电子设备;雷击;防雷;SPD;接地
一、引言
随着电子信息设备和计算机系统普遍使用,电子设备的防雷问题越来越引起人们的重视。由于这类设备的工作电压和耐冲击电压水平低,极易受到雷电电磁脉冲的危害,国际电工委员会将雷电灾害称为“信息时代的公害”。为消除这一公害,科技人员通过不断研究和探索,发明和制造了各种防雷元器件,不断完善电子信息系统的防雷技术。
二、用电设备遭雷击损坏原理
当雷击现象发生时,建筑物的外部防雷装置能有效地抵御雷击对建筑物的破坏,同时均匀的避雷引下线与建筑物接地的均压环也起到法拉第网笼的作用,保证建筑物内的人员不致因跨步电压升高而导致触电事故。
但这时当雷电击中建筑物防雷装置或击中附近其他建筑物的避雷针(带)并由引下线导人大地时,瞬间内在引下线自上而下的产生一个很强的变化磁场。处在这个电磁场作用下的导体,便会感应产生电压,其数值也可达数十千伏,处在这个磁场作用范围的电气、信号、电源及它们的传输线路都因相对地切割了这个变化的磁场磁力线而产生出感应高压,从而将用电设备击坏。如图1所示,如果导体的形状是开口环形感应电压,便会把几厘米长的空气间隙a、b击穿发生火花放电。如果导体是一个闭合回路,感应电压会造成一个电流通过,假如回路上有接触不良的接点,这些地方就会局部发热。再有,由于雷电冲击波的能量集中在工频附近几十赫兹到几百赫兹的低端,雷电冲击波能量就容易与工频回路发生耦合、谐振,于是雷电冲击波从电源线路进入电子设备的机率要比从信号线中进入的机率要高很多,据统计,约有8%的雷击损坏电子设备的事故是由电源引入的,因此应特别加强系统中设备电源的防雷措施。
三、电子设备遭遇雷击的途径
雷击过电压损坏设备可分为两种情况,一种是受雷电直击,另一种受感应雷影响所致。据统计电子设备受雷电直击而损坏的机率很小,而绝大多数损坏为感应雷造成,雷电行波通过传输信息的电路线传至电子设备使其某些电子元件受损。
还有一种情况值得重视的是电子设备附近的大地或其他设备的接地体,因受直击雷引起的电位升高,会使电子设备造成反击,使之对地绝缘击穿。根据传统经验电子设备的地线与电源设备的地线分开设置是减少这种雷电侵入途径的有效措施之一。所以凡联结有输人或输出线路的电子设备应考虑以上三条侵入途径。不论那种途径侵入的雷击过电压加在电子设备上冲击引起两种过电压,一种是:使平衡电路某点出现超过允许的对地过电压,称为纵向过电压,地电位上升引起的反击也属于从地系统侵入的纵向过电压;另一种是平衡电路线间或不平衡电路线对地出现的过电压称为横向过电压。使用对称传输线的设备,横向过电压是因线路两线间存在不同的纵向过电压;或因纵向防护元件放电性能的分散性(如动作时间有快慢的差别)是造成横向过电压的原因,如果在平衡线路上的两个纵向防护元件,其中一路故障或失效这就造成了横向过电压的极限情况。对不平衡电路如对连接同轴电缆的电子设备其纵向过电压即横向过电压。雷电冲击过电压可导致绝缘击穿,也可产生过电流。进行纵向雷击试验的目的,在于检验设备在纵向过电压下元器件对地的绝缘。横向雷击试验则是检验两线间出现冲击过电压时设备耐受冲击的能力。
在电子设备中,易受雷击过电压损坏的元部件,大多数是靠近设备的入口端,如纵向过电压会击穿线路和设备间起匹配作用的变压器匝间、层间、或线对地绝缘等。横向过电压可随信息同时传至设备内部,损坏设备内的阻容元件及固体元件。设备中元器件受损的程度,取决于元器件绝缘水平,即耐受冲击的强度,对具有白复能力的绝缘,击穿只是暂时的,一旦过压消失,即可恢复。有些非自复性的绝缘介质,冲击时只有小电流流过,一次冲击不会立即中断设备,但经过多次冲击,随着多次冲击的累积可能会使元件逐渐受损最终导致毁坏,这就是为什么在试验时要试验冲击次数,极性和间隔的原因所在。
