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计算机设备雷击电磁脉冲的防护
〖  所属分类:技术文献  点击次数:3359次  更新时间:2006-3-20 10:05:04  〗

  雷电是常见的大气层中强电磁干扰源,为了更好地防御雷击电磁脉冲,不但要正确选择机房位置,还应采取有效的等电位、屏蔽及过压保护等措施。 
  一是大楼中机房位置的选择,由雷电流的"集肤效应"可知,雷电流几乎全部集中在外墙,而室内的磁场强度在电流流经的柱子附近最大,所以计算机房应放在建筑物的中间位置,而且还要避开大楼外侧作为引下线的柱子。 
  二是机房内设备摆放的位置,由于雷电流有极大的峰值和陡度,在它周围的空间出现瞬变电磁场,处在电磁场中的导体会感应出较大的电动势。所以在机房内布置设备时,也应与外墙立柱保持一定的距离。 
  三是等电位连接技术,使用连接导线或过电压(浪涌)保护器将防雷装置和建筑物的金属装置、外来导线、电气装置等连接起来,以实现均压等电位。 
  四是屏蔽措施,利用建筑物的金属构架、门窗、地板等均相互焊(连)在一起;形成一个"法拉第笼",并与地网形成良好的电气连接。屏蔽管线入户一般要求采用地下电缆,其金属护层要在两端做良好接地。 
  五是雷电过电压的保护,当雷电击中电网或电网附近雷击时,都能在线路上产生雷电过电压。雷电过电压沿着线路传播进入机房内,造成计算机及相关设备损坏。电源系统应多级保护,逐级泄流,使残压限制在2倍U额定电压值。雷电的瞬变电磁场,可在信号线路及其回路上感应产生过电压,损坏相应的接口电路。因此实际安装时,要求保护装置靠近被保护设备,保护元件两端采用双绞线;使得耦合回路的总面积减少,减弱磁场耦合效应。 
  计算机的雷害是多方面的,只有采取综合防雷保护措施,才能有效防止雷击对计算机设备的损坏。 

  过压保护原理 
  要保护电气和电子系统重要的是在电磁兼容性保护区内设置一套包容全部有源导线在内的完整的电位补偿系统。过压保护装置中放电器元件的物理特性在实际应用中既有优点,亦有缺点,因此采用多和元件组合的保护电路运用得更为广泛。 
  近年来使用人员和保险公司要求在电气和电子设备中安装过压放电器和雷击电流放电器的呼声越来越强烈,其原因是由过电压造成的损失越来越多,而一代接一代的电器和设备却越来越敏感。根据这种市场需求,在过去七到十年间有许多公司加强了对过压保护的研究,因而有大量过压保护产品系列的问世。 但是能满足包括从具有当代技术水平的能传导10/350us脉冲电流的雷击电流放电器;用于二次配电的可插式过压放电器;电器电源保护装置直到电源滤波器所有技术要求的产品系列却是极为少见的。同样这种产品系列应该包括用于所有电路,即除电源外,还应包括用于测量、控制、调节技术电路和电子数据处理传输电路以及适用于无线和有线通讯的放电器,以便客户使用。 简单而草率地把放电器装在各种线路中并不意味着最优的过压保护。只有正确安装才能使放电器达到预期效果。电位补偿系统 放电器正常发挥效用的前提是将过压而引起的电流以最短的途径通过电位补偿系统接地。因此,建立一个合格的电位补偿系统至关重要。在安装电位补偿系统时,应使相互间必须进行信息交换的电路和电子设备与电位补偿系统的导线连接保持最短距离。根据感应定理,电感量越大,瞬变电流在电路中产生的电压越高;U=L·di/dt 电感量主要和导线长度有关,而和导线截面关系不大,因此,应使导线尽可能地短。多条导线的并联连接可显著地降低电位补偿系统的电感量。为了将这两条付诸实践,理论上可以把应与电位补偿装置连在一起的所有电路和设备连在同一块金属板上。基于金属板的构想在补装电位补偿系统时可采用线状、星状或网状结构。设计新的设备时原则上应只采用网状电位补偿装置。将有源线路引入电位补偿装置 瞬变电压或瞬变电流意味着其存在时间仅为微秒或毫微秒。 