- 雷電對電子設備的危害
- 雷電防護基本原理
- 將雷電的能量通過(guò)大地泄放
- 增加防直擊雷的防雷器
- 加入防感應雷的感生退耦器件
雷電防護基本原理
雷電及其它強干擾對通信系統的致?lián)p及由此引起的后果是嚴重的，雷電防護將成為必需。雷電由高能的低頻成份與極具滲透性的高頻成份組成。其主要通過(guò)兩種形式，一種是通過(guò)金屬管線(xiàn)或地線(xiàn)直接傳導雷電致?lián)p設備；一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以各種耦合方式感應到金屬管線(xiàn)或地線(xiàn)產(chǎn)生浪涌致?lián)p設備。絕大部分雷損由這種感應而引起。對于電子信息設備而言，危害主要來(lái)自于由雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，通過(guò)以下三個(gè)通道所產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌。金屬管線(xiàn)通道，如自來(lái)水管、電源線(xiàn)、天饋線(xiàn)、信號線(xiàn)、航空障礙燈引線(xiàn)等產(chǎn)生的浪涌；地線(xiàn)通道，地電們反擊；空間通道，電磁小組的輻射能量。
其中金屬管線(xiàn)通道的浪涌和地線(xiàn)通道的地電位反擊是電子信息系統致?lián)p的主要原因，它的最見(jiàn)的致?lián)p形式是在電力線(xiàn)上引起的雷損，所以需作為防擴的重點(diǎn)。由于雷電無(wú)孔不入地侵襲電子信息系統，雷電防護將是個(gè)系統工程。雷電防護的中心內容是泄放和均衡。
泄放是將雷電與雷電電磁脈沖的能量通過(guò)大地泄放，并且應符合層次性原則，即盡可能多、盡可能遠地將多余能量在引入通信系統之前泄放入地；層次性就是按照所設立的防雷保護區分層次對雷電能量進(jìn)行削弱。防雷保護區又稱(chēng)電磁兼容分區，是按人、物和信息系統對雷電及雷電電磁脈沖的感受強度不同把環(huán)境分成幾個(gè)區域：
LPZOA區，本區內的各物體都可能遭到直接雷擊，因此各特體都可能導走全部雷電流，本區內電磁場(chǎng)沒(méi)有衰減。LPZOB區，本區內的各物體不可能遭到直接雷擊，但本區電磁場(chǎng)沒(méi)有衰減。LPZ1區，本區內的各物體不可能遭到直接雷擊，流往各導體的電流比LPZOB區進(jìn)一步減少，電磁場(chǎng)衰減和效果取決于整體的屏蔽措施。
后續的防雷區（LPZ2區等）如果需要進(jìn)一步減小所導引的電流和電磁場(chǎng)，就應引入后續防雷區，應按照需要保護的系統所要求的環(huán)境區選擇且續防雷區的要求條件。保護區序號越高，預期的干擾能量和干擾電壓越低。在現代雷電防護技術(shù)中，防雷區的設置具有重要意義，它可以指導我們進(jìn)行屏蔽、接地、等電們連接等技術(shù)措施的實(shí)施。
均衡就是保持系統各部分不產(chǎn)生足以致?lián)p的電位差，即系統所在環(huán)境及系統本身所有金屬導電體的電位在瞬態(tài)現象時(shí)保持基本相等，這實(shí)質(zhì)是基于均壓等電位連接的。由可靠的接地系統、等電位連接用的金屬導線(xiàn)和等電位連接器（防雷器）組成一個(gè)電位補償系統，在瞬態(tài)現象存在的極短時(shí)間里，這個(gè)電位補償系統可以迅速地在被保護系統所處區域內所有導電部件之間建立起一個(gè)等電位，這些導電部件也包括有源導線(xiàn)。通過(guò)這個(gè)完備的電位補償系統，可以在極短時(shí)間內形成一個(gè)等電位區域，這個(gè)區域相對于遠處可能存在數十千伏的電位差。重要的是在需要保護的系統所處區域內部，所有導電部件之間不存在顯著(zhù)的電位差
