电子信息系统感应雷防护技术探析

2022-10-29

随着微电子和计算机技术的迅速发展, 先进的电子设备大量采用大规模及超大规模的电子集成电路, 集成的程度越高, 内部的线间距离越小, 元器件的耐压程度也就越低, 受到过电压后即损坏, 更经不起感应雷击及雷电电磁脉冲的强烈冲击破坏。并且当今电子设备、计算机系统的网络化程度越来越高, 其传输线路, 特别是暴露在室外的长距离输送线, 以及动力电源输送线路等, 都易遭受雷击, 并产生雷击过电压侵入设备, 将设备击毁。目前对各种电子化设备的感应雷防护技术研究形势严峻, 面对新的电子信息设备防雷形势, 感应雷的防护工程技术必须要从系统的角度进行综合防御。

1 感应雷的侵袭方式和入侵渠道

感应雷击及雷电电磁脉冲 (LEMP) 是由于雷雨云的静电感应或放电时的电磁感应以及雷电波辐射作用在建筑物上的金属部件上如管道、钢筋、电源线、信号传输线、天馈线等感应出雷电高电压, 通过电源线、信号线、天馈线、电缆等引入室内, 造成放电破坏电子设备。

1.1 感应雷的侵袭方式

在一般人的感觉中, 建筑物安装了避雷针后, 电子设备便不会遭受雷击, 但事实并非如此, 因为常规的避雷针, 有吸引雷电的作用, 由于其引雷效应所产生的雷击概率的增加, 将同样使感应雷的概率也增加。

感应雷的侵袭方式有以下几种。

(1) 建筑物附近或周围的雷暴活动, 在雷电流泄流路径周围存在强烈的电磁脉冲震荡, 使得影响半径下的精密电子仪器设备损坏。

(2) 当建筑物外部接避雷装置时, 强大的雷电流通过引下线向地渲泄的过程中会以引下线为中心在建筑物周围产生高频的电磁场, 这个高频的电磁场会通过耦合和传导的形式, 使其周围的各种导线产生感应电流 (压) 而侵袭设备。

(3) 直击雷电流下泄过程中直接击中通过雷暴活动区域的线路, 电流沿线窜入, 入侵终端电子设备, 造成设备损坏。

(4) 通过外部雷暴活动区域的线路和网络中较长的分别处于不同保护区域的线路, 虽然没有遭受直接雷击, 但是外部有雷暴活动时, 线路上产生感应过电压 (过电流) , 因此而侵袭设备。

1.2 感应雷的入侵通道

对于建筑物中电子设备群体来说, 引入感应雷的通道主要有7条:

(1) 建筑物中一切电子设备的天线、馈线、电源线、信号线、接地线都是建筑物的进雷通道。

(2) 出入建筑物中各种电源线路。

(3) 建筑物内部“长”距离信号线路。

(4) 具有公共接地的建筑物中的一切金属管道, 在直接雷电流经其上时, 其周围产生的磁场涡流在金属表面感应出来的雷电冲击波。

(5) 雷电放电时, 在金属表面感应出来的雷电冲击波。

(6) 直接雷击落雷点建筑物的高电位冲击。

(7) 直接雷击落雷点建筑物的雷电反冲电流。这种电流可通过相邻建筑物的接地线路进入其电子设备, 使电子设备的机壳和机芯之间产生放电现象而损坏。

2 避雷针接闪时产生的感应雷

避雷针接闪时, 强大的雷击电流流入大地的过程中, 由于雷电流陡度di/dt的作用, 在其周围导体内产生感应脉冲电压U和导体与雷电流的平行距离c的关系如下式。

式中:μ0为真空磁导率, 4π×10-7H/m;

c为雷电流引线与被感应导体间的平行距离 (m)

di/dt为雷电流陡度

雷电流波前时间dt一般取2.6μS, 所以, 如一个30kA的中等雷击避雷针过程所产生的感应脉冲电压为:

式中:c为雷电流引线与被感应导体间的平行距离 (m)

雷电流陡度di/dt=30/2.6=11.5 (kA/μS)

