摘要：本文闡述了雷擊模擬電子設(shè)備的機(jī)理，SPD和類(lèi)型和選擇時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：雷擊 雷電波形 SPD

近年來(lái)，電子信息設(shè)備和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已深入各行各業(yè)，由于這類(lèi)設(shè)備的工作電壓和耐沖擊電壓水平低，極易受到雷電電磁脈沖的危害，從而使雷電災(zāi)害由電力和建筑物這兩個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展到幾乎所有行業(yè)，特別是通訊、信息技術(shù)數(shù)據(jù)中心，計(jì)算機(jī)中心以及微電子生產(chǎn)行業(yè)等由于雷電造成的危害尤為重要。另一方面，因?yàn)槔讚羰菣C(jī)率事件，這種影響尚未引起人們的注意，很多人認(rèn)為只要按照國(guó)家的建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范做好避雷針(帶)、引下線和接地裝置等建筑物內(nèi)外的防雷工作就“萬(wàn)事大吉”了。但實(shí)際上，當(dāng)雷擊現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，建筑物的外部防雷裝置確實(shí)有效地抵御了雷擊對(duì)建筑物的破壞，同時(shí)均勻的避雷引下線與建筑物接地的均壓環(huán)也起到法拉第網(wǎng)籠的作用，保證建筑物內(nèi)的人員不致因跨步電壓升高而導(dǎo)致觸電事故。

但這時(shí)當(dāng)雷電擊中建筑物防雷裝置或擊中附近其他建筑物的避雷針(帶)并由引下線導(dǎo)人大地時(shí)，瞬間內(nèi)在引下線自上而下的產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的變化磁場(chǎng)。處在這個(gè)電磁場(chǎng)作用下的導(dǎo)體，便會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生電壓，其數(shù)值也可達(dá)數(shù)十千伏，處在這個(gè)磁場(chǎng)作用范圍的電氣、信號(hào)、電源及它們的傳輸線路都因相對(duì)地切割了這個(gè)變化的磁場(chǎng)磁力線而產(chǎn)生出感應(yīng)高壓，從而將用電設(shè)備擊壞。如圖1所示，如果導(dǎo)體的形狀是開(kāi)口環(huán)形感應(yīng)電壓，便會(huì)把幾厘米長(zhǎng)的空氣間隙a、b擊穿發(fā)生火花放電。如果導(dǎo)體是一個(gè)閉合回路，感應(yīng)電壓會(huì)造成一個(gè)電流通過(guò)，假如回路上有接觸不良的接點(diǎn)，這些地方就會(huì)局部發(fā)熱。再有，由于雷電沖擊波的能量集中在工頻附近幾十赫茲到幾百赫茲的低端，雷電沖擊波能量就容易與工頻回路發(fā)生耦合、諧振，于是雷電沖擊波從電源線路進(jìn)入電子設(shè)備的機(jī)率要比從信號(hào)線中進(jìn)入的機(jī)率要高很多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有8%的雷擊損壞電子設(shè)備的事故是由電源引入的，因此應(yīng)特別加強(qiáng)系統(tǒng)中設(shè)備電源的防雷措施。

l雷擊電子設(shè)備的途徑及損壞機(jī)理

雷擊過(guò)電壓損壞設(shè)備可分為兩種情況，一種是受雷電直擊，另一種受感應(yīng)雷影響所致。據(jù)統(tǒng)計(jì)電子設(shè)備受雷電直擊而損壞的機(jī)率很小，而絕大多數(shù)損壞為感應(yīng)雷造成，雷電行波通過(guò)傳輸信息的電路線傳至電子設(shè)備使其某些電子元件受損。

還有一種情況值得重視的是電子設(shè)備附近的大地或其他設(shè)備的接地體，因受直擊雷引起的電位升高，會(huì)使電子設(shè)備造成反擊，使之對(duì)地絕緣擊穿。根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)電子設(shè)備的地線與電源設(shè)備的地線分開(kāi)設(shè)置是減少這種雷電侵入途徑的有效措施之一。所以凡聯(lián)結(jié)有輸人或輸出線路的電子設(shè)備應(yīng)考慮以上三條侵入途徑。不論那種途徑侵入的雷擊過(guò)電壓加在電子設(shè)備上沖擊引起兩種過(guò)電壓，一種是：使平衡電路某點(diǎn)出現(xiàn)超過(guò)允許的對(duì)地過(guò)電壓，稱(chēng)為縱向過(guò)電壓，地電位上升引起的反擊也屬于從地系統(tǒng)侵入的縱向過(guò)電壓;另一種是平衡電路線間或不平衡電路線對(duì)地出現(xiàn)的過(guò)電壓稱(chēng)為橫向過(guò)電壓。使用對(duì)稱(chēng)傳輸線的設(shè)備，橫向過(guò)電壓是因線路兩線間存在不同的縱向過(guò)電壓;或因縱向防護(hù)元件放電性能的分散性(如動(dòng)作時(shí)間有快慢的差別)是造成橫向過(guò)電壓的原因，如果在平衡線路上的兩個(gè)縱向防護(hù)元件，其中一路故障或失效這就造成了橫向過(guò)電壓的極限情況。對(duì)不平衡電路如對(duì)連接同軸電纜的電子設(shè)備其縱向過(guò)電壓即橫向過(guò)電壓。雷電沖擊過(guò)電壓可導(dǎo)致絕緣擊穿，也可產(chǎn)生過(guò)電流。進(jìn)行縱向雷擊試驗(yàn)的目的，在于檢驗(yàn)設(shè)備在縱向過(guò)電壓下元器件對(duì)地的絕緣。橫向雷擊試驗(yàn)則是檢驗(yàn)兩線間出現(xiàn)沖擊過(guò)電壓時(shí)設(shè)備耐受沖擊的能力。