过压保护的基本原理是,在瞬态过电压存在的极短时间内,在被保护区域内的所有导电部件之间建立起一个等电位。这种导电部件也包括电路中的有源导线。人们需要响应速度快于微秒的元件,对于静电放电甚至快于毫微秒。这种元件能够在极短的时间间隔内,将非常强大直到高达数倍于十千安的电流导出。在预期的雷击情况下按10/350us脉冲计算,电流高达50千安。通过完备的电位补偿装置,可以在极短的时间内形成一个等电位岛,这个等电位岛对于远处的电位差甚至可高达数十万伏。重要的是,在需要保护的区域内,所有导电部件都可认为具有接近相等或绝对相等的电位,因而不存在显著的电位差。放电器的安装及其作用 过压放电器元件从响应特性来看,有软硬之分。 属于硬响应特性的放电元件有气体放电管和放电间隙型放电器,二者要么是基于斩弧技术(Arc-Chopping)的角型火花隙,要么是同轴放电火花隙。属于软响应特性的放电元件有压敏电阻和抑制二极管。所有这些元件的区别在于放电能力,响应特性以及残余电压。由于这些元件各有其优缺点,人们将其组合成特殊保护电路,以扬长避短。闪电电流和闪电后续电流需要放电性能极强的放电器。为了将闪电电流通过电位补偿系统导入接地装置,建议使用根据斩弧技术带角型火花隙的雷击电流放电器。只有用它才能传导大于50千安的10/350us脉冲电流而且可以实现自动灭弧,这种产品的应用的额定电压可达400伏。此外这种放电器当短路电流达4千安时,不会引起额定电流为125安的保险丝熔断。 由于这些良好的参数的组合,使得在保护区域内安装的仪器和设备的不间断工作特性得以大大提高。特别要指出的是,这里不仅取决于幅值很高的电流可以进行处理,更重要的是脉冲形式起着决定性的作用。二者必须同时考虑。因此,虽然角型火花隙也能够输导最高达100千安的电流,但以其脉冲形式为缩短的(8/80us)。这种脉冲是冲击电流脉冲,1992年10月以前作为开发雷击电流放电器的基础。 尽管雷击电流放电器放电能力很好,但总有其缺点:其剩余电压高达2.5至3.5千伏。因此,在整体安装雷击电流放电器时,应与其它的放电器组合使用。为了将强电流从数据处理电路以及测量、控制和调节技术电路中传导出,可使用气体放电管,常规的气体放电管可以在试验脉冲8/20us情况下,将10千安的电流传导出。在这种信息线路中预期不会出现更为强大的放电电流,因为所接入导线的截面相对较小,通常也不再能承载较大的瞬态电流。气体放电管的响应时间在毫微秒范围中段,虽已应用于电信设备数十年,却不光只有优点。 缺点之一是与时间相关的点火性能。上升时间长的瞬态电流使得保护电平会达到与气体放电器额定电压相应的水平。特别快的瞬态电流会在一点与点火特征曲线会合,此点的电压是气体放电管额定电压的十倍。另一个缺点是,电压大于12伏和电流大于100毫安时会产生电源后续电流,这种电源后续电流只有在预置保险丝熔断的情况下才能消除,其结果是电路中断。压敏电阻其功能相当于很多与串联和并联在一起的双向抑制二极管。工作原理如同与电压相关的电阻。电压超过规定电压,压敏电阻可以导电;电压低于规定电压,压敏电阻则不导电。这样压敏电阻可起到很好电压限位作用。压敏电阻工作极为迅速,响应时间在毫微秒范围下段。电源上常用的压敏电阻可输导极限可达40千安8/20us脉冲的电流。因而很适合做电源第二级放电器。但作为雷击电流放电器则不合适。国际电子技术委员会IEC 1024-1文献中记载,要处理脉冲为10/350us的电荷量,相当于8/20us脉冲情况下电荷量的200倍。Q(10/350)us=200×Q(8/20)us 从这条公式可以看出,不仅要注意放电电流的幅度,而且一定要注意脉冲形式,这是至关重要的。 压敏电阻的缺点是易老化和电容较高,老化是指压敏电阻内的二极管元件被击穿。由于大多数情况下pn-结过载时会造成短路,依其负载的频繁程度,压敏电阻开始吸引泄漏电流,泄漏电流会在敏感的测试电路中引起测量数据误差,同时,特别是在额定电压高的电路中,会造成强烈发热。