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雷电对电子电气设备的危害及其防护的基本理论
http://www.weixiu8.com/ 2015-1-14 8:01:33
雷电对电子电气设备的危害及其防护的基本理论
    一、雷电防护概述
    干百年来,雷电所造成的破坏可谓不计其数。落雷后在雷击中心1.5km~2km半径的范围内都可能产生过电压损害线路上的设备。
    特别是数据设备和精密仪器应用日益广泛,通讯计算机网络等精密设备内部结构的高度集中化,使设备耐受过电压、过电流的能力下降,更易遭受雷电破坏,轻者可造成计算机终端和通信设备的接口损坏,使通信中断,大量信息丢失或无法传输;严重者可导致网络主机损坏,网络系统瘫痪。计算机网络系统易遭受雷击损坏的设备有:MODEM(调制解调器)、ROUTER(路由器、SWITCH(交换机)、HUB、网卡、通信卡、UPS、计算机电源及主扳,如图1所示。
    纵观人类防雷历史,从建筑物防雷发展到供电防雷、电气和电子设备防雷,现在巳进入第四个阶段即现代微电子设备防雷。防雷技术和产品,也随着现代高新技术发展得到显著发展,除传统的避雷针引雷拦截技术外,已拥有消散削减、屏蔽隔离、抑制分流、疏导均衡等电位、优化接地泄放和雷电控测定位预警等技术,并相应研制出多种高科技的隔离装置、信号浪涌保护器、电源浪涌保护器、高效接地防腐降阻剂等设备、器件和产品,出现了火箭与激光等人工影响雷电的装置和雷电探测预警系统设备,这都为有效防御治理雷电灾害奠定了技术和物质基础。
    二、雷击侵入设备的途径
    1.直接雷击
    是指雷电直击在建筑物、动植物上,因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。
    2.感应雷击
    雷云放电时,在附近金属导体上产生的静电感应和电磁感应等现象称之为感应雷击。雷电在雷云之间或雷云对地的放电过程中,会在附近的户外传输信号线、埋地电力线、没备间连接线产生电磁感应并侵入设备,使串联在线路间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直击雷猛烈,但其发生的几率比直击雷高得多,并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传输到很远,致使雷害范围扩大。
    装有避雷针的建筑物,可以避免雷击损坏建筑物,但是雷击通过避雷针的引下地线从建筑物顶端泄放入大地时,会产生很强的电场,建筑物内的金属物品均会产生感应电压,这些感应电压的高低随着金属形状、距引下地线的距离和雷击大小而变(根据IEC 61312标准,当雷击中建筑物时,即使装有避雷针,直击雷电流的50%是通过引下线和接地系统入地,仍然会有大约50%的雷击能量会分配到信号、电源系统,一旦你的电源输入线、电话线、网络信号线或其他电子设备的金属引出、引入线感应到瞬间高压,避雷针就无能为力了。因此,感应雷击破坏的主要对象是电子电气设备。
    3.电磁脉冲
    由于雷电电流有极大峰值和陡度,在它周围出现瞬变电磁场,处在这瞬变电磁场中的金属导体会感应出较大的电动势,而此瞬变电磁场会在空间一定的范围内产生电磁作用,也可以是脉冲电磁波辐射,而这种空间雷电电磁脉冲波(LEMP)是在三维空间范围里对一切电子设备发生作用。因瞬变时间极短或感应电压很高,以致产生电火花,其电磁脉冲往往超过2.4高斯(约20kA/m)。依据GB/T 2887-2000《电子计算机场地通用规范》,现代银行、邮电、证券机房或营业柜台普通应用微机进行货币存取、信息传递与交换,其对磁脉冲承受限度应小于800A/m,故在新机房建设或旧机房改造时,对防雷与磁屏蔽措施必须充分注意。
    4.地电位反击
    建筑物的外部防雷系统(如避雷针、避雷网等)遭受直接雷击时,在接地电阻的两端就会产生危险的过电压,由设备的接地线、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系统或其他自然接闪物(各种管道、电缆屏蔽管等)引入设备,造成设备的损坏。
    三、雷击防护的基本原理
    一个完整的防雷系统包括两个方面:直接雷击的防护和感应雷击的防护。缺少任何一方面都是不完整的、有缺陷的和有潜在危险的。一般我们将其分为外部避雷和内部避雷两部分。由避雷针(或避雷带、避雷网)、引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故;而内部防雷系统则是防止雷电和其他形式的过电压侵入电子设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的,为了实现内部避雷,需对建筑物进出各保护区的电缆、金属管道等安装过电压保护器进行保护并良好接地。
