通信機(jī)房雷擊浪涌的危害分析及防護(hù)方法

1雷電的產(chǎn)生和危害

1.1雷電的產(chǎn)生

雷電是因強(qiáng)對流氣候而形成的雷雨云層之間或者云層與大地間強(qiáng)烈瞬間的放電現(xiàn)象。當(dāng)雷電發(fā)生時，輻射等綜合物理效應(yīng)，是一種嚴(yán)重的氣象自然災(zāi)害。

1.2雷電產(chǎn)生的機(jī)理

盡管雷電現(xiàn)象自古以來就有，但由于大自然本身的復(fù)雜性和客觀條件的制約，全世界至今仍然還在繼續(xù)研究雷電產(chǎn)生的機(jī)理。目前大家比較認(rèn)同的解釋理論有下面兩種：

（1）雨滴分裂作用理論

當(dāng)潮濕水氣上升到高空，遇冷產(chǎn)生凝結(jié)形成小水滴。由于上升氣流的不穩(wěn)定，水滴在運(yùn)動過程中相互摩擦、碰撞、分裂形成大小不等的水珠，大水珠帶正電荷，小水珠帶負(fù)電荷，小水珠容易被上升氣流帶到上層云層，大水珠則留在下層或降落到地面，這樣便形成了電荷的分離過程。當(dāng)帶電荷云層逐步積累到足夠的電荷量時，便相互放電產(chǎn)生閃電現(xiàn)象，形成雷電。

（2）電場極化理論

距離地面80公里以上的電離層具有一定的導(dǎo)電能力，而且是帶正電荷的，而大地是帶負(fù)電荷、形成比較穩(wěn)定的大氣電場。使處于其中的任何導(dǎo)體（包括云層）上端帶負(fù)電荷，下端帶正電荷，即發(fā)生極化。另外，前面介紹的空氣中水滴分裂后形成上負(fù)下正的帶電云層，進(jìn)一步被大氣電場極化，這些云層電荷量逐漸積累增多，達(dá)到了足夠的能量（電位差達(dá)到500?600KV/M）時，便產(chǎn)生閃電現(xiàn)象，形成雷電（請關(guān)注：通信電源技術(shù)/通信電源人）。

1.3雷電類型和危害

自然界的雷擊可分為直擊雷以及雷電感應(yīng)高電壓和雷電電磁脈沖輻射（LEMP）兩類。

（1） 直擊雷

直擊雷是雷雨云對大地和建筑物的放電現(xiàn)象。它以強(qiáng)大的沖擊電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、強(qiáng)烈的電磁輻射損壞放電通道上的建筑物、輸電線、室外電子設(shè)備，甚至擊死擊傷人畜，造成一定的財產(chǎn)損失和生命損失。

（2） 雷電感應(yīng)高電壓以及雷電電磁脈沖（LEMP）

雷電感應(yīng)高電壓以及雷電電磁脈沖是由于雷雨云層相互之間或者雷雨云與大地之間放電時，在放電通道周圍產(chǎn)生的電磁感應(yīng)、雷電電磁脈沖輻射以及雷云電場的靜電感應(yīng)，使建筑物上的金屬管道、鋼筋以及由室外進(jìn)入室內(nèi)的電源線、信號線、天饋線等感應(yīng)的雷電高電壓，通過這些線路以及金屬管道等引入室內(nèi)造成放電，從而損壞電子和微電子設(shè)備。

① 雷電感應(yīng)高電壓及其形式

A.靜電感應(yīng)

雷云底部分布著大量的負(fù)電荷，通過靜電場感應(yīng)，在其所覆蓋的地表面和各種物體，尤其是導(dǎo)體上，將感生出大量與雷云底部電荷符號相反的電荷。

B.電磁感應(yīng)

閃電電流在閃電通道周圍的空間產(chǎn)生磁場，這種磁場將隨時間而變化，并在附近的各類金屬導(dǎo)體上激發(fā)出感應(yīng)電動勢或感生電流。

C.電阻耦合

其形式有：--雷電侵入波

直接雷擊或感應(yīng)雷擊作用在遠(yuǎn)處雷區(qū)或防雷保護(hù)區(qū)域之外的導(dǎo)線或金屬管道上，產(chǎn)生的過電壓沿著導(dǎo)線或金屬管道傳來，侵入建筑物內(nèi)部或設(shè)備內(nèi)部，而使建筑物結(jié)構(gòu)、設(shè)備部件損壞或人員傷亡。