压敏电阻的电容高,使它在很多情况下不能在信号传输线路中使用。电容和导线电感形成一个低通电路,会使信号极大地衰减。但频率大约在30千赫以下的衰减可以忽略不计。抑制二极管的优点是可以把剩余电压限制到非常小的范围并能迅速作出反应。响应时间可达微微秒范围。抑制二极管用作过压保护缺点是吸收能量的能力太小。额定电压范围大于60伏时,使用抑制二极管只有在特别情况下才有意义。额定电压为230伏和110伏的电源不适宜使用抑制二极管。在这种情况下的放电能力,按8/20us脉冲计,只有几十安培。电流强度超过此数,抑制二极管会短路,这意味着保险丝熔断和电路断开。 根据过压保护的方案安装放电器包含单个保护元件或者组合保护电路,又按安装技术条件而集成一体的组合件(导轨安装式、电源插座式、适配器)称作放电器。 几乎在所有情况下的过压保护,至少应分成两级。如电源,各个只包含一级保护的放电器,可安装在不同的位置,同一放电器中也可能包含多级保护。为了达到有效的过压保护,人们将需要保护的范围,按不同的电磁兼容性分区,这个保护范围,包括从闪电保护区0,过压保护区1至3,直到干扰电压保护区具有更高的序号。设置电磁兼容性保护区0到3,是为了避免因高能耦合而损坏设备。而序号更高的电磁兼容性保护则为防止信息失真和信息丢失而设置的。保护区的序号越高,预期的干扰能量和干扰电压电平越低。需要保护的电气和电子设备安装在一个十分有效的保护圈内,这样的保护圈可以针对单个的电子设备,也可以是一个装有多个电子设备的空间,甚至一整栋楼,所有穿过通常具有空间屏蔽的保护圈的电线,在接到该保护圈的外围设备的同时接过压保护放电器。放电器的选择取决于各个电路和参数。放电器的工作电压以安装在此电路中所有部件的额定电压为准,而要达到的剩余电压则根据安装在此电路中所有部件的耐压强度确定。耐压强度按1.2/50us脉冲测试。并联时,即在有源导线和地之间接上放电器时,则无需注意其额定电流,因为额定电流并不通过放电器。 电路装有串联放电器的情况下,必须注意其额定电流,在数据传输率很高的电路中,放器的衰减起着决定性的作用。至于专门为数据传输电路而设计的放电器,生产厂家已考虑到其传输速率。为达到最优化的过压保护方案,用户不仅需要与电气和电子设备的规划人员,同时也要与建筑设计人员及时对话。正是在设计规划阶段,注意到电磁兼容性的基本原理,可以大大降低成本,并最有效地达到过压保护的目的。在此阶段,确定网状电位补偿系统的设置,并为空间屏蔽和电气及电子设备线路的布置奠定的基础。按电路参数而挑选出的放电器,就很容易确定其合适的安装位置了。需特别注意的是,只有符合专业规定及标准的安装,才能使一个优秀而便于应用的过压保护方案成功地付诸实践。    
低压供电系统的防雷防浪涌保护 
  雷电放电可能发生在云层之间或云层内部,或云层对地之间;另外许多大容量电气设备的使用带来的内部浪涌,对供电系统(中国低压供电系统标准:AC 50Hz 220/380V)和用电设备的影响以及防雷和防浪涌的保护,已成为人们关注的焦点。 
  云层与地之间的雷击放电,由一次或若干次单独的闪电组成,每次闪电都携带若干幅值很高、持续时间很短的电流。一个典型的雷电放电将包括二次或三次的闪电,每次闪电之间大约相隔二十分之一秒的时间。大多数闪电电流在10,000至100,000安培的范围之间降落,其持续时间一般小于100微秒。  
  供电系统内部由于大容量设备和变频设备等的使用,带来日益严重的内部浪涌问题。我们将其归结为瞬态过电压(TVS)的影响。任何用电设备都存在供电电源电压的允许范围。有时即便是很窄的过电压冲击也会造成设备的电源或全部损坏。瞬态过电压(TVS)破坏作用就是这样。特别是对一些敏感的微电子设备,有时很小的浪涌冲击就可能造成致命的损坏。  

  供电系统浪涌的影响  
