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計算機設備雷擊電磁脈沖的防護
〖  所屬分類:技術文獻  點擊次數:3794次  更新時間:2007-5-29 13:27:08  〗

  雷電是常見的大氣層中強電磁干擾源,為了更好地防御雷擊電磁脈沖,不但要正確選擇機房位置,還應采取有效的等電位、屏蔽及過壓保護等措施。 
  一是大樓中機房位置的選擇,由雷電流的"集膚效應"可知,雷電流幾乎全部集中在外墻,而室內的磁場強度在電流流經的柱子附近最大,所以計算機房應放在建筑物的中間位置,而且還要避開大樓外側作為引下線的柱子。 
  二是機房內設備擺放的位置,由于雷電流有極大的峰值和陡度,在它周圍的空間出現瞬變電磁場,處在電磁場中的導體會感應出較大的電動勢。所以在機房內布置設備時,也應與外墻立柱保持一定的距離。 
  三是等電位連接技術,使用連接導線或過電壓(浪涌)保護器將防雷裝置和建筑物的金屬裝置、外來導線、電氣裝置等連接起來,以實現均壓等電位。 
  四是屏蔽措施,利用建筑物的金屬構架、門窗、地板等均相互焊(連)在一起;形成一個"法拉第籠",并與地網形成良好的電氣連接。屏蔽管線入戶一般要求采用地下電纜,其金屬護層要在兩端做良好接地。 
  五是雷電過電壓的保護,當雷電擊中電網或電網附近雷擊時,都能在線路上產生雷電過電壓。雷電過電壓沿著線路傳播進入機房內,造成計算機及相關設備損壞。電源系統應多級保護,逐級泄流,使殘壓限制在2倍U額定電壓值。雷電的瞬變電磁場,可在信號線路及其回路上感應產生過電壓,損壞相應的接口電路。因此實際安裝時,要求保護裝置靠近被保護設備,保護元件兩端采用雙絞線;使得耦合回路的總面積減少,減弱磁場耦合效應。 
  計算機的雷害是多方面的,只有采取綜合防雷保護措施,才能有效防止雷擊對計算機設備的損壞。 

  過壓保護原理 
  要保護電氣和電子系統重要的是在電磁兼容性保護區內設置一套包容全部有源導線在內的完整的電位補償系統。過壓保護裝置中放電器元件的物理特性在實際應用中既有優點,亦有缺點,因此采用多和元件組合的保護電路運用得更為廣泛。 
  近年來使用人員和保險公司要求在電氣和電子設備中安裝過壓放電器和雷擊電流放電器的呼聲越來越強烈,其原因是由過電壓造成的損失越來越多,而一代接一代的電器和設備卻越來越敏感。根據這種市場需求,在過去七到十年間有許多公司加強了對過壓保護的研究,因而有大量過壓保護產品系列的問世。 但是能滿足包括從具有當代技術水平的能傳導10/350us脈沖電流的雷擊電流放電器;用于二次配電的可插式過壓放電器;電器電源保護裝置直到電源濾波器所有技術要求的產品系列卻是極為少見的。同樣這種產品系列應該包括用于所有電路,即除電源外,還應包括用于測量、控制、調節技術電路和電子數據處理傳輸電路以及適用于無線和有線通訊的放電器,以便客戶使用。 簡單而草率地把放電器裝在各種線路中并不意味著最優的過壓保護。只有正確安裝才能使放電器達到預期效果。電位補償系統 放電器正常發揮效用的前提是將過壓而引起的電流以最短的途徑通過電位補償系統接地。因此,建立一個合格的電位補償系統至關重要。在安裝電位補償系統時,應使相互間必須進行信息交換的電路和電子設備與電位補償系統的導線連接保持最短距離。根據感應定理,電感量越大,瞬變電流在電路中產生的電壓越高;U=L·di/dt 電感量主要和導線長度有關,而和導線截面關系不大,因此,應使導線盡可能地短。多條導線的并聯連接可顯著地降低電位補償系統的電感量。為了將這兩條付諸實踐,理論上可以把應與電位補償裝置連在一起的所有電路和設備連在同一塊金屬板上;诮饘侔宓臉嬒朐谘a裝電位補償系統時可采用線狀、星狀或網狀結構。設計新的設備時原則上應只采用網狀電位補償裝置。