陸億紅 浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)系(310014)
徐錦才 水利部農(nóng)村電氣化研究所(310012)
摘要：隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，各行各業(yè)都不同程度地建立了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通信手段也越來(lái)越好，同時(shí)，由于雷擊而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)與通信系統(tǒng)損壞的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。
本文將對(duì)現(xiàn)有的避雷器件作比較分析，設(shè)計(jì)實(shí)用、有效的避雷系統(tǒng)，并提出計(jì)算機(jī)與通信系統(tǒng)的防雷要點(diǎn)。
1、引言
早期的電信設(shè)備是用諸如繼電器、線(xiàn)圈和真空管等元件組成的，這些傳統(tǒng)元件對(duì)于突波干擾是有一定的免疫力，但是，隨著這些傳統(tǒng)元件被更先進(jìn)的元器件及設(shè)備，如數(shù)字環(huán)路載體、多路調(diào)制器等所代替，特別是隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各行各業(yè)都不同程度地建立了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)這些智能設(shè)備免遭系統(tǒng)瞬態(tài)
干擾的影響就變得更加重要。本文將對(duì)現(xiàn)有的避雷器件作比較分析，設(shè)計(jì)實(shí)用的避雷系統(tǒng)，并對(duì)計(jì)算機(jī)房和通信設(shè)備系統(tǒng)提出防雷要點(diǎn)�！�
2、避雷器件與特性分析
避雷器件是指能吸收由于雷擊或操作過(guò)電壓引起的脈動(dòng)能量，從而避免電子設(shè)備受損壞或避免壽命降低的器件，包括氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管和半導(dǎo)體放電管。
氣體放電管：氣體放電管由封裝在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距離的兩個(gè)電極組成。其電氣性能基本上取決于氣體種類(lèi)、氣體壓力以及電極距離。如果發(fā)生電壓沖擊，電極間會(huì)產(chǎn)生某種電弧，電離氣體放電的路徑是由高阻抗轉(zhuǎn)向低阻抗。該放電過(guò)程阻止一個(gè)更高的沖擊幅值，此處的弧電壓大約降低10～30V。氣體放電管受到瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-6s量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。
壓敏電阻：壓敏電阻或金屬氧化膜壓敏電阻允許標(biāo)志在其上的最大正弦交流工作電壓通過(guò)。任何高于這一標(biāo)志電壓值的電壓會(huì)被安全的轉(zhuǎn)換，受到瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-9s量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。壓敏電阻可用于中等較高的電壓沖擊場(chǎng)合。
抑制二極管：抑制二極管與普通齊納二極管(穩(wěn)壓管)的工作原理類(lèi)似。如果高于標(biāo)志在其上的擊穿電壓，二極管就會(huì)導(dǎo)通。與齊納管相比，抑制二極管(簡(jiǎn)稱(chēng)TVS)有更高的電流導(dǎo)通能力。TVS的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10-12s量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩�，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線(xiàn)路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。它比使用壓敏電阻進(jìn)行浪涌保護(hù)優(yōu)越得多。具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、體積小等特點(diǎn)。其功能有：
(1)將TVS二極管加在信號(hào)及電源線(xiàn)上，能防止微處理器或集成電路因瞬間的脈沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開(kāi)關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈。
