监控弱电设备的雷电危害分析及保护

1、监控弱电设备的雷电危害分析及保护 1概述 防雷是一个老话题，但仍在不断发展中，应该说现在尚无万试万灵的产品。防雷技术还有许多待探索的东西，目前雷云起电的机理还不清楚，雷电感应的定量研究也很薄弱，因此防雷产品也在发展中，一些新研制开发的防雷产品其性能和效果，仍需以科学的态度在实践中检验，并在理论上发展完善。由于雷电本身是小概率事件，需要大量长期的统计分析才能得到有益的结果，这需要各方的通力合作才能得以实现。雷电是一种常见的大气放电现象。在夏天的午后或傍晚，地面的热空气携带大量的水汽不断地上升到高空，形成大范围的积雨云，积雨云的不同部位聚集着大量的正电荷或负电荷，形成雷雨云，而地面因受到近地面雷雨

2、云的电荷感应，也会带上与云底相反极性的电荷。当云层里的电荷越积越多，达到一定强度时，就会把空气击穿，打开一条狭窄的通道强行放电。当云层放电时，由于云中的电流很强，通道上的空气瞬间被烧得灼热，温度高达6000-20000，所以发出耀眼的强光，这就是闪电，而闪道上的高温会使空气急剧膨胀，同时也会使水滴汽化膨胀，从而产生冲击波，这种强烈的冲击波活动形成了雷声。由于雷电释放的能量相当大，它所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应给人们带来了多种危害。随着科学技术进步，微电子技术的不断发展；自动化水平也在不断提高，自动控制系统在生产生活各个方面的使用越来越广，微

3、电子设备应用日益广泛，人们在受益于微电子的极大方便的同时，也受到其一旦损坏就损失巨大的困扰。实际中，在规划设计自动控制系统的时，往往对自动控制系统的防雷未加考虑或考虑不够的情况较多，一旦有雷电波侵入，设备损坏一般是巨大的，有的甚至使整个系统瘫痪，造成无可挽回的损失。一些微电子器件工作电压仅几伏，传递信息电流小至微安级，对外界的干扰极其敏感，而雷电流产生的瞬变电磁场对微电子设备的干扰和损害尤为严重。在雷雨季节，自动化显示系统、通信联络系统(modem、载波机、程控交换机等)等常常损坏，造成较大的直接和间接经济损失。尽管有些自动化系统采取了一定的防雷措施，但仍常出现由于雷击发生使的弱电设备损坏,例

4、如；变电站线路落雷，造成主控地与设备之间的电位差而损坏大量的保护设备；变电站的微波塔落雷，由于感应过电压而损坏大量的通讯、远动设备损坏。其主要原因是由于一次设备发生雷击后在弱电设备造成的浪涌超过了设备承受的能力而损坏设备的，浪涌的主要形式是电源浪涌、信号浪涌。雷击是一种自然现象，它能释放出巨大的能量、具有极强大的破坏能力。几个世纪来，人类通过对雷击破坏性的研究、探索，对雷电的危害采取了一定的预防措施，有效地降低了雷害，采取正确、全面的防雷措施是保证弱电设备安全可靠运行的重要手段。 如果有需求请电话联系：李经qq:1336356556 2.雷积云的形成 人们通常把发生闪

5、电的云称为雷雨云，其实有几种云都与闪电有关，如层积云、雨层云、积云、积雨云，最重要的则是积雨云，一般专业书中讲的雷雨云就是指积雨云。云的形成过程是空气中的水汽经由各种原因达到饱和或过饱和状态而发生凝结的过程。使空气中水汽达到饱和是形成云的一个必要条件，其主要方式有：水汽含量不变，空气降温冷却；温度不变，增加水汽含量； 既增加水汽含量，又降低温度。 但对云的形成来说，降温过程是最主要的过程。而降温冷却过程中又以上升运动而引起的降温冷却作用最为普遍，积雨云就是一种在强烈垂直对流过程中形成的云。由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层，所以白天地面温度升高较多，夏日这种升温更为明显，所以近地面的大气的

6、温度由于热传导和热辐射也跟着升高，气体温度升高必然膨胀，密度减小，压强也随着降低，根据力学原理它就要上升，上方的空气层密度相对说来就较大，就要下沉。热气流在上升过程中膨胀降压，同时与高空低温空气进行热交换，于是上升气团中的水汽凝结而出现雾滴，就形成了云。在强对流过程中，云中的雾滴进一步降温，变成过冷水滴、冰晶或雪花，并随高度逐渐增多。在冻结高度（-10摄氏度），由于过冷水大量冻结而释放潜热，使云顶突然向上发展，达到对流层顶附近后向水平方向铺展，形成云砧，是积雨云的显著特征。积雨云形成过程中，在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在云的不同部位积聚。当电荷积聚到一定程