雷電防護系統由三部分組成，各部分都有其重要作用，不存在替代性。外部防護，由接閃器、引下線(xiàn)、接地體組成，可將絕大部分雷電能量直接導入地下泄放。過(guò)渡防護，由合理的屏蔽、接地、布線(xiàn)組成，可減少或阻塞通過(guò)各入侵通道引入的感應。內部防護，由均壓等電位連接、過(guò)電壓保護組成，可均衡系統電位，限制過(guò)電壓幅值。
防雷器的作用及技術(shù)參數
防雷器又稱(chēng)等電位連接器、過(guò)電壓保護器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷保安器等，用于電源線(xiàn)防護的防雷器稱(chēng)為電源防雷器。鑒于目前的雷電致?lián)p特點(diǎn)，雷電防護尤其在防雷整改中，基于防雷器防護方案是最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟的雷電防護解決方案。防雷器的主要作用是瞬態(tài)現象時(shí)將其兩端的電位保持一致或限制在一個(gè)范圍內，轉移有源導體上多余能量。
進(jìn)入地下泄放，是實(shí)現均壓等電位連接的重要組成部分。防雷器的一些主要技術(shù)參數：額定工作電壓、額定工作電流，特批串并式電源防雷器的載流量。通流能力，防雷器轉移雷電流的能力，以千安為單位，與波開(kāi)開(kāi)式有關(guān)。防雷器在功能上可分為可防直擊雷的防雷器和防感應雷的防雷器?？煞乐睋衾椎姆览灼魍ǔＳ糜诳赡鼙恢睋衾讚糁械木€(xiàn)路保護，如LPZOA區與LPZ1區交界處的保護。用10/35μs電流波形測試與表示其通流能力。防感應雷的防雷器通常用于不可能被直擊雷擊中的線(xiàn)路保護，如LPZOB區與LPX1區、LPZ1區交界處的保護。用8/20μs電流波形測試與表示其通流能力響應時(shí)間，防雷器對瞬態(tài)現象起控制作用所需的時(shí)間，與波形性質(zhì)有關(guān)。殘壓，防雷器對瞬態(tài)現象的電壓限制能力，與雷電流幅值及波形性質(zhì)有關(guān)。
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防雷器的選用
基于防雷器的防護想要取得理想的效果，應注重“在合適的地方合理地裝設合適的防雷器”。
進(jìn)入建筑物的各種設施之間的雷電流分配情況如下：約有50%的雷電流經(jīng)外部防雷裝置泄放入地，另有50%的雷電流將在整個(gè)系統的金屬物質(zhì)內進(jìn)行分配。這個(gè)評估模式用于估算在LPAOA區、LPZOB區和LPZ1區交界處作等電位連接的防雷器的通流能力和金屬導線(xiàn)的規格。該處的雷電流為10/35μs電流波形。在各金屬物質(zhì)中雷電流的分配情況下：各部分雷電流幅值取決于各分配通道有的阻抗與感抗，分配通道是指可能被分配到雷電流的金屬物質(zhì)，如電力線(xiàn)、信號線(xiàn)、自來(lái)水管、金屬構架等金屬管級及其它接地，一般僅以各自的接地電阻值就可以大致估算。在不能確定的情況下，可以認為接是電阻相等，即各金屬管線(xiàn)平均分配電流。