將有源線路引入電位補償裝置 瞬變電壓或瞬變電流意味著其存在時間僅為微秒或毫微秒。 過壓保護的基本原理是,在瞬態過電壓存在的極短時間內,在被保護區域內的所有導電部件之間建立起一個等電位。這種導電部件也包括電路中的有源導線。人們需要響應速度快于微秒的元件,對于靜電放電甚至快于毫微秒。這種元件能夠在極短的時間間隔內,將非常強大直到高達數倍于十千安的電流導出。在預期的雷擊情況下按10/350us脈沖計算,電流高達50千安。通過完備的電位補償裝置,可以在極短的時間內形成一個等電位島,這個等電位島對于遠處的電位差甚至可高達數十萬伏。重要的是,在需要保護的區域內,所有導電部件都可認為具有接近相等或絕對相等的電位,因而不存在顯著的電位差。放電器的安裝及其作用 過壓放電器元件從響應特性來看,有軟硬之分。 屬于硬響應特性的放電元件有氣體放電管和放電間隙型放電器,二者要么是基于斬弧技術(Arc-Chopping)的角型火花隙,要么是同軸放電火花隙。屬于軟響應特性的放電元件有壓敏電阻和抑制二極管。所有這些元件的區別在于放電能力,響應特性以及殘余電壓。由于這些元件各有其優缺點,人們將其組合成特殊保護電路,以揚長避短。閃電電流和閃電后續電流需要放電性能極強的放電器。為了將閃電電流通過電位補償系統導入接地裝置,建議使用根據斬弧技術帶角型火花隙的雷擊電流放電器。只有用它才能傳導大于50千安的10/350us脈沖電流而且可以實現自動滅弧,這種產品的應用的額定電壓可達400伏。此外這種放電器當短路電流達4千安時,不會引起額定電流為125安的保險絲熔斷。 由于這些良好的參數的組合,使得在保護區域內安裝的儀器和設備的不間斷工作特性得以大大提高。特別要指出的是,這里不僅取決于幅值很高的電流可以進行處理,更重要的是脈沖形式起著決定性的作用。二者必須同時考慮。因此,雖然角型火花隙也能夠輸導最高達100千安的電流,但以其脈沖形式為縮短的(8/80us)。這種脈沖是沖擊電流脈沖,1992年10月以前作為開發雷擊電流放電器的基礎。 盡管雷擊電流放電器放電能力很好,但總有其缺點:其剩余電壓高達2.5至3.5千伏。因此,在整體安裝雷擊電流放電器時,應與其它的放電器組合使用。為了將強電流從數據處理電路以及測量、控制和調節技術電路中傳導出,可使用氣體放電管,常規的氣體放電管可以在試驗脈沖8/20us情況下,將10千安的電流傳導出。在這種信息線路中預期不會出現更為強大的放電電流,因為所接入導線的截面相對較小,通常也不再能承載較大的瞬態電流。氣體放電管的響應時間在毫微秒范圍中段,雖已應用于電信設備數十年,卻不光只有優點。 缺點之一是與時間相關的點火性能。上升時間長的瞬態電流使得保護電平會達到與氣體放電器額定電壓相應的水平。特別快的瞬態電流會在一點與點火特征曲線會合,此點的電壓是氣體放電管額定電壓的十倍。另一個缺點是,電壓大于12伏和電流大于100毫安時會產生電源后續電流,這種電源后續電流只有在預置保險絲熔斷的情況下才能消除,其結果是電路中斷。壓敏電阻其功能相當于很多與串聯和并聯在一起的雙向抑制二極管。工作原理如同與電壓相關的電阻。電壓超過規定電壓,壓敏電阻可以導電;電壓低于規定電壓,壓敏電阻則不導電。這樣壓敏電阻可起到很好電壓限位作用。壓敏電阻工作極為迅速,響應時間在毫微秒范圍下段。電源上常用的壓敏電阻可輸導極限可達40千安8/20us脈沖的電流。因而很適合做電源第二級放電器。但作為雷擊電流放電器則不合適。國際電子技術委員會IEC 1024-1文獻中記載,要處理脈沖為10/350us的電荷量,相當于8/20us脈沖情況下電荷量的200倍。Q(10/350)us=200×Q(8/20)us 從這條公式可以看出,不僅要注意放電電流的幅度,而且一定要注意脈沖形式,這是至關重要的。 