电子设备防雷击论文

摘要：本文阐述了雷击模拟电子设备的机理，SPD和类型和选择时应注意的问题。

关键词：雷击 雷电波形 SPD

近年来，电子信息设备和计算机系统已深入各行各业，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，从而使雷电灾害由电力和建筑物这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特别是通讯、信息技术数据中心，计算机中心以及微电子生产行业等由于雷电造成的危害尤为重要。另一方面，因为雷击是机率事件，这种影响尚未引起人们的注意，很多人认为只要按照国家的建筑物防雷设计规范做好避雷针(带)、引下线和接地装置等建筑物内外的防雷工作就“万事大吉”了。但实际上，当雷击现象发生时，建筑物的外部防雷装置确实有效地抵御了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。

l雷击电子设备的途径及损坏机理

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。

2雷电波形

有关雷电冲击波的描述是用波形参数说明，它有峰值波前时间和下降半峰值时间。如图2所示。观测的数据和波形均具有统计特.硅，服从某种分布规律，从而统计出雷电流幅值，波头、波尾、陡度、能量等概率分布。多年来，国内外在对线路结构上或进人电子设备的雷电冲击波形进行了很多观测工作，获得了大量的观测资料。

一些国家通过现场观测发表了很多测试结果。因观测的地理环境和条件的不同。即使在同样条件下，观测得到的数据也不尽相同。早先，有些国家观测得到的几百个波形中，对主放电波形的叙述，当不区另别第一次放电或随后各次闪电时，一般认为雷电流在1—4微秒上升到幅值，然后在40一50微秒内下降到幅值的一半。这就是所谓传统的雷电流波形。正极性闪电的电流波形一般较负极性闪电的波形平坦一些，持续时间较长，上升到幅值的时间约数十微秒，下降到半值时间约为数百微秒。

图2雷击参数定义

在对雷电的研究中，需要在千千万万的实波形中找出典型波形并转化为用数学式表示曲线。比较流行的代表曲线有两种：

1.波头部分用两个指数曲线之差表示，其公式为：

用这公式表示的波形如图3a，当i=0时，电流上升速度di/dt最大;而当电流逐渐增大时，di/dt逐渐减小;到了i=Im时，di/dt变为零。

2.波头部分用余弦曲线表示其公式为：

用这公式表示的波形如图3b，当i=0时，di/dt=0;随着电流上升，di/dt也上升;当I=Im/2时，di/dt到达最大值;然后di/dt减小;当i=Im时，di/dt降为零。

一般习惯于用两个指数曲线之差的形式来表示雷电流波形，并且认为这种表示方式和大多数实际测得的波形比较相似。但是经过近年的观测得到大多数的第一次主放电电流波形在其上升到幅值之前时比较缓慢，然后再转入陡的部分，其波头接近于用余弦来表示的波形。用余弦曲线表示时，因为雷电流最大陡度出现在Im/2处，以此进行雷击的电位计算时可以得到较高的结果而偏于可靠。但是，余弦曲线计算较为繁琐，因而往往简化为直线，也就是用斜角波来表示，通过最大陡度和平均陡度的转化，可以使采用斜角波的计算结果和采用余弦波的计算结果基本一致。