在電力線(xiàn)架空引入，并且電力線(xiàn)可能被直擊雷擊中時(shí)，進(jìn)入建筑物內保護區的雷電流取決于外引線(xiàn)路、防雷器放電支路和用戶(hù)側線(xiàn)路的阻抗和感抗。如內外兩端阻抗一致，則電力線(xiàn)被分配到一半的直擊雷電流。在這種情況下必須采用具有防直擊雷功能的防雷器。
后續的評估模式用于評估LPZ1區以后防護區交界處的雷電流分配情況。由于用戶(hù)側絕緣阻抗遠遠大于防雷器放電支路與外引線(xiàn)路的阻抗，進(jìn)入后續防雷區的雷電流將減少，在數值上不需特別估算。一般要求用于后續防雷區的電源防雷器的通流能力在20kA（8/20μs）以下，不需采用大通流能力的防雷器。
后續防雷區防雷器的選擇應考慮各級之間的能量分配和電壓配合，在許多因素難以確定時(shí)，采用串并式電源防雷器是個(gè)好的選擇。串并式是根據現代雷電防護中許多應用場(chǎng)合、保護范圍層次區分等特點(diǎn)提出的概念（相對于傳統的并式防雷器而言）。其實(shí)質(zhì)是經(jīng)能量配合和電壓分配的多級放電器與濾波器技術(shù)的有效結合。串并式防雷有如下特點(diǎn)：應用廣泛。不但可以按常規進(jìn)行應用，也適合保護區難以區別的場(chǎng)所。感生退耦器件在瞬態(tài)過(guò)電壓下的分壓、延遲作用，以幫助實(shí)現能量配合。減緩瞬態(tài)干擾的上升速率，以實(shí)現低殘壓與長(cháng)壽命以及極快的響應時(shí)間。
防雷器的其它參數選擇取決于各個(gè)被保護物所在防雷區的級別，其工作電壓以安裝在引電路中所有部件的額定電壓為準。串并式防雷器還需注意其額定電流。
影響電子線(xiàn)雷電流分配的其它因素：變壓器端接地電阻降低將使電子線(xiàn)中分配電流增大。供電線(xiàn)纜的長(cháng)度的增加將使電力線(xiàn)中分配電流減少，并使幾要導線(xiàn)中有平衡的電流分配。過(guò)短的電纜長(cháng)度和過(guò)低的中性線(xiàn)阻抗將使電流不平衡，從而引起差模干擾。供電線(xiàn)纜并接多用戶(hù)將降低有效阻抗，導致分配電流增大，在連成網(wǎng)狀的供電狀態(tài)下，雷臨時(shí)性流主要流入電力線(xiàn)，這是多數雷損發(fā)生在電力線(xiàn)處的原因。
防雷器的安裝
電源線(xiàn)應實(shí)現多級防護，多級防護是以各防雷區為層次，對雷電能量的逐級減弱（能量分配），使各級限制電壓相互配合，最終使過(guò)電壓值限制在設備絕緣強度之內（電壓配合）。在下列情況下，多級防護成為必須：某一級防雷器失效或防雷器某一路失效。防雷器的殘壓不配合設備絕緣強度，線(xiàn)纜在建筑物內長(cháng)度較長(cháng)時(shí)。
幾乎所有情況下的線(xiàn)纜防護，至少應分成兩級以上，同一級防雷器還可能包含多級保護（如串并式防雷器）。為了達到有效的保護，可在各防雷區界面處設置相應的防雷器，防雷器可針對單個(gè)電子設備，或一個(gè)裝有多個(gè)電子設備的空間，所有穿過(guò)通常具有空間屏蔽的防雷區的導線(xiàn)，在穿過(guò)防雷區界面同時(shí)接有防雷器。另外，防雷器的保護范圍是有限的，一般防雷器與設備線(xiàn)路距離超過(guò)10m以后將使防護效果劣化，這是因為防雷器和需要保護的設備之間的電纜上有反射造成的振蕩電壓，其幅值與線(xiàn)路長(cháng)度、負載阻抗成正比。
在使用電源防雷器的多級防護中，如果不注意能量分配，則可能引入更多的雷電能量進(jìn)入保護區域。這要求防雷器應根據前述評估模式選擇。一般防雷器都有通過(guò)雷電流越大，殘壓越高的特點(diǎn)，通過(guò)能量分配后未級防雷器流過(guò)的雷電流極小，有利于電壓限制。注意，不考慮電壓配合而僅僅選擇低響應電壓的防雷器作末級保護是危險的。