7、度，就会在云与云之间或云与地之间发生放电，也就是人们平常所说的“闪电”。雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的灾难，尤其是近几年来，雷电灾害频繁发生，对国民经济造成的危害日趋严重。我们应当加强防雷意识，与气象部门积极合作，做好预防工作，将雷害损失降到最低限度。 如果有需求请电话联系：李经qq:1336356556 3.直击雷、感应雷和浪涌 现代化的城市中高层建筑日益增多，造成雷电击穿空气的距离缩短，因为雷击的概率与建筑的高度成正比，所以雷击概率加大。同时，由于全球气候变暖，城市热岛现象增多，使城市的大气环流形势出现了新特点，夏季雷暴期延长。而更重要的是，随着科技的

8、进步，微电设备被广泛应用，城市通信电源大幅增多，城市电磁场发生变化，特别是微电子产品普遍绝缘强度低，过电压耐受力差，容易遭受雷电侵袭，其中电脑网络、通讯指挥系统和公用天线都是重灾区。从某种意义上说，科技越发达，雷击对人们的威胁就越大。雷电危害可分成直击雷、感应雷和浪涌三种。3.1直击雷直击雷在雷暴活动区域内，雷云直接通过人体，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。建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象，称之为直接雷击。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位。雷电击中人体、建筑物或设备时，强大的雷电流转变成热能。雷击放电的电量大约为2

9、5100c。据此估算，雷击点的发热量大约5002000j。该能量可以熔化50200mm3的钢材。因此雷电流的高温热效应将灼伤人体，引起建筑物燃烧，使设备部件熔化。在雷电流流过的通道上，物体水分受热汽化而剧烈膨胀，产生强大的冲击性机械力。该机械力可以达到50006000n，因而可使人体组织，建筑物结构、设备部件等断裂破碎，从而导致人员伤亡、建筑物破坏，以及设备毁坏等 如果有需求请电话联系：李经qq:1336356556雷电流在闪击中直接进入金属管道或导线时，它们沿着金属管道或导线可以传送到很远的地方。除了沿管道或导线产生电或热效应，破坏其机械和电气连接之外，当它侵入与此

10、相连的金属设施或用电设备时，还会对金属设施或用电设备的机械结构和电气结构产生破坏作用，并危及有关操作和使用人员的安全。雷电流从导线传送到用电设备，如电气或电子设备时，将出现一个强大的雷电冲击波及其反射分量。反射分量的幅值尽管没有冲击波大，但其破坏力也大大超过半导体或集成电路等微电子器件的负荷能力，尤其是它与冲击波叠加，形成驻波的情况下，便成了一种强大的破坏力。3.2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。感应雷的破坏也

11、称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备具有强烈的破坏性。感应雷可分为以下两类：3.2.1静电感应雷；带有大量负电荷的雷云所产生的电场e将会在架空线路上感生出被电场束缚的正电荷。当雷云对地放电或对云间放电时，云层中的负电荷在一瞬间消失了（严格说是大大减弱），那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击，从而对电器设备产生不同程度的影响。 如果有需求请电话联系：李经理138115685

12、28 qq2.2电磁感应雷；雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上（由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了），对用电设备造成极大危害。3.3浪涌雷电浪涌是近年来由于微电子设备的不断应用而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

13、（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微电子设备设备。我们就这电源浪涌和信号系统浪涌两方面分别讨论其对弱电设备的危害：3.3.1电源浪涌；电源浪涌并不仅源于雷击，当电力系统出现短路故障、投切大负荷时都会产生电源浪涌，电网绵延千里，不论是雷击还是线路浪涌发生的几率都很高。当距你几百公里的远方发生了雷击时，雷击浪涌通过电网线路传输，经过变电站等衰减，到你的微电子设备时可能仍然有上千伏，这个高压很短只有几十到几百个微妙，或者不足以烧毁微电子设备，但是对于微电子设备内部的半导体元件却有很大的损害

14、，例如旧音响的杂音比新的要大是因为内部元件受到损害一样，随着这些损害的加深微电子设备也逐渐变的越来越不稳定，或有可能造成您重要数据的丢失。美国ge公司测定一般家庭、饭店、公寓等低压配电线（220v/110v）在10000小时（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。 如果有需求请电话联系：李经qq3.2信号系统浪涌；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（如传输线）受到这些干扰信号

15、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.目前，直击雷造成的灾害已明显减少，而随着城市经济的发展，感应雷和雷电波侵入造成的危害却大大增加。一般建筑物上的避雷针只能预防直击雷，而强大的电磁场产生的感应雷和脉冲电压却能潜入室内危及电视、电话及联网微机等弱电设备。目前，雷电灾害已被国际电工委员会（iec）称为“电子化时代的一大公害”。因随着微电子设备应用的日益广泛和普及，雷电会导致对微电子设备多种不同形式的危害，而目前仍没有任何一种办法可以全面防止雷电的危害，只能通过各种有效的办法可将雷害的程度降到最低，在多年的实际中人们对直击雷、感应雷、球形