由式 (2) 计算, 平行导体上感应过电压U与c的关系见表1。

由表1可以看出, 避雷针周围500m范围内的电子信息设备都受其危害, 而且避雷针 (雷击点) 越近, U值越大, 对电子信息设备的破坏也越大。当a=100m时, 其值仍高达4.2kV/m以上, 这样必然会使建筑物的信息系统损坏。因此, 感应雷击及雷电电磁脉冲的防护是防雷系统的重点。

3 感应雷的防护

感应雷的防护是一个系统工程, 它包括等电位连接措施、屏蔽措施、规范的综合布线、感应雷击及雷电电磁脉冲的防护、完善合理的接地系5个重要部分。

3.1 接闪与分流

避雷针作为接闪器不论是对常规防雷还是对信息系统防雷都是需要的。电子信息系统防雷采用抑制性的直击雷保护, 即尽量减少或避免直接雷击, 接闪应多采用网 (带、笼) 等屏蔽型直击雷保护, 如果使用避雷针, 宜用短针、多针保护, 以减小保护半径, 降低雷击概率。

分流即适当多些引下线的根数, 且其位置应当均匀设置。这样每根引下线所承受的电流就越小, 使其反击的机会和感应范围的影响越小。

3.2 屏蔽

屏蔽的主要目的是对建筑物内的所有电子设备进行防护。由于雷电流是由建筑物外墙四周柱子内的钢筋引下接地装置的, 因而外墙处的电流密度大, 其周围的磁场强, 所以建筑物内的所有电子设备的交流电源线、通信线、数据传输线的主干线不应该在靠近外墙处敷设, 最好架设在大楼的中心部位, 以尽量缩小感应的范围面。此外, 所有的线路都要穿金属管保护或选用双层屏蔽电缆及同轴电缆, 并将金属管和屏蔽层两端可靠接地。有特殊要求的线路电源侧还应加隔离变压器、稳频、稳压装置或设备本身加滤波装置。

3.3 等电位连接与环形接地网

等电位连接是把建筑物内及附近的所有金属管道、机器基础金属物及其他大型的埋地金属物、电缆金属屏蔽层、电力系统的重复接地线、防雷建筑物的接地线统一用电气连接的方法连接起来, 使整座建筑物空间成为一个良好的等电位体。电源线、信号线不能直接接入共用接地系统的金属管道, 要通过瞬态浪涌过压保护器 (SPD) 进行等电位连接。

环形接地网是把接地体沿建筑物周围围成一个闭合环。这样的接地网可以使得界面以外的电场分布比较均匀, 从而减少了跨步电压对人的危害, 也减少了室内在雷击时由于地面电位梯度大容易产生对设备高电压反击的危险。

3.4 电涌保护器三级防护

电涌保护器 (SPD) 又称浪涌保护器, 它是用于限制瞬态过电压和泄放浪涌电流的装置, 它的工作决定于施加其两端的电压U和触发电压Ud值的大小, 对不同产品Ud为标准给定值:

当U

当U≥Ud时:SPD的阻值减小到只有几欧姆, 瞬间泄放过电流, 使电压突降。待U

电涌保护器必须能承受预期通过其上的雷电流, 并应能对线路上的过电压峰值进行限幅, 且应能熄灭雷电流通过后的工频续流。SPD广泛用于低压配电系统, 用以限制电网中的大气过电压, 使其不超过各种电气设备及配电装置所能承受的冲击耐受电压, 保护电子设备免受由于雷电造成的危害, 但不能保护暂时的工频过电压。

一般安装SPD采取三级保护, 第一级SPD应安装在建筑物电气装置的电源进线处, 这样可将沿供电线路袭来的雷电波过电压防护于建筑物之外;第二级SPD可安装于楼层电源配电箱内或设备机房电源配电箱处, 以防止暂态过电压沿配电干线侵入到各楼层或设备机房;对于耐冲击电压低于12kV的设备 (如计算机设备、通讯设备等) , 还需在其电源输入前设置SPD, 即在其专用配电箱内安装第三级SPD, 以防暂态过电压对于灵敏度高的微电子信息设备的损害。