實(shí)現能量分配與電壓配合的要點(diǎn)在于利用兩級防雷器之間線(xiàn)纜本身的感抗。線(xiàn)纜本身的感抗有一定的阻礙埋電流及分壓作用，使雷電流更多地被分配到前級泄放。一般要求兩級防雷器之間線(xiàn)纜長(cháng)度在15m左右，適??纜之內的情況。線(xiàn)纜上分支線(xiàn)路的長(cháng)度對線(xiàn)纜要求長(cháng)度有影響，當保護地線(xiàn)與被保護線(xiàn)纜有一定距離（>1m），這時(shí)要求線(xiàn)纜長(cháng)度大于5m即可。在一些不適合采用線(xiàn)纜本身作退耦的地方，可利用專(zhuān)門(mén)的退耦器件，這時(shí)無(wú)距離要求。
退耦器件是實(shí)現能量分配與電壓配合的重要措施，以下幾種材料可作為退耦器件：線(xiàn)纜、電感和電阻。
串并式電源防雷器為退耦器件的防雷器組合形式，適合于各種場(chǎng)合的應用。
在某些極端情況下，裝上防雷器反而會(huì )增加設備損壞的可能，必須杜絕；這類(lèi)情況發(fā)生。防雷器保護幾條線(xiàn)，其中一條線(xiàn)上的防雷器失效或響應速度過(guò)慢。這可能使共模干擾轉化為差模干擾而損壞設備。這要求必須實(shí)施多級防護及注意防雷器的維護。不考慮防雷保護區、能量配合及電壓分配而隨便安裝防雷器，比如僅僅在設備前端裝設一只防雷器，由于沒(méi)有前級保護，強大的雷電流將被吸引到設備前端，致使防雷器殘壓超過(guò)設備絕緣強度。這要求防雷器必須按層次性原則安裝。
在另外的一些情況下，錯誤的安裝將使設備得不到有效保護。過(guò)長(cháng)的防雷器連接線(xiàn)、防雷器工作時(shí)，連接線(xiàn)上由感抗引起的電壓將極高，加在設備上的仍會(huì )危險電壓，這個(gè)問(wèn)題在末級防雷器的應用中更加明顯。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是采用短的連接線(xiàn)，也要以采用兩要以上分開(kāi)的連接線(xiàn)以分擔磁場(chǎng)強度，減少壓降，單線(xiàn)加粗連接線(xiàn)是沒(méi)有什么效果的。必要時(shí)可通過(guò)改變被保護線(xiàn)的布線(xiàn)，使其靠近等電位連接排（接地點(diǎn)）以減少連接線(xiàn)長(cháng)度。
防雷器輸出線(xiàn)和輸入線(xiàn)、接地線(xiàn)靠近、并排敷設。這種情況對串并式防雷器的影響比較嚴重。當串并式電源防雷器的輸出線(xiàn)（已保護的線(xiàn)）和輸入線(xiàn)（未保護線(xiàn)）、地線(xiàn)靠近敷設，會(huì )使輸出線(xiàn)內感應出瞬態(tài)浪涌，雖然其強度較原來(lái)小，但仍可能是危險的。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是將輸入線(xiàn)、地線(xiàn)與輸出線(xiàn)分開(kāi)敷設或垂直敷設，盡量減少并行敷設的長(cháng)度，拉開(kāi)敷設的距離。
防雷器接地線(xiàn)沒(méi)有與被保護設備的保護地相連，即采取單獨的防雷接地。這將使被保護線(xiàn)與設備保護地之間在瞬態(tài)時(shí)存在危險電壓，解決這個(gè)問(wèn)題的方法是防雷器的接地應與設備保護地相連。