16、雷的认识比较高，防护也相对完善，但对雷电浪涌的防护意识和防护措施相对比较薄弱，为此完善对雷电涌的防护理论，开发研制新型的防雷电涌器件是e时代的基础技术。 4.下一代电子装置防浪涌器件 据统计，约75的现场微电子设备故障因eos(电气过应力)而引起过电流或过电压，因此电路设计人员应该注意导致eos的原因，并提供适当的电路保护以确保设备安全可靠地工作。系统设计人员应该清楚地了解每一个电子设备的电压和电流参数、以及特定电路和元器件的限制，在系统中设计低成本的电路保护器件。4.1过流保护现在可选择几种技术以提供过流保护，这些技术包括传统的熔丝管（玻璃和陶瓷型）、薄膜保险丝和基于聚合物的正温度系数（pt

17、c）器件。4.1.1表面安装型保险丝；薄膜保险丝属于外形小巧类表面安装元件，可为下一代电脑和电讯、数据通讯产品中的昂贵ic提供过流保护。典型的移动电路一般都有多个为昂贵的vlsi电路提供过流保护的薄膜保险丝，这些保险丝工作于不同的额定电流和额定电压下。表面安装型保险丝（smf）的典型封装尺寸为1206（3.2 mm1.6mm）和0603（1.6mm0.8mm）。这些保险丝的最大允许电流为：1206型7安培，0603型5安培。这些片式保险丝可提供与电池组、移动电话、笔记本电脑、lcd监视器、pda和调制解调器匹配良好的紧凑设计。当前用薄膜技术设计出的最小保险丝尺寸为0402，允许的电流范围从25

18、0ma2a。4.1.2通用模块型保险丝（umf）；市场上现有的保险丝均遵循ul248或iec技术规格，遵循iec127标准设计的传统5mm20mm熔丝管已得到ul认证，并获得ur（ul认证）证书，尽管iec1274标准概述了通用模块型保险丝（umf）的技术规格，但目前市场上尚无得到任何iec代理机构认证的表面安装型保险丝。nan02通用模块型保险丝是第一种满足iec1274规范的产品，其额定电压为125v，额定电流可为50ma、1a和1.6a。4.1.3 ptc可复位型保险；如果有需求请电话联系：李经qq:1336356556ptc可复位型保险丝的工作原理是，在过流情

19、况下通过调高自身电阻来保护电路免受损害，一旦电流恢复正常，ptc可复位保险丝能自动恢复到正常低阻值，并允许电流通过。这些特性使得ptc可复位保险丝在电池供电的电子产品和数据通讯应用中，成为理想的选择，因为在更换电池或插拔数据连接时可能会出现瞬间浪涌电流。ptc可复位型保险丝通常在某些电路中取代传统的玻璃保险丝，并主要用于usb。4.2 ptc可复位保险丝和普通保险丝选用 这两种保险丝都借助感应电路中过电流产生的热量来实现保护功能，普通保险丝借助熔化来中断电流，而ptc通过将低阻改变为高阻来限制电流。理解这两种类型器件之间的差异将有助于选择最好的电路保护器件。在选择过流保护器件时，通常考虑以下4

20、个因素。4.2.1可复位性；两者最明显的差异在于ptc是可复位的，通常过流发生后采取的步骤是先断电，然后使器件冷却下来。 4.2.2阻抗；产品技术规格显示，在额定值大致相同的情况下，ptc具有保险丝2倍以上的阻抗。这个特性在设计用电池供电的设备时尤其突出，高阻抗器件增加的电能消耗不仅会缩短电池的寿命，而且还将导致更频繁的充电作业。4.2.3时间、电流特性；比较ptc和保险丝的时间、电流曲线图，ptc的响应速度比普通保险丝要慢得多，而这一点对保护电路中异常敏感的部分特别关键。 4.2.4尺寸；如果有需求请电话联系：李经qq:1336356556普通保险丝的功率密度比pt

21、c大得多，高达5a的保险丝已可采用0603封装，2a的则采用0402封装。最佳尺寸的表面安装型ptc的最大额定电流为2、6a，采用1812封装，业界主要制造商正在开发1206封装，并致力于增加电流承载能力。4.3过压保护 在任何电子设备中都可能出现瞬态电压，它通常是由电路故障、雷击或esd引发的。现在已开发出几种提供过电压电路保护的零配件，包括二极管、mov、mlv、瞬态电压抑制器和esd抑制器。4.3.1变阻器；金属氧化物变阻器（mov）专为抑制汽车、电讯和交流电源应用中的过电压而设计。mov是一种电压钳位元件，其阻抗与电压有关，如电压超过其阈值则其阻抗将变得非常小。mov具有高的vi非线性

