监控弱电设备的雷电危害分析及保护

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究的东西，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

度在施行中检验，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。在夏天的午后或黄

昏，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6000-200009，

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，这种激烈的冲击波

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、剧变的静电场和激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

平也在不断提升，自动控制系统在生产生活各个方面的使用越来越

广，微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庞大的困扰。实际中，在规划制定自动

控制系统的时，往往对自动控制系统的防雷未加合计或合计不够的状

况较多，一旦有雷电波侵入，设备损坏一般是庞大的，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、通信联系系统（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。无论有些自动化系统采用了

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，它能释放出庞大的能量、具有极

深大的破坏能力。几个世纪来，人类通过对雷击破坏性的研究、探究,

对雷电的危害采用？一定的预防措施，有效地降低了雷害，采用正确、

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。

人们通常把发生闪电的云称为雷雨云，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

是一种在激烈垂直对流过程中形成的云。由于地面汲取太阳的辐射热

量远大于空气层，所以白天地面温度升高较多，夏日这种升温更为显

然，所以近地面的大气的温度由于热传导和热辐射也跟着升高，气体

温度升高必定膨胀，密度减小，压强也随着降低，依据力学原理它就

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

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。

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。反射分量的幅值无论没有冲击波大，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，形成驻波的状况下，便成了一种强大的破坏力。

感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在四周的

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，使得四

周的金属构件产生感应电流，这种电流可能向四周物体放电，如四周

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

备具有激烈的破坏性。

感应雷可分为以下两类：

3.2.1静电感应雷；

3.2.2电磁感应雷；

雷击发生在供电线路四周，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。

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

在电源和通讯线路口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（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；

3.3.2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显然减少，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、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UEC）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、球形雷的

熟悉比较高，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。

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，因此电路制定人员应该注意导致EOS的

原因，并提供适当的电路保护以保证设备安全可靠地工作。系统制定

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，在系统中制定低成本的电路保护器件。

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(PTC)器件。

4.L1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，

这些保险丝工作于大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(3.2mmXXO.8mm)o这些保险丝的

最大同意电流为：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、笔记本电脑、LCD监视器、PDA和调制解

调器匹配合格的紧凑制定。当前用薄膜技术制定出的最小保险丝尺寸

为0402,同意的电流范围从250mA〜2A。

4.L2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标准制定的传统5mmX20mm熔丝管已得到UL认证，并获得

UR(UL认证)证书，无论IEC127—4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IEC127

一4规范的产品，其额定电压为125V,额定电流可为50mA、lA和1.6A。

PTC可复位型保险丝的工作原理是，在过流状况下通过

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，并同意电流通过。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，因为在改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检丝，

并主要用于USB。

4.2PTC可复位保险丝和一般保险丝选用

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，一般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，通常合计以下4个

因素。

4.2.1可复位性；

两者最显然的差异在于PTC是可复位的，通常过流发生后

采用的步骤是先断电，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状况下，PTC

具有保险丝2倍以上的阻抗。这个特性在制定用电池供电的设备时尤

其特别，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

度比一般保险丝要慢得多，而这一点对保护电路中异常敏感的部分特

别关键。

一般保险丝的功率密度比PTC大得多，高达5A的保险

丝已可采纳0603封装，2A的则采纳0402封装。最正确尺寸的表面

安装型PTC的最大额定电流为2、6A,采纳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ESI）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制定。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V

—I非线性特性，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。一个四周的闪电放

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

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，是一种合适保护便携式和电

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10pF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

板的应用制定的，这些表面安装器件通常应用在移动通讯、电脑、医

疗仪和便携式设备口。

随着电子工业界探究更多地提升效率和增加功能、降低

产品成本和制造更紧凑便携式产品的方法，新的制定趋势是在单个封

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，Surgector就是其中之一，它专为有线

通讯系统提供二级保护。Surgector采纳矽闸流技术以提供双向钳位

保护，该器件可用来汲取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，并采纳表面安

装、DO214AA封装和直插式T0-202封装。

[1）ESD抑制器；现代电子系统（不管是便携的、机

载的，还是陆基的）中的高发度电路，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IEC61000—4—2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

能会导致信号传输矢真。目前一种从聚合物正温度系数（PTC）技术

发展而来的新器件，具有处理常常出现在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IpF的电容，可提供合格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制定中的数据线能正常工作。

⑵TVS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10—12s

量级的速度，将两级间的高阻抗变为低阻抗，汲取高达数千瓦的浪涌

功率，使两极间的电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；其正向特性与一般二级管相同，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，其两极浮现的电

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

着峰值脉冲电流的匕现，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管抑制巳现的浪涌脉冲功率，保护电子元件的过程。

TVS管的显著特点为：响应速度快（10—12s级）、瞬时

汲取功率大（数千瓦）、漏电流小（10—9A级）、击穿电压偏差小（±5%

UBR与±10%UBR两种）、箝位电压较易控制（箝位电压Uc与击穿电压

UBR之比为1.2〜1.4）、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。

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等微弓子设备日益增多，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