--地電位反擊

如果建筑物的避雷針引下線（包括接地體）與各種金屬導(dǎo)線、管道或用電設(shè)備的工作地線間的絕緣距離未達(dá)到安全要求，而又沒有采取相應(yīng)的等電位連接和鉗位措施，從而在這些金屬導(dǎo)線、管道或用電設(shè)備的工作地線上引入反擊電流，造成人身和設(shè)備雷擊事故。

② 電磁脈沖輻射

閃電放電時，其脈沖電流就向外輻射脈沖狀的電磁波，當(dāng)耦合到對瞬態(tài)電磁脈沖極其敏感的現(xiàn)代電子設(shè)備（如計算機(jī)）上，將造成設(shè)備故障或損壞。

1.4雷電防護(hù)的現(xiàn)狀

在富蘭克林發(fā)明避雷針時及以后270多年間，開始電子設(shè)備并不多，人們并沒有意識到雷電感應(yīng)高電壓及雷電電磁脈沖的危害，只是采取了防護(hù)直擊雷的措施，并往往認(rèn)為防雷就只是安裝避雷針、避雷線等。

后來隨著電子設(shè)備大量的應(yīng)用，特別是當(dāng)前電子計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展和日益普及，雷電感應(yīng)高電壓以及雷電電磁脈沖的危害明顯顯露出來，單純使用避雷針防雷不僅不能滿足電子、微電子設(shè)備的防雷需要，反而在避雷針的引下線周圍還產(chǎn)生了強(qiáng)烈的電磁場和電磁脈沖輻射，對周圍的電子、微電子設(shè)備造成了危害。

由于雷電感應(yīng)高電壓及雷電電磁脈沖的傳播途徑廣，作用范圍寬，其破壞作用往往悄然發(fā)生，不易察覺，后果遠(yuǎn)比直擊雷嚴(yán)重得多。所以人們開始研究雷電感應(yīng)高電壓以及雷電電磁脈沖的防護(hù)問題，并在反復(fù)的實(shí)踐中逐步找到了系統(tǒng)、有效的方法（請關(guān)注：通信電源技術(shù)/通信電源人）。

目前，世界上許多國家都非常重視雷電（特別是感應(yīng)雷）的防護(hù)工作。國際上，在國際電工委員會（IEC）下面成立了5個與防雷有關(guān)的技術(shù)委員會（如TC37、TC64、TC81等）。國內(nèi)，在國家和各級氣象主管部門下面都成立了防雷中心。國內(nèi)外的有關(guān)組織和研究機(jī)構(gòu)在防雷理論、防雷技術(shù)、防雷設(shè)備、防雷規(guī)范、防雷檢測手段等方面進(jìn)行了大量卓有成效的研究，取得了可喜的成績。

2浪涌的產(chǎn)生和危害

2.1浪涌的含義

浪涌是指沿線路傳送的電流、電壓或功率的瞬態(tài)波。其特性是先快速上升后緩慢下降。波形持續(xù)時間一般為微妙級或毫秒級。

2.2浪涌產(chǎn)生的原因

浪涌產(chǎn)生的原因通常有：

（1）雷電襲擊

（2） 操作過電壓

當(dāng)電流通過導(dǎo)體時在其周圍建立一個磁場，將能量儲存起來，當(dāng)電流斷開或接通時（包括切合感性負(fù)載、開斷容性負(fù)載、開關(guān)動作、負(fù)載變化、線路出現(xiàn)短路斷路和電弧故障時），磁場的能量將急速釋放，形成浪涌。

（3）靜電放電

當(dāng)不同介電常數(shù)的絕緣材料相互接觸和摩擦?xí)r，或者在不同的物體之間存在有電位差或電場時，就會因發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生靜電。氣候越干燥，電荷量越大，靜電電壓越高。人體的靜電電荷量通常有0.5~5庫侖，靜電電壓可達(dá)12~30KV。當(dāng)帶有靜電的物體或人體接觸計算機(jī)等信息設(shè)備時，就會發(fā)生放電現(xiàn)象。放電產(chǎn)生的電磁干擾可能使信息系統(tǒng)（設(shè)備）失靈或損壞。