22、特性，反应速度快，能承受很高峰值电流，待机状态下漏电流又较低。mov的主要用途是保护那些必须满足瞬态电压浪涌抑制器ul1449各项要求的产品免受雷电损害。一个附近的闪电放电可通过云层到地或云层到云层感应出电磁场，这个电磁场能在原边电路或副边电路中感应出电压。直接的闪电放电能在交流电网或电话线路上产生高的浪涌电压。在敏感电路中安装的mov器件可以将雷击带来的不利影响最小化。多层变阻器（mlv）较小，是一种适合保护便携式和电脑设备中低电压电路的表面安装型无引线片式变阻器。同mov一样，在电压超过其阈值时mlv就变得高度导电。mlv可以具有不同的电压和电流额定范围，以满足各种应用要求，容值仅为10p

23、f的新款0402mlv在移动电路中得到了极好的应用。典型的变阻器主要是为工作于18v或更低电压的电路板的应用设计的，这些表面安装器件通常应用在移动通讯、电脑、医疗仪和便携式设备中。4.3.2瞬态电压抑制器；如果有需求请电话联系：李经qq:1336356556随着电子工业界探索更多地提高效率和增加功能、降低产品成本和制造更紧凑便携式产品的方法，新的设计趋势是在单个封装中整合更多不同类型的元件，以提供完整的电路保护解决方案。将过压、过流保护器件、过温、过压保护器件和esd抑制器整合在一起的新产品正在开发之中，它们将形成电路保护技术的又一次革命。瞬态电压抑制器是另一种选择，

24、surgector就是其中之一，它专为有线通讯系统提供二级保护。surgector采用矽闸流技术以提供双向钳位保护，该器件可用来吸收通讯电路的瞬态波形和高峰值浪涌电流。surgector有双极性、单极性和编程式scr3种类型，并采用表面安装、d0214aa封装和直插式to202封装。（1）esd抑制器；现代电子系统（不论是便携的、机载的，还是陆基的）中的高密度电路，都很容易受到静电或esd的侵害。人体能产生超过15kv的esd，因此为了有效防止esd侵害，要求许多新的电子设备必须满足iec6100042标准。传统的钳位二极管和多层变阻器（mlv）通常用来保护低速、高功耗固体电路，不过，随着半导

25、体制造技术的进步，市场正向低电压、高速集成电路方向发展，这些具有较大寄生电容的器件可能会导致信号传输失真。目前一种从聚合物正温度系数（ptc）技术发展而来的新器件，具有处理经常出现在ic之间的较大esd脉冲的性能。静电（esd）抑制器的聚合物结构使得制造商可生产出各种形状的esd抑制器，以满足各种不同应用的需要。该器件具有小于1pf的电容，可提供良好的限制信号降级和衰减的性能，以保证高速数据线和下一代电池组电路设计中的数据线能正常工作。（2）tvs管即瞬态电压抑制器。当其两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以1012s量级的速度，将两级间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电

26、压箝位于一个预定值(一般小于2倍额定工作电压)，有效的保护电子电路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的破坏。tvs管的伏安特性；其正向特性与普通二级管相同，反向特性为典型的pn结雪崩器件。在瞬态脉冲电流的作用下，流过tvs管的电流，由原来的反向漏电流id上升到 ir时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压uoff上升到击穿电压ubr，tvs管被击穿。随着峰值脉冲电流的出现，流过tvs管的电流达到峰值脉冲电流ipp，其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压uc以下；其后，随着脉冲电流按指数衰减，tvs管两极电压不断下降，最后恢复到起始状态。这就是tvs管抑制出现的浪涌脉冲功率，保护电子元件的过程。tvs

27、管的显著特点为：响应速度快(1012s级)、瞬时吸收功率大(数千瓦)、漏电流小(109a级)、击穿电压偏差小(5ubr与10ubr两种)、箝位电压较易控制(箝位电压uc与击穿电压ubr之比为1.21.4)、体积小等。它对保护装置免遭静电、雷电、操作过电压、断路器电弧重燃等各种电磁波干扰十分有效，可有效地抑制共模、差模干扰，是微电子设备过电压保护的首选器件。 1.概述 如果有需求请电话联系：李经qq:1336356556 随着科技的不断发展，人类已步入信息社会，计算机网络技术的普及越来越多的办公大楼、写字楼、医院、银行、宾馆等建筑离不开综合布线系统。配置综合布线系统，犹