壓敏電阻的缺點是易老化和電容較高,老化是指壓敏電阻內的二極管元件被擊穿。由于大多數情況下pn-結過載時會造成短路,依其負載的頻繁程度,壓敏電阻開始吸引泄漏電流,泄漏電流會在敏感的測試電路中引起測量數據誤差,同時,特別是在額定電壓高的電路中,會造成強烈發熱。壓敏電阻的電容高,使它在很多情況下不能在信號傳輸線路中使用。電容和導線電感形成一個低通電路,會使信號極大地衰減。但頻率大約在30千赫以下的衰減可以忽略不計。抑制二極管的優點是可以把剩余電壓限制到非常小的范圍并能迅速作出反應。響應時間可達微微秒范圍。抑制二極管用作過壓保護缺點是吸收能量的能力太小。額定電壓范圍大于60伏時,使用抑制二極管只有在特別情況下才有意義。額定電壓為230伏和110伏的電源不適宜使用抑制二極管。在這種情況下的放電能力,按8/20us脈沖計,只有幾十安培。電流強度超過此數,抑制二極管會短路,這意味著保險絲熔斷和電路斷開。 根據過壓保護的方案安裝放電器包含單個保護元件或者組合保護電路,又按安裝技術條件而集成一體的組合件(導軌安裝式、電源插座式、適配器)稱作放電器。 幾乎在所有情況下的過壓保護,至少應分成兩級。如電源,各個只包含一級保護的放電器,可安裝在不同的位置,同一放電器中也可能包含多級保護。為了達到有效的過壓保護,人們將需要保護的范圍,按不同的電磁兼容性分區,這個保護范圍,包括從閃電保護區0,過壓保護區1至3,直到干擾電壓保護區具有更高的序號。設置電磁兼容性保護區0到3,是為了避免因高能耦合而損壞設備。而序號更高的電磁兼容性保護則為防止信息失真和信息丟失而設置的。保護區的序號越高,預期的干擾能量和干擾電壓電平越低。需要保護的電氣和電子設備安裝在一個十分有效的保護圈內,這樣的保護圈可以針對單個的電子設備,也可以是一個裝有多個電子設備的空間,甚至一整棟樓,所有穿過通常具有空間屏蔽的保護圈的電線,在接到該保護圈的外圍設備的同時接過壓保護放電器。放電器的選擇取決于各個電路和參數。放電器的工作電壓以安裝在此電路中所有部件的額定電壓為準,而要達到的剩余電壓則根據安裝在此電路中所有部件的耐壓強度確定。耐壓強度按1.2/50us脈沖測試。并聯時,即在有源導線和地之間接上放電器時,則無需注意其額定電流,因為額定電流并不通過放電器。 電路裝有串聯放電器的情況下,必須注意其額定電流,在數據傳輸率很高的電路中,放器的衰減起著決定性的作用。至于專門為數據傳輸電路而設計的放電器,生產廠家已考慮到其傳輸速率。為達到最優化的過壓保護方案,用戶不僅需要與電氣和電子設備的規劃人員,同時也要與建筑設計人員及時對話。正是在設計規劃階段,注意到電磁兼容性的基本原理,可以大大降低成本,并最有效地達到過壓保護的目的。在此階段,確定網狀電位補償系統的設置,并為空間屏蔽和電氣及電子設備線路的布置奠定的基礎。按電路參數而挑選出的放電器,就很容易確定其合適的安裝位置了。需特別注意的是,只有符合專業規定及標準的安裝,才能使一個優秀而便于應用的過壓保護方案成功地付諸實踐。    
低壓供電系統的防雷防浪涌保護 
  雷電放電可能發生在云層之間或云層內部,或云層對地之間;另外許多大容量電氣設備的使用帶來的內部浪涌,對供電系統(中國低壓供電系統標準:AC 50Hz 220/380V)和用電設備的影響以及防雷和防浪涌的保護,已成為人們關注的焦點。 
  云層與地之間的雷擊放電,由一次或若干次單獨的閃電組成,每次閃電都攜帶若干幅值很高、持續時間很短的電流。一個典型的雷電放電將包括二次或三次的閃電,每次閃電之間大約相隔二十分之一秒的時間。大多數閃電電流在10,000至100,000安培的范圍之間降落,其持續時間一般小于100微秒。  