在電子設(shè)備中，易受雷擊過(guò)電壓損壞的元部件，大多數(shù)是靠近設(shè)備的入口端，如縱向過(guò)電壓會(huì)擊穿線路和設(shè)備間起匹配作用的變壓器匝間、層間、或線對(duì)地絕緣等。橫向過(guò)電壓可隨信息同時(shí)傳至設(shè)備內(nèi)部，損壞設(shè)備內(nèi)的阻容元件及固體元件。設(shè)備中元器件受損的程度，取決于元器件絕緣水平，即耐受沖擊的強(qiáng)度，對(duì)具有白復(fù)能力的絕緣，擊穿只是暫時(shí)的，一旦過(guò)壓消失，即可恢復(fù)。有些非自復(fù)性的絕緣介質(zhì)，沖擊時(shí)只有小電流流過(guò)，一次沖擊不會(huì)立即中斷設(shè)備，但經(jīng)過(guò)多次沖擊，隨著多次沖擊的累積可能會(huì)使元件逐漸受損最終導(dǎo)致毀壞，這就是為什么在試驗(yàn)時(shí)要試驗(yàn)沖擊次數(shù)，極性和間隔的原因所在。

電子元件受雷擊損壞的情況，概括起來(lái)不外下列三種：(1)受過(guò)電壓損壞的，如電容器、變壓器及電子元件的反向耐壓。(2)受過(guò)電壓沖擊能量損壞的，如二極管PN結(jié)正向損壞，沖擊危險(xiǎn)程度在于流過(guò)元器件的過(guò)電流大小和持續(xù)時(shí)間，即能量大小。(3)易受沖擊功率損壞的，對(duì)元件的危害決定于沖擊電壓峰值和由此而產(chǎn)生的過(guò)電流。

2雷電波形

有關(guān)雷電沖擊波的描述是用波形參數(shù)說(shuō)明，它有峰值波前時(shí)間和下降半峰值時(shí)間。如圖2所示。觀測(cè)的數(shù)據(jù)和波形均具有統(tǒng)計(jì)特.硅，服從某種分布規(guī)律，從而統(tǒng)計(jì)出雷電流幅值，波頭、波尾、陡度、能量等概率分布。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在對(duì)線路結(jié)構(gòu)上或進(jìn)人電子設(shè)備的雷電沖擊波形進(jìn)行了很多觀測(cè)工作，獲得了大量的觀測(cè)資料。

一些國(guó)家通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)表了很多測(cè)試結(jié)果。因觀測(cè)的地理環(huán)境和條件的不同。即使在同樣條件下，觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)也不盡相同。早先，有些國(guó)家觀測(cè)得到的幾百個(gè)波形中，對(duì)主放電波形的敘述，當(dāng)不區(qū)另別第一次放電或隨后各次閃電時(shí)，一般認(rèn)為雷電流在1—4微秒上升到幅值，然后在40一50微秒內(nèi)下降到幅值的一半。這就是所謂傳統(tǒng)的雷電流波形。正極性閃電的電流波形一般較負(fù)極性閃電的波形平坦一些，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，上升到幅值的時(shí)間約數(shù)十微秒，下降到半值時(shí)間約為數(shù)百微秒。

圖2雷擊參數(shù)定義

在對(duì)雷電的研究中，需要在千千萬(wàn)萬(wàn)的實(shí)波形中找出典型波形并轉(zhuǎn)化為用數(shù)學(xué)式表示曲線。比較流行的代表曲線有兩種：

1.波頭部分用兩個(gè)指數(shù)曲線之差表示，其公式為：

用這公式表示的波形如圖3a，當(dāng)i=0時(shí)，電流上升速度di/dt最大;而當(dāng)電流逐漸增大時(shí)，di/dt逐漸減小;到了i=Im時(shí)，di/dt變?yōu)榱恪?/p>

2.波頭部分用余弦曲線表示其公式為：

用這公式表示的波形如圖3b，當(dāng)i=0時(shí)，di/dt=0;隨著電流上升，di/dt也上升;當(dāng)I=Im/2時(shí)，di/dt到達(dá)最大值;然后di/dt減小;當(dāng)i=Im時(shí)，di/dt降為零。

一般習(xí)慣于用兩個(gè)指數(shù)曲線之差的形式來(lái)表示雷電流波形，并且認(rèn)為這種表示方式和大多數(shù)實(shí)際測(cè)得的波形比較相似。但是經(jīng)過(guò)近年的觀測(cè)得到大多數(shù)的第一次主放電電流波形在其上升到幅值之前時(shí)比較緩慢，然后再轉(zhuǎn)入陡的部分，其波頭接近于用余弦來(lái)表示的波形。用余弦曲線表示時(shí)，因?yàn)槔纂娏髯畲蠖付瘸霈F(xiàn)在Im/2處，以此進(jìn)行雷擊的電位計(jì)算時(shí)可以得到較高的結(jié)果而偏于可靠。但是，余弦曲線計(jì)算較為繁瑣，因而往往簡(jiǎn)化為直線，也就是用斜角波來(lái)表示，通過(guò)最大陡度和平均陡度的轉(zhuǎn)化，可以使采用斜角波的計(jì)算結(jié)果和采用余弦波的計(jì)算結(jié)果基本一致。