28、如为建筑物建立了一个高速，大容量的信息传送平台，为建筑智能化提供了快速的信息通道。计算机、程控交换机、catv等微电子设备日益增多，而微电子器件承受雷电电磁脉冲能力较差，因此，雷害事故不断发生。我国每年因雷击破坏建筑物内计算机网络系统的事件时有发生，所造成的损失是非常巨大的。因此综合布线系统的防雷设计就显得尤其重要。我们知道雷电入侵电器设备的形式有两种：直击雷和感应雷。雷电直接击中线路并经过电器设备入地的雷击过电流称为直击雷；由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压，过电流形成的雷击称为感应雷。目前，在建筑物防雷系统设计上，是执行的国家标准建筑物防雷设计规范gb50057 94，设计

29、由避雷网(带)，避雷针或混合组成的接闪器，立柱基础的钢筋网与钢屋架，屋面板钢筋等构成一个整体，避雷网通过全部立柱基础的钢筋作为接地体，将强大的雷电流入大地。计算机系统安置在建筑物内，受建筑物防雷系统保护，直击雷击中计算机网络系统的可能性非常小，计算机设备抗直击雷能力很低，防护设备非常昂贵，通常不必安装防护直击雷的设备，而计算机网络必须防感应雷和雷电浪涌电压。 2.干扰途径与耦合机制 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

30、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。2.1干扰途径感应雷可由静电感应产生，也可由电磁感应产生，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：2.1.1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

31、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一： 表一 序号 干扰的类型 典型的起因 1 跌落 雷

32、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，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，空载电动机的断开如果有需求请电话联系：李经qq:1336356556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。2.1.2由计算机通信线路入侵；可分为三种情况：(1) 当地面突出物遭直击雷打击时

33、，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，击坏低压电子设备。2.1.3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

34、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。2.2耦合机制雷电冲击影响微电子设备构成系统的耦合机制有下面几种。 2.2.1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

35、值与传输阻抗成正比例。2.2.2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。2.2.3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。 2.2.4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如果有需求请电话联系：李经理138115

36、68528 qq:1336356556 。 3.弱电设备防雷措施 按照防护范围可将弱电设备的防雷措施分为两类，外部防护和内部防护。外部防护是指对安装弱电设备的建筑物本体的安全防护，可采用避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等措施，这种防护措施人们比较重视、比较常见，相对来说比较完善。内部防护是指在建筑物内部弱电设备对过电压（雷电或电源系统内部过电压）的防护，其措施有：等电位联结、屏蔽、保护隔离、合理布线和设置过电压保护器等措施，这种措施相对来说是比较新的办法，也不够完善，针对弱电设备防雷的特性机理，对雷电浪涌及地电位差的防护进行探讨。3.1弱电设备的外部防护 弱电设备的外部防护首先是使用建筑物

37、的避雷针将主要的雷电流引入大地；其次是在将雷电流引入大地的时候尽量将雷电流分流，避免造成过电压危害设备；第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉第笼，起到一定的屏蔽作用，如果建筑物中的设备是低压电子逻辑系统、遥控、小功率信号电路的电器，则需要加装专门的屏蔽网，在整个屋面组成不大于5m-5m,6m-4m的网格，所有均压环采用避雷带等电位连接；第四是建筑物各点的电位均衡，避免由于电位差危害设备；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷击建筑物时接点电位损坏设备。3.2弱电设备的内部保护 从emc（电磁兼容）的观点来看，防雷保护由外到内应划分为多级保护区。最外层为0级，是直接雷击区域，危

38、险性最高，主要是由外部（建筑）防雷系统保护，越往里则危险程度越低。保护区的界面划分主要通过防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成，从0级保护区到最内层保护区，必须实行分层多级保护，从而将过电压降到设备能承受的水平。一般而言，雷电流经传统避雷装置后约有50是直接泄入大地，还有50将平均流入各电气通道（如电源线，信号线和金属管道等）。随着微电子设备的大规模使用，雷电以及操作瞬间过电压造成的危害越来越严重。以往的防护体系已不能满足微电子设备构成的网络系统对安全提出的要求。应从单纯一维防护转为三维防护，包括：防直击雷，防感应雷电波侵入，防雷电电磁感应，防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多

39、方面作系统综合考虑。多级分级（类）保护原则：即根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定保护要点作分类保护；根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。 3.3电源部分防护 弱电设备的电源雷电侵害主要是通过线路侵入。高压部分有专用高压避雷装置，电力传输线把对地的电压限制到小于6000v（ieeeec62.41），而线对线则无法控制。所以，对380v低压线路应进行过电压保护，按国家规范应有三部分：建议在高压变压器后端到二次低压设备的总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器或保护器，作一级保护；在二次低压设备的总配电盘至二次低压设备的配电箱间电

40、缆内芯线两端应对地加装避雷器保护器，作二级保护；在所有重要的、精密的设备以及ups的前端应对地加装避雷器或保护器，作为三级保护。目的是用分流（限幅）技术即采用高吸收能量的分流设备（避雷器）将雷电过电压（脉冲）能量分流泄入大地，达到保护目的，所以，分流（限幅）技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系网络保护的关键，因此，选择合格优良的避雷器或保护器至关重要。3.4信号部分保护 对于信息系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。 4.综合浪涌保护系统组合 如果有需求请电话联系：李经qq:13363565

