电子信息系统的整体防雷技术(一).doc

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1、电子信息系统的整体防雷技术（一） 山东莱芜钢铁集团公司动力部 周志敏 摘要：文中介绍雷电对电子信息系统产生的危害，结合电子信息系统设备的特性，阐述了常规防雷技术的不完善性，论述了雷电对电子信息系统的主要干扰途径。关键词：雷电危害 防雷技术 干扰途径Integer Prevent-thunder Technique of Electron Information System（1）ZHOU ZhiminDynamical branch company of Lai Wu Iron and Steel Co LTD in Shandong Province Lai Wu 271104Abstrac

2、t:In this paper introduce the thunder bring harm in electron information system，combine electron information system equipment characteristic，elaborate convention prevent-thunder technique lack，discuss thunder disturb ave in electron information system.Key Words: thunder harm prevent-thunder techniqu

3、e disturb ave1.概述 随着现代电子技术的不断发展，大量精密电子设备的使用及联网，使安装在信息系统中的设备，经受着电源质量不良（如电源谐波放大、开关电磁脉冲）、直击雷、感应雷、工业操作瞬间过电压、零电位飘移等浪涌和过电压的侵袭，经常会受到各种过电压、过电流的危害。由于一些电子设备工作电压仅几伏，传递信息电流也很小，对外界的干扰极其敏感，而雷电的电压可高达数100万伏，瞬间电流可高达数10万安培，因此，具有极大的破坏性。避雷针能防止直接雷击，但不能阻止感应雷击过电压、操作过电压、零电位飘移过电压以及因这些过电压在泄放电流时在其周围所产生的很强的感应电压，而这些过电压却是破坏大量电子信

4、息设备的主要危险源。雷电造成的危害是无孔不入的。尤其对电子信息系统的危害更大。据研究当磁场强度Bm0.07104 T时，无屏蔽的计算机会发生暂时性失效或误动作；当Bm2.4104 T时，计算机元件会发生永久性损坏。而雷电电流周围出现的瞬变电磁场强度往往超过2.4104 T。因此，有效地防止雷电对电子信息系统设备所产生的危害，是保证弱电子信息设备安全、稳定运行的重要前提。2. 雷电对电子信息设备的危害雷电会导致对电子信息系统多种不同形式的危害，没有任何一种办法可以全面防止雷电的危害，通过各种有效的办法可将雷害的程度降到最低，在多年的实践中人们对直击雷、感应雷、球形雷的认识比较高，防护也相对完善，

5、但对雷电浪涌的防护意识和防护措施相对比较薄弱，其主要的雷电形式及雷害情况有以下几种情况：2.1雷的直击和绕击直击雷是指雷电直接击在建筑物构架、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。雷云单体浮在大地上空，其所带电荷拖着地表相反电荷犹如一个影子随风移动。如果途经变电所的避雷针或地表其它突出物，地电荷会导致突出物顶端电场畸变集中。闪电开始之前先是雷云底部的始发先导按间歇分级跃进方式向地表发展，当距地面50100m时，由避雷针等地表突出物电场畸变集中的地方产生垂直向上的迎面先导。两者相接，进入直击或绕击的主放电阶段。通常当地面上突出物的高度为h，雷云正下方的平均电场强度

6、大于和等于580h-0.7kV/m时，则该突出物将容易受到直击雷。原因是高为h的避雷针可影响雷云单体向下的始发先导发展方向的半径，地表安装独立避雷针后，将会在其附近出现大量的散击，甚至对避雷针进行直击，对受避雷针保护范围内的物体进行绕击。一次雷击主放电一般为几万安培到十几万安培。瞬间高热和电动力，会造成混凝土杆炸裂，小截面金属熔化，引起火灾和大爆炸，金属导体连接部分断裂破损，建筑物倒坍，电气设备损坏。2.2 雷电反击直击雷电流通过地表突出物的电阻入地散流。假如地电阻为10，一个30kA的雷电流将会使地网电位上升至300kV。如果受雷击建筑物的供电线路来自另一个不同地网的变电所，那么上升的地电位

7、与输电线上的电位将形成巨大反差，导致与输电线路相连的电气设备的损坏。不仅仅是输电线路、动力电缆，凡是引进变电所的金属管线都会引起雷电反击。另一种雷电反击，对变电所的电子设备危害也不容忽视。雷电流沿变电所的接地网散流，支线上的雷电流和各点电位差异很大。连接在不同等电位地网上的电子设备。如果其间有电信号联系，那么超过其容许承受能力的地电位差将导致设备损坏。2.3 感应雷感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。直击雷放电的能量通过

8、电磁感应和静电感应方式向四周辐射，导致设备过电压放电，则为感应雷。显然，感应雷危害是大面积的，是电子设备的克星。有资料计算表明，当雷击电流为30kA斜角波，雷云高度为3公里，导线高度为10m，击中距末端匹配的500m长架空线路中点100m处地面时，线路上感应电压为150kV幅值的振荡波。此波为电磁感应和静电感应共同作用的结果。事实上，在生产实践中，雷击的静电感应破坏力数倍于电磁感应。静电感应还可用雷击的二次效应理论来解释。带电雷云飘浮在地表上空，地表带上与雷云相反的等量电荷。当雷击过后，雷击点地表变为电荷的相对空穴，周围高电荷区域内与地电位相对绝缘的导体上的电荷，将像受突然击发的水波一样冲向雷