电子元件受雷击损坏的情况,概括起来不外下列三种:(1)受过电压损坏的,如电容器、变压器及电子元件的反向耐压。(2)受过电压冲击能量损坏的,如二极管PN结正向损坏,冲击危险程度在于流过元器件的过电流大小和持续
时间,即能量大小。(3)易受冲击功率损坏的,对元件的危害决定于冲击电压峰值和由此而产生的过电流。
四、防雷元件种类和性能
防雷元件的冲击特性与试验方法的关系甚为密切,它是规定防雷元件技术参数标准的基础之一。但试验方法又与雷电波形有联系。因为电子设备大都在一定的频率范围内工作,不同频率范围的通路,对冲击波有着不同的响应。因此,对雷电冲击波形进行频谱分析,无论对电子设备的防雷设计和试验都是有意义的。
防雷元件种类繁多,概括起来可分间隙式的,再推广一下像扼流线圈、电阻、电容……也可归人这一类,从动作时间来说有快慢的区别。
使用在电涌保护器(sPD)中几类元件的有关参数,虽然有厂家产品说明,但在选用时有的参数还须注意了解。例如放电管的伏秒特性:表征放电管点火电压与时间的关系。它反映了各种不同上升速度的电压波作用在放电管上其点火电压和延迟时间的关系。由伏秒特性曲线可以判断放电管的防护能力。放电管属间隙式,有空气间隙、气体放电管等。再如氧化锌压敏电阻,是一种对电压敏感的元件,是一种陶瓷非线性电阻器,有氧化锌、氧化硅。这种元件,其电压非线性系数高、容量大、残压低、漏电流小、无续流、伏安特性对称、电压范围宽、响应速度快、电压温度系数小等特点。并且有结构简单,成本低等优点,是目前广泛应用的过电压保护器件。适用于交流电压浪涌吸收和各种线圈,接点间过电压的吸收和灭弧,在电子器件过电压保护中广为应用。在选用时关注的是通流容量;按规定的电流波形,在一定的试验条件下施加的冲击电流值,压敏电阻所能承受冲击电流的能力。我国对压敏电阻的考核一般以8/20us波形,在室温条件下,间隔5分钟单方向冲击两次后,5分钟内测试压敏电阻的起始动作电压Vlma值的变化率在百分之十以内时,冲击电流的最大幅值定为通流容量。压敏电阻的残压(LJres):压敏电阻通过电流时,在其两端的电压降谓之残压。通常均以规定的波形,通过不同的电流幅值进行残压测试。目前采用8/20us电流波形,以100A、1000A、3000A、5000A及该元件的满通容量进行残压试验。另外还有半导体浪涌抑制器件:如瞬间二极管,它是一种过箝压器件,简单TKS,利用大面积硅园锥P-N结的雪崩效应实现过箝位,TRS响应速度快、漏电流小,是极佳的过电压吸收器件。齐纳二极管较为常用,其无极性,正反向具有相同的保护特性,但器件的工作电压至少要为联端的工作电压三倍。其适用于交直流回路,常应用于自动化控制装置的输出回路,即继电器线圈或电磁间线圈两端并联应用。
以上各类间隙式,非间隙式和抑制式器件都是通过浪涌电压产生非线性元件瞬时短路的方式实现防雷保护。
五、电子系统及电子设备的防雷
由于电子信息设备是集电脑技术与集成微电子技术的产品,它的信号电压只有5~10伏,这种产品的电磁兼容能力较差,很容易感受脉冲过电压的袭击,它受雷击的概率又比较高,受雷电损坏的可能性就大。但是,电子信息系统是由信号采集、传输、存储、检索等多环节组成。鉴于系统环节多、接口多、线路长等原因,给雷电的耦合提供了条件。系统的电源进线接口,信号输入输出接口,接口的线路较长等是感应脉冲过电压容易侵人的原因,也是过电压波侵入的主要通道。
六、结束语
本文介绍了雷击对电子设备的危害和防雷的方法。随着科学技术的发展,一定会有更先进的防雷元器件研发出来,为电子信息系统提供更好的防雷系统。
参考文献:
《通信线路和通信设备的防雷手册》