41、56 4.1.三级保护对于自动化控制系统的所需的浪涌保护应在系统设计中进行综合考虑，针对自动化控制装置的特性，应用于该系统的浪涌保护器基本上可以分为三级，对于自动化控制系统的供电设备来说，需要雷击电流放电器、过压放电器以及终端设备保护器。数据通信和测控技术的接口电路，比各终端的供电系统电路显然要灵敏得多，所以必须对数据接口电路进行细保护。自动化装置的供电设备的第一级保护采用的是雷击电流放电器，它们不是安装在建筑物的进口处，就是在总配电箱里。为保证后续设备不承受的剩余残压太高，所以必须根据对保护范围的性质，安装第二级保护。在下级配电设施中安装过电压放电器，作为二级保护措施，作为第三级保护是为了保

42、护仪器设备，采取的方法是，把过电压放电器直接安装在仪器的前端。自动化控制系统三级保护布置如图1所示；在不同等级的放电器之间，必须遵守导线的最小长度规定。供电系统中雷击电流放电器与过压放电器之间的距离不得小于10米，过压放电器同仪器设备保护装置之间的导线距离则不应低于5米。4.2.三级保护器件4.2.1.充有惰性气体的过电压放电器，是自动化控制系统中应用较广泛的一级浪涌保护器件。充有惰性气体过电压放电器，一般构造的这类放电器可以排放20千安（8/20）微秒或者2.5千安（10/350）微秒以内的瞬变电流。气体放电器的响应时间处于毫微秒范围，其被广泛的应用于远程通信范畴。该器件的一个缺点是它的触发

43、特性与时间相关，其上升时间的瞬变量同触发特性曲线在几乎与时间轴平行的范围里相交。因此保护电平将同气体放电器额定电压相近。而特别快的瞬变量将同触发曲线在十倍于气体放电器额定电压的工作点相交，也就是说，如果某个气体放电器的最小额定电压90伏，那么线路中剩余的残压可高达900伏。它的另一个缺点是可能会产生后续电流。在气体放电器被触发的情况下，尤其是在阻抗低、电压超过24伏的电路中会出现下列情况：即原来希望维持几个毫秒的短路状态，会因为该气体放电器继续保持下去，由此引起的后果可能是该放电器在几分之一秒的时间内爆碎。所以在应用气体放电器的过电压保护电路中应该串联一个熔断器，使得这种电路中的电流很快地被中

44、断。4.2.2.压敏电阻，压敏电阻被广泛作为系统中的二级保护器件，因压敏电阻在毫微秒时间范围内具有更快的响应时间，不会产生后续电流的问题。在测控设备的保护电路中，压敏电阻可以用于放电电流为2.5ka-5ka（8/20）微秒的中级保护装置。压敏电阻的缺点是老化和较高的电容问题，老化是指压敏电阻中二极管的p-n部分，在通常过载情况下，p-n结会造成短路，其漏电流将因此而增大，其值的大小取决于承载的频繁程度。其应用于灵敏的测量电路中将造成测量失真，并且器件易发热。压敏电阻大电容问题使它在许多场合不能应用于高频信息传输线路，这些电容将同导线的电感一起形成低通环节，从而对信号产生严重的阻尼作用。不过，在

45、30千赫兹以下的频率范围内，这一阻尼作用是可以忽略。 4.2.3.抑制二极管，抑制二极管一般用于高灵敏的电子回路，其响应时间可达微微秒级，而器件的限压值可达额定电压的1.8倍。其主要缺点是电流负荷能力很弱、电容相对较高，器件自身的电容随着器件额定电压变化，即器件额定电压越低，电容则越大，这个电容也会同相连的导线中的电感构成低通环节，而对数据传输产生阻尼作用，阻尼程度与电路中的信号频率相关。 5.过程通道抗干扰设计 如果有需求请电话联系：李经qq:1336356556 由自动化装置构成控制系统中必须妥善解决好接口信号的隔离，抑制传输过程中产生的各种干扰，才能使系统稳定可

46、靠运行。接口与过程通道是自动化装置和外部设备、被控对象进行信息交换的渠道，对于接口和过程通道侵入的干扰主要是因公共地线所引起，其次，在信号微弱和传输线路较长时还会受到静电和电磁波的干扰。目前在自动化控制系统中，对于数字输入信号，大部分都利用光电隔离器，也有一些使用脉冲变压器隔离和运算放大器隔离；对于数字输出信号也是主要采用光电隔离器。对于模拟量输入信号，则许多场合下采用调制-解调式隔离放大器、运算放大器等，模拟量输出信号隔离则可采用直流电压隔离法及变换隔离法等。5.1光电耦合技术光电偶合器件是利用光传递信息的，它是由输入端的发光元件和输出端的受光元件组成，输入与输出在电气上是完全隔离的。其体积