  供電系統內部由于大容量設備和變頻設備等的使用,帶來日益嚴重的內部浪涌問題。我們將其歸結為瞬態過電壓(TVS)的影響。任何用電設備都存在供電電源電壓的允許范圍。有時即便是很窄的過電壓沖擊也會造成設備的電源或全部損壞。瞬態過電壓(TVS)破壞作用就是這樣。特別是對一些敏感的微電子設備,有時很小的浪涌沖擊就可能造成致命的損壞。  

  供電系統浪涌的影響  
  供電系統浪涌的來源分為外部(雷電原因)和內部(電氣設備啟停和故障等):  
  # 雷擊對地閃電可能以兩種途徑作用在低壓供電系統上:  
  l 直接雷擊:雷電放電直接擊中電力系統的部件,注入很大的脈沖電流。發生的概率相對較低。  
  l 間接雷擊:雷電放電擊中設備附近的大地,在電力線上感應中等程度的電流和電壓。  
  # 內部浪涌發生的原因同供電系統內部的設備啟停和供電網絡運行的故障有關:  
  供電系統內部由于大功率設備的啟停、線路故障、投切動作和變頻設備的運行等原因,都會帶來內部浪涌,給用電設備帶來不利影響。特別是計算機、通訊等微電子設備帶來致命的沖擊。即便是沒有造成永久的設備損壞,但系統運行的異常和停頓都會帶來很嚴重的后果。比如核電站、醫療系統、大型工廠自動化系統、證券交易系統、電信局用交換機、網絡樞紐等。  
  直接雷擊是最嚴重的事件,尤其是如果雷擊擊中靠近用戶進線口架空輸電線。在發生這些事件時,架空輸電線電壓將上升到幾十萬伏特,通常引起絕緣閃絡。雷電電流在電力線上傳輸的距離為一公里或更遠,在雷擊點附近的峰值電流可達100kA或以上。在用戶進線口處低壓線路的電流每相可達到5kA到10kA。在雷電活動頻繁的區域,電力設施每年可能有好幾次遭受雷電直擊事件引起嚴重雷電電流。而對于采用地下電力電纜供電或在雷電活動不頻繁的地區,上述事件是很少發生的。  
  間接雷擊和內部浪涌發生的概率較高,絕大部分的用電設備損壞與其有關。所以電源防浪涌的重點是對這部分浪涌能量的吸收和抑制。  

  供電系統的浪涌保護  
  對于低壓供電系統,浪涌引起的瞬態過電壓(TVS)保護,最好采用分級保護的方式來完成。從供電系統的入口(比如大廈的總配電房)開始逐步進行浪涌能量的吸收,對瞬態過電壓進行分階段抑制。  
  [第一道防線] 應是連接在用戶供電系統入口進線各相和大地之間的大容量電源防浪涌保護器。一般要求該級電源保護器具備100KA/相以上的最大沖擊容量,要求的限制電壓應小于1500V。我們稱為CLASS I 級電源防浪涌保護器。 這些電源防浪涌保護器是專為承受雷電和感應雷擊的大電流和高能量浪涌能量吸收而設計的,可將大量的浪涌電流分流到大地。它們僅提供限制電壓(沖擊電流流過SPD時,線路上出現的最大電壓成為限制電壓)為中等級別的保護,因為CLASS I 級的保護器主要是對大浪涌電流的吸收。僅靠它們是不能完全保護供電系統內部的敏感用電設備。  
  [第二道防線] 應該是安裝在向重要或敏感用電設備供電的分路配電設備處的電源防浪涌保護器。這些SPD對于通過了用戶供電入口浪涌放電器的剩余浪涌能量進行更完善的吸收,對于瞬態過電壓具有極好的抑制作用。該處使用的電源防浪涌保護器要求的最大沖擊容量為45KA/相以上,要求的限制電壓應小于1200V。我們稱為CLASS II 級電源防浪涌保護器。一般的用戶供電系統作到第二級保護就可以達到用電設備運行的要求了(參見UL1449-C2的有關條款)。  
  [最后的防線] 可在用電設備內部電源部分使用一個內置式的電源防浪涌保護器,以達到完全消除微小瞬態的瞬態過電壓的目的。該處使用的電源防浪涌保護器要求的最大沖擊容量為20KA/相或更低一些,要求的限制電壓應小于1000V。對于一些特別重要或特別敏感的電子設備,具備第三級的保護是必要的。同時也可以保護用電設備免受系統內部產生的瞬態過電壓影響。

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