2.3浪涌的危害

操作過電壓和靜電放電造成的事故和損失很多。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，各行各業(yè)在不斷地引進(jìn)和使用大量先進(jìn)的自動化控制設(shè)備、辦公網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)等，而且系統(tǒng)越來越復(fù)雜、智能化程度越來越高。這些先進(jìn)的系統(tǒng)對于改善工作條件、提高工作效率和生產(chǎn)技術(shù)水平，起到了不可或缺的作用。

但是，富含大量集成電路和精密微電子器件的系統(tǒng)又是一個比較脆弱的系統(tǒng)。目前的自動化控制設(shè)備、通信設(shè)備、辦公網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，雖然可靠性和抗低幅度雜波干擾的能力明顯提高，但由于器件集成度的提高，耐壓水平反而降低，對操作過電壓和靜電干擾非常敏感，極易被線路上出現(xiàn)的異常尖脈沖軟擊穿甚至硬擊穿。

經(jīng)統(tǒng)計和研究，在實(shí)際操作中，有60%以上的電子電氣設(shè)備發(fā)生的數(shù)據(jù)丟失、誤動作、死機(jī)、失靈甚至損壞，都跟操作過電壓和靜電放電有關(guān)。由此帶來的安全隱患、事故與經(jīng)濟(jì)損失也是不可估量的！

3雷電及浪涌防護(hù)的方法

3.1防護(hù)原則

（1）由于操作過電壓、靜電放電和雷電過電壓都屬于浪涌，它們的波形特征相似，破壞效應(yīng)一樣，其防護(hù)的方法相互可以兼容。防止雷電感應(yīng)高電壓和雷電電磁脈沖的措施，同時也完全可以防止操作過電壓和靜電放電產(chǎn)生的破壞。

（2）電子信息系統(tǒng)的雷電和浪涌防護(hù)必須按照"綜合防護(hù)"的要求進(jìn)行設(shè)計。應(yīng)堅(jiān)持預(yù)防為主、安全第一、全面規(guī)劃、綜合治理、整體防御、多重保護(hù)、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的指導(dǎo)方針。

（3）電子信息系統(tǒng)的雷電和浪涌防護(hù)，在設(shè)計前宜做現(xiàn)場雷電環(huán)境和電磁環(huán)境評估。應(yīng)認(rèn)真調(diào)查地理、地質(zhì)、土壤、氣象、環(huán)境條件、雷電活動規(guī)律、雷擊和設(shè)備事故的受損原因、系統(tǒng)設(shè)備的重要性、設(shè)備的工作環(huán)境，發(fā)生雷電和浪涌災(zāi)害后果的嚴(yán)重程度以及被保護(hù)物的特點(diǎn)等的基礎(chǔ)上分別采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

（4）電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)應(yīng)當(dāng)按照雷電的特殊性，根據(jù)所在地區(qū)雷暴等級、設(shè)備所在不同的雷電防護(hù)區(qū)以及系統(tǒng)對雷電電磁脈沖的抗擾度采用不同的防護(hù)措施（請關(guān)注：通信電源技術(shù)/通信電源人）。

（5）電子信息系統(tǒng)的雷電以及浪涌防護(hù)根據(jù)IEC組織提出的DBSG的基本思想，應(yīng)采用以下六大綜合防護(hù)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計：

①直擊雷防護(hù)技術(shù)、②等電位連接技術(shù)、③屏蔽和隔離技術(shù)、④合理布線技術(shù)、 ⑤共用接地技術(shù)、⑥分流與鉗位技術(shù)

3.2防護(hù)方法

在一個完善的建筑物電子信息系統(tǒng)防雷工程（特別是針對微電子設(shè)備的防雷工程）中，下述六個綜合措施缺一不可。如果某一個環(huán)節(jié)考慮不周，即使進(jìn)行了防雷方面的工作也起不到防雷作用，還有可能引雷入室而造成電子設(shè)備失靈或永久性損壞。

1、直接雷防護(hù)

直接雷防護(hù)就是利用避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等防直擊雷裝置，把閃電強(qiáng)大電流傳到大地去，以保護(hù)建筑物和構(gòu)筑物的安全。防直擊雷裝置應(yīng)嚴(yán)格按照國標(biāo)GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》的要求進(jìn)行設(shè)置，其中避雷針必須按滾球法計算其保護(hù)范圍和高度。