47、小、使用简便，可视现场干扰情况的不同，可以组成各种不同的线路对共模和长模干扰进行抑制。5.1.1应用于输入输出的隔离。光电耦合器用在输入、输出间隔离情况下，线路是很简单的，由于避免形成地环路，而输入与输出的接地点也可以任意选择。这种隔离的作用不仅可以用在数字电路中，也可以用在线性（模拟）电路中。5.1.2用于消除与抑制噪声 光电耦合器用于消除噪声是从两个方面体现的：一方面是使输入端的噪声不传递给输出端，只是把有用信号传送到输出端。另一方面，由于输入端到输出端的信号传递是利用光来实现的，极间电容很小，绝缘电阻很大，因而输出端的信号与噪声也不会反馈到输入端。使用光电耦合器时，应注意这种光电耦合器本

48、身有10-30pf的分布电容，所以频率不能太高；另外在接点输入时，应注意加rc滤波环节，抑制接点的抖动。另外，用于低电压时，其传输距离以100米以内为限、传输速率在10kbps以下为宜。5.2脉冲变压器隔离脉冲变压器原付边绕组匝数很少，分别绕制在铁氧体磁芯的两侧，分布电容仅几微微法，可作为脉冲信号的隔离器件。对于模拟量输入信号，由于每点的采样周期很短，实际上的采样波形也为一脉冲波形，也可实现隔离作用。这种脉冲变压器隔离方式，线路中也应加滤波环节抑制动态常模干扰和静态常模干扰，这种脉冲变压器隔离方式已被用于几兆赫的信号电路中。 5.3模/数变换隔离模/数变换隔离电路，在自动化控制系统中常在现场就

49、地进行模/数转换，利用模/数转换器将易受干扰的模拟信号转换为数字信号进行传输，在接收端在采用光电隔离，以增强其在信号传输过程中的抗干扰能力。而模/数转换器的安装位置，怎样才能有效地抑制干扰，是实际应用中很具体的问题。对于在工业生产现场应用的环境中，一是可以考虑将模/数转换器远离生产现场，放置主控室，二是将模/数转换器放在生产现场，远离主控室，两者各有利弊。将模/数转换器放置于主控室，便于把模/数转换器产生的数字信息传送到控制系统的处理器，而主机的控制信息传送给模/数转换器也很方便，因而利于转换器的管理。但由于模/数转换器远离生产现场，使得模拟量传输线路过长，分布参数以及干扰的影响增加，而且易引

50、起模拟信号衰减，直接影响转换器的工作精度和速度。将转换器放置于生产现场，虽然可解决上述问题，但数字信息传输线路过长，也不便于转换器的管理。这两种方案的主要问题还在于，在控制系统与控制对象之间存在公共地线，即使采用同轴电缆作为传输媒介，也会有产生现场的干扰进入计算机中，影响整个系统的可靠稳定工作。显然这两种方案都不适合于在现场环境工作。为了有效的解决工业生产环境下，采用光电隔离是比较行之有效的方案。为保证模/数转换器能可靠运行，并获得精确的测量结果，把模/数转换器放在靠近现场一侧。为了有效抑制干扰，采用双套光电偶合器，使得模/数转换器与主机之间的信息交换均经过两次电-光-电的转换。如图2所示；一

51、套光电耦合器放在模/数转换器一侧，一套光电耦合器放在主机一侧。系统中有三个不同的地端，一是主机与i/o接口公用的“计算机地”，一个是传输长线使用的“浮空地”，另一个是模/数转换器和被控对象公用的“现场地”。采用这种两次光电隔离的办法，把传输长线隔浮在主机与被控对象之间，不仅有效地消除了公共地线，抑制了由其引进的干扰，而且也有利于解决长线驱动与阻抗匹配的问题这样就保证了整个控制系统的可靠运行。 1.概述接地在电气技术中是指用导体与大地相连。在电子技术中的接地，可能就与大地毫不相关，它只是电路中的一个等电位。如电子设备中的地,它只是线路里的一个电位基准点。而在弱点设备的接地不但包含上述两种接地,还

52、有其它的接地。例如智能建筑中安装有多个子系统如通信自动化系统,火灾报警及消防联动控制系统,楼宇自动化系统,保安监控系统,办公自动化系统,闭路电视系统等,各个子系统对接地的理解和要求都不太相同。按接地的作用可分为功能性接地和保护性接地。为保证电气设备正常运行或电气系统低噪声接地,称为功能性接地,功能性接地又有工作接地、逻辑接地、信号接地和屏蔽接地等。为了防止人、畜或设备因电击而造成伤亡或损坏的接地称为保护性接地,保护性接地有保护接地、防雷接地和防静电接地。有弱点设备构成的系统这几种接地类型都会遇到。 2.电源工作接地 电子设备供电系统的接地关系到操作人员的人身安全和电子设备的安全稳定运行，电子设