  供电系统浪涌的来源分为外部(雷电原因)和内部(电气设备启停和故障等):  
  # 雷击对地闪电可能以两种途径作用在低压供电系统上:  
  l 直接雷击:雷电放电直接击中电力系统的部件,注入很大的脉冲电流。发生的概率相对较低。  
  l 间接雷击:雷电放电击中设备附近的大地,在电力线上感应中等程度的电流和电压。  
  # 内部浪涌发生的原因同供电系统内部的设备启停和供电网络运行的故障有关:  
  供电系统内部由于大功率设备的启停、线路故障、投切动作和变频设备的运行等原因,都会带来内部浪涌,给用电设备带来不利影响。特别是计算机、通讯等微电子设备带来致命的冲击。即便是没有造成永久的设备损坏,但系统运行的异常和停顿都会带来很严重的后果。比如核电站、医疗系统、大型工厂自动化系统、证券交易系统、电信局用交换机、网络枢纽等。  
  直接雷击是最严重的事件,尤其是如果雷击击中靠近用户进线口架空输电线。在发生这些事件时,架空输电线电压将上升到几十万伏特,通常引起绝缘闪络。雷电电流在电力线上传输的距离为一公里或更远,在雷击点附近的峰值电流可达100kA或以上。在用户进线口处低压线路的电流每相可达到5kA到10kA。在雷电活动频繁的区域,电力设施每年可能有好几次遭受雷电直击事件引起严重雷电电流。而对于采用地下电力电缆供电或在雷电活动不频繁的地区,上述事件是很少发生的。  
  间接雷击和内部浪涌发生的概率较高,绝大部分的用电设备损坏与其有关。所以电源防浪涌的重点是对这部分浪涌能量的吸收和抑制。  

  供电系统的浪涌保护  
  对于低压供电系统,浪涌引起的瞬态过电压(TVS)保护,最好采用分级保护的方式来完成。从供电系统的入口(比如大厦的总配电房)开始逐步进行浪涌能量的吸收,对瞬态过电压进行分阶段抑制。  
  [第一道防线] 应是连接在用户供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防浪涌保护器。一般要求该级电源保护器具备100KA/相以上的最大冲击容量,要求的限制电压应小于1500V。我们称为CLASS I 级电源防浪涌保护器。 这些电源防浪涌保护器是专为承受雷电和感应雷击的大电流和高能量浪涌能量吸收而设计的,可将大量的浪涌电流分流到大地。它们仅提供限制电压(冲击电流流过SPD时,线路上出现的最大电压成为限制电压)为中等级别的保护,因为CLASS I 级的保护器主要是对大浪涌电流的吸收。仅靠它们是不能完全保护供电系统内部的敏感用电设备。  
  [第二道防线] 应该是安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电设备处的电源防浪涌保护器。这些SPD对于通过了用户供电入口浪涌放电器的剩余浪涌能量进行更完善的吸收,对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。该处使用的电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为45KA/相以上,要求的限制电压应小于1200V。我们称为CLASS II 级电源防浪涌保护器。一般的用户供电系统作到第二级保护就可以达到用电设备运行的要求了(参见UL1449-C2的有关条款)。  
  [最后的防线] 可在用电设备内部电源部分使用一个内置式的电源防浪涌保护器,以达到完全消除微小瞬态的瞬态过电压的目的。该处使用的电源防浪涌保护器要求的最大冲击容量为20KA/相或更低一些,要求的限制电压应小于1000V。对于一些特别重要或特别敏感的电子设备,具备第三级的保护是必要的。同时也可以保护用电设备免受系统内部产生的瞬态过电压影响。

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