损失是非常庞大的。因此综合布线系统的防雷制定就显得尤其重要Q

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，在建筑物防雷系统制定上，是执行的国家标准《建

筑物防雷制定规范》GB50057—94,制定由避雷网（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。计算机系统安排在建筑物内，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。

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。

由于设备采纳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，对干扰加乂抑制，降低其幅度，减少

其影响力，这是从外部环境上加以改善。

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庞大，计算机网

络系统及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"

干扰是指电源线与穴地，或中性线与大地之间的电位差。“差模”干扰

存在于电源相线与口性线之间。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状况可以从继续周期

很短暂的尖峰干扰到全失电之间的变化。

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.L2由计算机通信线路入侵；可分为三种状况：

(1)当地面特别物遭直击雷打击时，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)假设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，在接地体四周放射型的电位分

布，假设有连接电子设备的其他按地体靠近时，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雷

电流通过引下线入地，在四周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，保证计算机特别是计算机

网络系统的安全。

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关于远

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。如连接到系统参照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，磁场常常被建筑材料和四周的物体所衰

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四周产生一个

很强的电场，它对鞭状天线设备有影响，而关于建筑物内部电场干扰

一般可以忽略。

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，可采纳避雷针、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

以及钢筋可以作为太规则的法拉第笼，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，所有均压环采纳避雷带等电位连接；第四是建筑物各点的电位均

衡，避免由于电位差危害设备；第五是保证建筑物有合格的接地，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，必须执行分层多级保护,

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方面作系统综合合计。

多级分级（类）保护原则：即依据电气、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；

依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）技术即采纳高汲取能量的分流

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）技术中采纳防护器的品质、性能的好坏是

直接关系网络保护的关键，因此，选择合格合格的避雷器或保护器至

关重要。

3.4信号部分保护

关于信息系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级

依据所属保护区的级别确定，精细保护要依据电子设备的敏感度来进

行确定。

关于自动化控制系统的所需的浪涌保护应在系统制定

中进行综合合计，铲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，关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纳的是雷击电

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，所以必须依据对保护范围的性

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护仪器设备，采用的方法是，

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。

4.2.1.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状况下，尤其是在阻抗低、电压超

过24伏的电路中会出现以下状况：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坚持下去，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

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，在通常过载状况下，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。

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，关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，关于数字输入信号，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扩大器隔离；关于数字输出

信号也是主要采纳光电隔离器。关于模拟量输入信号，则许多场合下

采纳调制-解调式隔离扩大器、运算扩大器等，模拟量输出信号隔离

则可采纳直流电压隔离法及变幻隔离法等。

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。其体积小、使用简便，可视现场干扰状况的不同，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、

输出间隔离状况下，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，其传输晅离以100米以内为限、传输速率在10Kbps以下

为宜。

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。关于

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。

模/数变幻隔离电路，在自动化控制系统中常在现场就

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，在接收端在采纳光电隔离，以加强其在信号传输过

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。关于在工业生产现场应用的环

境中，一是可以合计将模/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，使得模拟量传输线经过长，分布参数以及干扰的影响增

加，而且易引起模拟信号衰减，直接影响转换器的工作精度和速度Q

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

经过长，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，即使采纳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

方案都不合适于在现场环境工作。为了有效的解决工业生产环境下，

采纳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，并获得准确的测量结果，把模/数转换器放在靠近现场一侧。为

了有效抑制干扰，采纳双套光电偶合器，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〃。采纳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。

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碰到。

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

制定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。工作接地有以下目的：

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。

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

够以使保护装置动作而切断电源,接地故障不易被发现，将长时间继

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。

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）的组合状况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，使外元浮现220V对地电压，电击危险很大。另外PEN

线不同意切断（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），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纳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线平常不通过电流，只在发生接地故障时通