53、备的供电系统的接地通常包括工作接地和保护接地。工作接地是系统电源某一点的接地，这个点通常是电源（变压器、发电机）的中性点，工作地的主要作用是使供电系统正常运行。而保护接地是供电系统负荷侧金属的电气设备外壳和敷设用的金属套管、线槽等电气装置外露不导电部分的接地。如果不做保护接地，故障电压可达系统的相电压；做了保护接地后故障电压仅为pe线和接地电阻（ra）上的电压降，大大的低于相电压，接地电阻（ra）还为故障电流id提供返回电源的通路，使保护电器及时切断电源，从而起到防电击和防电气火灾的保护作用。目前低压供电系统设计选用较多的接地系统有tn、tt系统。2.1工作接地的目的电力系统由于运行和安全的需

54、要,常将中性点(n线)接地,这种接地方式称为工作接地。工作接地有下列目的:2.1.1降低触电电压；在中性点不接地的系统中,当一相接地而人体触此及另外两相之一时,触电电压为相电压的1.732倍。而在中性点接地的系统中,触电电压就降低到等于或接近相电压。2.1.2迅速切断故障设备；如果有需求请电话联系：李经qq:1336356556在中性点不接地的系统中,当一相接地时,接地电流很小(因为导线和地面间存在电容和绝缘电阻,也可构成电流的通路)不足以使保护装置动作而切断电源,接地故障不易被发现,将长时间持续下去,对人身不安全。而中性点接地的系统中,一相接地后的接地电流较大(接近

55、单相短路)保护装置迅速动作,断开故障点。2.1.3降低电气设备对地的绝缘水平；在中性点不接地的系统中,一相接地时将使另外两相的对地电压升高到线电压。而在中性点接地的系统中,则接近于相电压,故可降低电气设备和输电线的绝缘水平,节省技资。为此本文分别对tn、tt系统作以分析。2.2tn系统tn系统的电源端中性点直接接地，用设备金属外壳、保护零线与该中性点连接，这种方式简称保护接零或接零制。按中性线（工作零线）与保护线（保护零线）的组合情况tn系统又分以下三种形式：2.2.1.tn-c系统；在tn-c系统中，由于pne线兼起pe线和n线的作用，节省了一根导线，但在pen线上通过三相不平衡电流i，其上

56、有电压降izpen使电气装置外露导电部分对地带电压。三相不平衡负荷造成外壳带电压甚低。并不会在一般场所造成人身事故，但它可能对地引起火花，不适宜医院、计算机中心场所及爆炸危险场所。tn-c系统不适用于无电工管理的住宅楼，这种系统没有专用的pe线，而是与中性线（n线）合为一根pen线，住宅楼内如果因维护管理不当使pen线中断，电源220v对地电压将如图1所示经相线和设备内绕组传导至设备外壳，使外壳呈现220v对地电压，电击危险很大。另外pen线不允许切断（切断后设备失去了接地线），不能作电气隔离，电气检修时可能因pen对地带电压而引起人身电击事故。tn-c系统中，不能装rcd（剩余电流动作保护器

57、），因为当发生接地故障时，相线和pen线的故障电流在电流互感器中的磁场互相抵消，rcd将检测不出故障电流而不动作，因此在住宅楼内不应采用tn-c系统。2.2.2.tn-s系统；在tn-s系统中，工作零线n和保护零线pe从电源端中性点开始完全分开，pe线平时不通过电流，只在发生接地故障时通过故障电流，故外露导电部分平时对地不带电压比较完全，但需要增加一根导线，由于设备设备外壳保护零线pe，正常工作时漏电开关无剩余电流，所以在相同短路保护灵敏度不够时，可装设漏电开关来保护单相接地。rcd对接地故障电流有很高的灵敏度，即使接触220v时，也能在数十毫秒的时间内切断以毫安计的故障电流，使人免于电击事故，但它只能对其保护范围内的接地故障起作用，不能防止从别处传导来的故障电压引起的电击事故。2.2.3.tn-c-s；tn-c-s是tn-c和tn-s两种系统的组合，如图2所示；第一部分是tn-c系统，第二部分是tn-s系统，分界面在n线与pe线的连接点。该系统一般用在建筑物有区域变电所供电引来的场所，进户线之前采用tn-c系统，进户处作重复接地，进户后变成ts-s系统，tn-c-s系统介于以上两者之间。根据低压配电设计规范有关条文，建筑电气设计当选用tn系统时应作等电位联结，消除自建筑外沿pen线或pe线窜入的危险故障电压，同时