9、击点，导致设备打火，绝缘受损和电子设备失效。特别注意的是电子设备的高阻抗输入回路，信号回路等引线较长，且直接连接的金属体积较大处，虽然已作电磁屏蔽（采用屏蔽电缆且屏蔽层两端接地）仍会遭受厄运。 2.4 雷电侵入波远方落雷，通过直击或电磁感应和静电感应方式从高压输电线路、配电线路、低压电源线路、通信线、电缆线、金属管道等途径侵入变电所，由于管线相对较长，且存在着分布电感和电容，使雷电传播速度减慢，这样一种现象用波传输理论来说明的概念称作雷电波。雷电波在传输过程中通过不同参数的连接线段或线路端点时，波阻抗发生变化会产生反射、折射，可导致波阻抗突变处的电压升高许多，加大了对设备的危害。2.5雷电浪涌

10、雷电浪涌是近年来由于微电子的不断使用引起人们极大重视的一种雷电危害形式，同时其防护方式也不断完善。最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌引起的。一方面由于电子设备内部结构高度集成化（VLSI芯片），从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降，对雷电（包括感应雷及操作过电压浪涌）的承受能力下降，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜入电脑设备。美国GE公司测定一般家庭、饭店、公寓等低压配电线（110V）在10000h（约一年零两个月）内在线间发生的超出原工作电压一倍以上的浪涌电压次数达到

11、800余次，其中超过1000V的就有300余次。这样的浪涌电压完全有可能一次性将电子设备损坏。信号系统浪涌电压的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。金属物体（如电话线）受到这些干扰信号的影响，会使传输中的数据产生误码，影响传输的准确性和传输速率。排除这些干扰将会改善网络的传输状况。3.常规防雷技术3.1 避雷针为免遭直击雷破坏，建筑物一般设有独立避雷针、构架避雷针、避雷线保护。其结构均分为接闪器、引下线和接地体，防雷原理相同。为了防止反击，要求避雷针与被保护设备之间空中距离不小于5m，地中距离不小于3m。构架避雷针一般用于110kV及以上，且装设集中接地装置后与主地网连接。独立

12、避雷针的保护范围对地面为1.5h（针高），对超过针高一半的空间其保护范围只能在45角内校核。目前国际上流行的一种滚球法理论校核独立避雷针的保护范围比较符合实际。滚球法理论认为直击和绕击与雷云带电量有关，能量越小的雷越易产生绕击。可形象地解释为一个半径与雷云带电量成比例的以雷云先导为圆心的球，滚落在地面上，到碰到避雷针尖为止。球与地面接触点到针尖这段弧，如果碰不到被保护物体，则被保护物处在保护范围内。如中等强度的雷云（U0=50MV），按雷电先导的闪击距离公式rs=1.63U01.75，可得球的半径为133m。在此情况下得出的保护半径比有关设计规程的大一些。微波塔也是一种独立避雷针。对于所内设有

13、微波塔的，规程规定微波塔必须与通信室地网连接。通讯室和主控室地网一体，雷电流通过主控室地网泄放。按前面分析，如果高压配电室、主控室、通讯室内保护、监控、计量表、RTU等接于相距较远的地网，且之间又有电的联系时，所内电子设备遭受的反击机率更大。避雷针大大增加雷击概率，使得依附区域内的电子设备感受雷害的机率大大增加，损坏方式也多种多样。3.2 避雷器为了防护感应雷和输电线路的雷电侵入波的危害，电源系统采用了避雷器。以前装设的避雷器大多为装在线路端的管型避雷器和装在母线、设备处的阀型避雷器，目前均由性能更好的金属氧化物避雷器所取代。由于雷电侵入波主要对电源系统危害较大，对10kV线路，则每条进线均采

14、用一组阀型或氧化锌避雷器进行防护。对310kV配电变压器，一般只规定了高压侧采用阀型避雷器的保护，对多雷区外送的Y/Y0连接的变压器的只规定了装设以防变波及低压侧雷电入侵波击穿变压器高压侧绝缘的避雷器。上述常规防雷措施未考虑低压部分过电压，未考虑雷电入侵波或危险电位通过金属管线引入构成对电子设备的威胁。随着电子设备的广泛使用，雷电电磁脉冲的危害也相对严重起来。只设计外部防雷装置而不配之内部防雷手段，接闪器再好，也无法获得好的防雷效果。采取各种措施堵住雷电能量侵入电子设备的各种途径，使得电压为几十万伏，电流为几万安培的雷云放电能量在进入电子设备内部时，衰减为各种弱电设备能承受的几十伏、几百毫安水