2、屏蔽和隔離措施

① 所謂屏蔽，就是用金屬網(wǎng)、箔、殼等把需要保護(hù)的對象包圍起來，把閃電以及強(qiáng)干擾的電磁脈波在空間的入侵通道全部阻斷，以保護(hù)電子電器設(shè)備安全。金屬屏蔽網(wǎng)（屏蔽室）應(yīng)與等電位接地端子或接地帶進(jìn)行可靠連接。

對比較脆弱或比較重要設(shè)備，與其相連的尤其是進(jìn)出屏蔽區(qū)域的電纜應(yīng)采用屏蔽電纜。屏蔽層宜在兩端及雷電防護(hù)區(qū)交界處做等電位連接。有時為了加強(qiáng)屏蔽作用，還需要將電纜穿入鐵管之內(nèi)，并將鐵管兩端以及在防雷區(qū)交界處進(jìn)行等電位連接。

② 所謂隔離，就是讓敏感的電子信息設(shè)備盡可能避開或遠(yuǎn)離雷電和浪涌容易干擾或破壞的地方。比如把電子信息設(shè)備安放在遠(yuǎn)離窗戶以及大功率電感性或電容性負(fù)載的地方；使用光纜進(jìn)行連接（光纜的加強(qiáng)鋼筋應(yīng)在兩端做等電位接地連接）；不用手或只用帶靜電手套（手腕）的手直接接觸電子信息設(shè)備的元器件、線路板和端口等。

3、等電位連接

配置有信息系統(tǒng)設(shè)備的機(jī)房內(nèi)應(yīng)設(shè)等電位連接端子板，端子板應(yīng)可靠接地。機(jī)房內(nèi)的電氣和電子設(shè)備的金屬外殼（包括機(jī)柜和機(jī)架）、屏蔽線外層以及各種SPD接地端均應(yīng)以最短的距離就近與等電位連接端子板連接，以防止不同設(shè)備、不同導(dǎo)體之間出現(xiàn)電位差造成設(shè)備故障和人員傷亡，或者由于地電位的反擊而損壞電子電器設(shè)備。

4、共用接地

所謂共用接地是將在同一區(qū)域的交流工作地、直流工作地、安全保護(hù)地、防靜電接地、防雷接地等共用一組接地裝置。共用接地系統(tǒng)的接地電阻應(yīng)以接入設(shè)備中最小值確定。信息系統(tǒng)的接地電阻一般不宜大于4Ω。

防靜電的散流和接地裝置應(yīng)按照有關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。

當(dāng)有特殊要求時也可采用獨(dú)立接地。但是，沒有直接連通的地網(wǎng)及其設(shè)備之間要按規(guī)范留有足夠的距離，或者采用等電位連接體進(jìn)行連接，防止不同的地網(wǎng)及其設(shè)備之間在雷擊時因電位不同而發(fā)生跳擊。

5、合理布線

所謂合理布線就是將容易引起干擾的線纜（比如強(qiáng)電和弱電線纜、架空和非架空線纜、室外進(jìn)線和室內(nèi)線纜等）分開敷設(shè)，并保持一定間距，并且符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50311規(guī)范的規(guī)定；或者利用金屬走線槽進(jìn)行分開走線。

大樓建筑物電氣線路的主干線，應(yīng)敷設(shè)在建筑物的電氣豎井內(nèi)，并且應(yīng)當(dāng)避開作為防雷引下線的結(jié)構(gòu)柱子，防止雷電感應(yīng)高電壓的襲擊。

接入串聯(lián)型浪涌保護(hù)器的輸入和輸出線路不應(yīng)交叉重疊；當(dāng)閉合線路較長時，閉合線路所包圍的面積應(yīng)盡可能小。

6、分流與鉗位

所謂分流與鉗位就是使用浪涌保護(hù)器（SPD）。在進(jìn)入室內(nèi)的電源線路、信號線路特別是重要設(shè)備的前面按規(guī)范逐級加裝該保護(hù)裝置，將感應(yīng)到電源線、天饋線以及信號線的雷電流泄放到大地，并將雷電以及浪涌鉗位到設(shè)備能承受的范圍，從而保護(hù)電子電器設(shè)備不被雷電感應(yīng)高電壓以及操作過電壓所損壞。

審核編輯 ：李倩