    根据电气、微电子设备的功能、受保护的程序和所属保护区域确定防护要点作分类保护;根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道,对电源线和数据、通信线路都应做多级层保护。
    1.外部无源保护
    在0级保护区即外部作无源保护,主要依靠避雷针(避雷网、避雷线、避雷带)和接地装置。保护原理:当雷云放电接近地面时,它使地面电场发生畸变,在避雷针(线)顶部,形成局部电场强度畸变,以影响雷电先导放电的发展方向,引导雷电向避雷针(线)放电,再通过接地引下线,接地装置将雷电流引入大地,从而使被保护物免受雷击。建筑物的所有外露金属构件(管道),都应与防雷网(带)良好连接(见图2)。转载请注明转自“维修吧-http://www.weixiu8.com
    2.内部防护
    (1)电源部分防护  雷电侵害主要是通过线路侵入。对高压部分电力局有专用高压避雷装置,电力传输线把对地的电压限制到小于6000V(IEC62.41),线对线之间则无法控制。所以,对380V低压线路应进行过电压保护。按国家规范应分三部分:建议在高压变压器后端到建筑总配电盘前端的电缆内芯线两端,应对地加装电源浪涌保护器,作一级保护;在建筑总配电盘至各楼层分配电箱之间的电缆内芯线两端应对地加装电源浪涌保护器,作二级保护;在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装电源浪涌保护器,作为三级保护。目的是用分流(限幅)技术即采用高吸收能量的分流设备(电涌保护器)将雷电过电压(脉冲)的能量分流泄入大地,达到保护目的。所以,分流、等电位技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系网络防护的关键,因此,选择合格优良的电源浪涌保护器至关重要。
    (2)信号部分保护  对于信息系统,应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据昕属保护区的级别确定,精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。其主要考虑的如:卫星接收系统、电话系统、网络专线系统、监控系统、工业控制系统等。建议在所有信息系统进入楼宇的电缆线输入端,应对地加装信号浪涌保护器,电缆中的空线对应接地,并做好屏蔽接地,其中应注意系统设备的在线电压、电流、传输速率、接口类型等,以确保系统正常的工作(如图3所示)。
    (3)接地处理  在计算机机房的建设中,一定要有一个良好的接地系统,因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地。如果机房接地系统做得不好,不但会引起设备故障,烧坏元器件,严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰的屏蔽问题,防静电的问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。一般整个建筑物的接地系统有:建筑物地网(与法拉第网相接)、电源地(要求地阻小于10Ω)、逻辑地(也称信号地)、防需地等,有的(如:IBM)公司要求另设专用独立地,要求地阻小于4Ω(根据实际情况可能也会要求小于1Ω)。
    然而,各地必须独立时,如果相互之间距离达不到规范要求的话,则容易出现地电位反击事故,因此,各接地系统之问的距离达不到规范的要求时,应尽可能连接在一起,如实际情况不允许直接连接的,可通过等电位连接器实现等电位连接。
    为确保系统正常工作,应每年定期用精密的地阻仪表,检测地阻值。接地装置由接地极与一些附件、辅助材料组成。接地装霞的选材和施工主要决定于土质结构,即土壤的地阻率ρ。不同层土质结构不同,因而地阻率ρ不同,为增加接地装置使用效率,可使用长效降阻剂。
    3.有外部防雷措施同时更需要完善内部防雷措施
    外部防雷措施中的避雷设施引下线在接闪以后,会有很大的瞬变电流通过,也就是说在周围会产生很大的瞬变电磁场(LEMP)。因此,安装了外部避雷措施不能代替内部防雷措施。
    再者,避雷针的工作原理是引雷,所以在概率上来说,安装了避雷针以后,建筑物的避雷系统遭受雷击的可能性会增大,过电压产生点的距离会缩短(引下线处),所以安装了外部避雷措施的含有电脑网络控制系统的建筑物更加需要安装内部防雷措施。


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