15、平，这是电子设备防雷工作者的主要任务。4.电子信息系统中的主要干扰途径 产生干扰必须具备三个条件：干扰源、干扰通道、易受干扰设备。 干扰源分为内部和外部。内部主要是装置原理和产品质量等。外部主要由使用条件和环境因素决定，如工作电源直流回路受开关操作和天气影响等而引起的浪涌电压，强电场或强磁场以及电磁波辐射等。干扰通道有传导耦合、公共阻抗耦合和电磁耦合三种。外部主要通过分布电容的电磁耦合传到内部；内部则三种均有。由于设备采用的敏感元件的选用和结构布局等不尽合理，造成本身抗干扰能力差，对干扰加以抑制，降低其幅度，减少其影响力，这是从外部环境上加以改善。4.1干扰途径感应雷可由静电感应产生，也可由电

16、磁感应产生，形成感应雷电压的机率很高，对建筑物内的弱电设备威胁巨大，计算机网络系统及电话程控交换机的防雷工作重点是防止感应雷入侵。入侵计算机网络系统的雷电过电压过电流主要有以下三个途径： 4.1.1由交流电220V电源供电线路入侵；计算机系统的电源由电力线路输入室内，电力线路可能遭受直击雷和感应雷。直击雷击中高压电力线路，经过变压器耦合到220伏低压，入侵计算机供电设备；另外低压线路也可能被直击雷击中或感应雷过电压。在220伏电源线上出现的雷电过电压平均可达10000伏，对计算机网络系统可造成毁灭性打击。电源干扰复杂性中众多原因之一就是包含着众多的可变因素，电源干扰可以以“共模”或“差模”方式

17、存在。“共模”干扰是指电源线与大地，或中性线与大地之间的电位差。“差模”干扰存在于电源相线与中性线之间。对三相电源来讲，还存在于相线与相线之间。电源干扰复杂性中的第二个原因是干扰情况可以从持续周期很短暂的尖峰干扰到全失电之间的变化。电源干扰的类型见表1：电源干扰进入设备的途径；一是电磁耦合；二是电容耦合；三是直接进入三种。表1电源干扰类型序号 干扰的类型 典型的起因 1 跌落 雷击，重载接通，电网电压低下 2 失电 恶劣的气候，变压器故障，其他原因的缘故 3 频率偏移 发电机不稳定，区域性电网故障 4 电气燥声 雷达，无线电信号。电力公司和工业设备的飞狐，转换器和逆变器 5 浪涌 忽然减轻负载

18、，变压器的抽头不恰当 6 谐波失真 整流，开关负载。开关型电源，调速驱动 7 瞬变 雷击，电源线负载设备的切换，功率因数补偿电容的切换，空载电动机的断开 4.1.2由信息系统传输线路入侵；可分为三种情况：(1)当地面突出物遭直击雷打击时，强雷电压将邻近土壤击穿，雷电流直接入侵到电缆外皮，进而击穿外皮，使高压入侵线路。(2)雷云对地面放电时，在线路上感应出上千伏的过电压，击坏与线路相连的电器设备，通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播，涉及面广，危害范围大。 (3)若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时，当某一导线被雷电击中时，会在相邻的导线感应出过电压，击坏低压电

19、子设备。 4.1.3地电位反击电压通过接地体入侵；雷击时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地，在接地体附近放射型的电位分布，若有连接电子设备的其他接地体靠近时，即产生高压地电位反击，入侵电压可高达数万伏。建筑物防直击雷的避雷引入了强大的雷电流通过引下线入地，在附近空间产生强大的电磁场变化，会在相邻的导线(包括电源线和信号线)上感应出雷电过电压，因此建筑物避雷系统不但不能保护计算机，反而可能引入了雷电。计算机网络系统等设备的集成电线芯片耐压能力很弱，通常在 100伏以下，因此必须建立多层次的计算机防雷系统，层层防护，确保计算机特别是计算机网络系统的安全。4.2耦合机制雷电冲击影响微电子设备构成

20、系统的耦合机制有下面几种。4.2.1电阻耦合；雷电放电将使受影响的物体相对于远端地的电位上升高达几百千伏，地电位升高形成的电流将分布到设备的金属部分。如连接到系统参考点数据线和电源电线。电缆屏蔽层的电流在屏蔽层与芯线之间引起过电压，其数值与传输阻抗成正比例。4.2.2磁耦合；在导体上流通的或处在雷电通道的雷电流会产生磁场，在几百米范围内，可以认为磁场的时间变化率与雷电电流时间变化率相同。然而，磁场经常被建筑材料和周围的物体所衰减和改变。磁场的变化会在室内外电缆设备上产生感应电流和电压。4.2.3电耦合；雷电通道下端的电荷会在附近产生一个很强的电场，它对鞭状天线设备有影响，而对于建筑物内部电场干扰一般可以忽略。4.2.4电磁耦合；远距离雷电放电产生的电磁场会在大范围的数据传输网上感应出过电压，这种干扰会传导到接口上，但这种情况下，直接辐射的电磁场很难对建筑物或机柜内的微电子设备造成破坏。