过故障电流，故外露导电部分平常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，

进户线之前采纳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。

TT系统的电源端中性点直接接地，用电设备金属外壳

用保护地线接至与电源接地点无关的接地极。TT系统正常运行时，

用电设备金属外壳电位为零，当电气设备一相碰壳时，则短路电流较

TN系统小，通常不够以使相间短路保护装置动作。当人体偶然触及

带电部分时危险较大，当在干线首端及用电设备处装有RCD时可保证

安全。当变压器中性点和用电设备处接地电阻为4欧姆时，单相短路

电流为Ld=220/(4+4)=27.5A(线路阻抗不计)。不管干线首端或用

电设备处，当熔断器溶丝电流较大或自动开关瞬时脱扣器整定电流较

大时，均不能可靠动作。所以TT系统内往往不能采纳熔断器、低压

短路器作接地故障保护而需采纳漏电保护器。TT系统还有一个特点

是中性线N与保护地线PE无一点电气联接，即中性点接地与PE线接

地是分开的，所以天存在外部危险故障电压沿着PE进入建筑招致电

击事故发生。在TT系统内每栋建筑物各有其专用的接地极和PE线，

各栋建筑物的PE线互不导通，故障电压不致自一建筑物传导至另一

建筑物。但TT系统以大地为故障电流返回电源的通路，故障电流小,

必须采纳对接地故障反应灵敏的漏电保护器来防人身电击。这些系统

各有优缺点，需按具体状况选用。如果建筑物由供电部门以低压供电,

应按供电部门的要求采纳接地系统，以与地区的接地系统协调一致。

如果采纳TN-C-S系统，应注意从建筑物电源进线配电箱开始马上PEN

线分为PE线和中性线，使建筑物内不再出现PEN线，这是因为PEN

线因通过负荷电流而带有电位，容易产生杂散电流和电位差的缘故。

如果供电部门以10KV电压给住宅楼供电,且10/0.4KV

变电所即在建筑物内，则这栋建筑物只能采纳TN-S系统。因为采纳

TN-C-S系统将在建筑物内出现PEN线；TT系统则要求设置分开的工

作接地和保护接地，而在同一个建筑物内是很难做到两个分开的接

地，维护工作也是困难的。无论采纳哪种接地系统都必须按规范要求

作前述的等电位联结。

电子设备的系统工作接地是为了使电子设备以及与之

相连的仪器仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。它

分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，防爆系统中还有本安接

地。

3.1逻辑接地

将电子设备的金属板作为逻辑信号的参照点而进行的

接地，称为逻辑接地。它的作用是保证电路有一个统一的基准电位，

不致于浮动而引起信号误差。

各种电子电路，都有一个基准电位点，这个基准电位点

就是信号地。它的作用是保证电路有一个统一的基准电位，不致于浮

动而引起信号误差。信号地的连接是：同一设备的信号输入端地与信

号输出端地不能联在一起，而应分开；前级（设备）的输出地只有后级

（设备）的输入地相连。否则，信号可能通过地线形成在反馈，引起信

号的浮动。这在设备的测试中，信号地的连接尤其要引起注意。

3.3保护接地

3.4防雷接地

为把雷电流迅速导入大地，以防止雷害为目的的接地叫

作防雷接地。

3.5屏蔽接地

为使设备或布线达到电磁适应性要求而采用的屏蔽措

施的接地称为屏蔽接地。关于弱电设备电磁兼容制定是非常重要的，

为了避免所用设备的机能障碍，避免会出现的设备损坏，构成布线系

统的设备应当能够防止内部自身传导和外来干扰。因此对这些设备及

其布线必须采用保护屏蔽措施，免受来自各种方面的干扰。

3.6防静电接地

是本安仪表或安全栅的接地。这种接地除了抑制干扰外，

还有使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。本安接地会因为采

纳的设备的本实措施不同而不同。

安全栅的作用是保护危险现场端永远处于安全电源和

安全电压范围之内。如果现场端短路，则由于负载电阻和安全栅电阻

R的限流作用，会将导线上的电流限制在安全范围内，使现场端不致

于产生很高的温度，引起燃烧。第二种状况，如果计算机一端产生故

障，则高压电信号加入了信号回路，则由于齐纳二级的嵌位作用，也

使电压位于安全范围。

值得提醒的是，由于齐纳安全栅的引入，使得信号回路

上的电阻增大了许多，因此，在制定输出回路的负载能力时，除了要

合计真正的负载要求以外，还要充分合计安全栅的电阻，留有余地。

在一个系统中安装有大量的电子设备，这些设备分属于

不同的专系统，由于这些设备工作频率、抗干扰能力和功能等都不相

同，对接地的要求也不同。在实际工程制定和施工中，电子设备的信号

接地、逻辑接地、防静电接地、屏蔽接地和保护接地，一般合用一个

接地极，其接地电阻不大于4Q；当电子设备的接地与工频交流接地、

防雷接地合用一个接地极时，其接地电阻不大于1Q。屏蔽接地如单

独设置，则接地电阻一般为300Qo对抗干扰能力差的设备，其接地应

与防雷接地分开，两者互相距离宜在20nl乂内，对抗干扰能力较强的

电子设备，两者的距离可酌情减少，但不宜低于5m。当电子设备接地

和防雷接地采纳共同接地装置时，两者避免雷击时遭受反击和保证设

备安全，应采纳埋地铠装电缆供电。电缆屏蔽层必须接地，为避免产

生干扰电流，对信号电缆和1MHz及以下低频电缆应一点接地；对1MHz

以上电缆，为保证屏蔽层为地电位，应采纳多点接地。闭路电视和工业

电视都必须采纳一点接地。

在很多企业，特别是电厂、冶炼厂等，其厂区内有一个

很大的地线网，而通常供电系统的地是与地线网连在一起的。有的厂

家强调计算机系统的所有接地必须和供电系统