(2)靜電放電效應(yīng)能釋放超過(guò)10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms；而一般的TTL器件，遇到超過(guò)30ms的10V脈沖時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。利用TVS二極管，可有效吸收對(duì)器件損壞的脈沖，并能消除由總線(xiàn)之間開(kāi)關(guān)所引起的雷擊等干擾。
(3)將TVS二極管連接在信號(hào)線(xiàn)及地之間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線(xiàn)受到不必要的噪音影響�！� TVS電壓-電流特性曲線(xiàn)如圖1(a)所示。它的正向特性與普通二極管相同；反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。圖1(b)是TVS的電流-時(shí)間和電壓-時(shí)間曲線(xiàn)�！�
在瞬態(tài)峰值脈沖電流作用下，流過(guò)TVS的電流，由原來(lái)的反向漏電流ID上升到IR時(shí)，其兩極呈現(xiàn)的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，TVS被擊穿。隨著脈沖峰值的出現(xiàn)，流過(guò)TVS的電流達(dá)到峰值脈沖電流IPP。在其兩極的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓以下，爾后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的整體過(guò)程�！�
TVS器件可以按極性分為單極性和雙極性?xún)煞N，按用途可分為各種電路都適用的通用型器件和特殊電路適用的專(zhuān)用型器件。如，各種交流電壓保護(hù)器、4～20mA電流環(huán)保護(hù)器、數(shù)據(jù)線(xiàn)保護(hù)器、同軸電纜保護(hù)器、電話(huà)機(jī)保護(hù)器等。若按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線(xiàn)二極管、雙列直插TVS陣列(適用多線(xiàn)保護(hù))、貼片式、組件式和大功率模塊式等�！�
半導(dǎo)體放電管：半導(dǎo)體放電管的工作狀態(tài)如同一個(gè)開(kāi)關(guān)。在斷開(kāi)狀態(tài)下，其漏電流IDRM極小(＜5μA)，不會(huì)影響與其并聯(lián)的被保護(hù)電路的正常工作。當(dāng)瞬間過(guò)電壓超過(guò)其斷態(tài)峰值電壓VDRM時(shí)，產(chǎn)生瞬間雪崩效應(yīng)，一旦瞬間電流超過(guò)開(kāi)關(guān)電流IS，其電壓即降為導(dǎo)通電壓VT(＜5V)，大量的瞬間浪涌電流就此傍路，因而保護(hù)了并聯(lián)的敏感電子線(xiàn)路。浪涌之后，當(dāng)電流降到最小維持電流IH值之下時(shí)，半導(dǎo)體放電管自然恢復(fù)，回到其阻斷狀態(tài)�！�
從以上分析可見(jiàn)：半導(dǎo)體放電管和TVS管反應(yīng)速度快，時(shí)間為10-12s級(jí)；壓敏電阻和氣體放電管的反應(yīng)速度相對(duì)而言較慢，時(shí)間分別為10-9s和10-6S，而吸收的能量要比半導(dǎo)體放電管和TVS管大。3、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)的避雷器設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)的避雷器主要是把雷擊或操作過(guò)電壓引起的暫態(tài)干擾能量及時(shí)泄放掉，保護(hù)
計(jì)算機(jī)與通信設(shè)備不受損壞，而在正常工作時(shí)不影響數(shù)據(jù)通信。其避雷器組成框圖如圖2所示。
圖中，一級(jí)、二級(jí)能量泄放模塊將雷擊或操作過(guò)電壓引起的暫態(tài)干擾中的大部分能量吸收泄放入地，而快速限壓模塊主要是及時(shí)削減干擾電壓，以免高電壓沖擊造成計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)內(nèi)集成塊永久性損壞。
因半導(dǎo)體放電管和TVS管反應(yīng)速度為10-12s級(jí)，壓敏電阻和氣體放電管的反應(yīng)時(shí)間分別為10-9s和10-6s，所以避雷器中快速限壓模塊一般采用半導(dǎo)體放電管或TVS管。一級(jí)能量泄放模塊采用氣體放電管，二級(jí)能量泄放模塊采用壓敏電阻�？紤]到雷擊或操作過(guò)電壓能量太大時(shí)，會(huì)引起避雷元器件爆裂或永久性損壞，避雷器可以增加熔絲保護(hù)。
具體的避雷元器件選取方法為：
壓敏電阻的選用：
對(duì)于過(guò)電壓保護(hù)方面的應(yīng)用，壓敏電壓值應(yīng)大于實(shí)際電路的電壓值，一般用以下公式計(jì)算： V1＝av/bc 式中a——電源電壓波動(dòng)系數(shù)，一般取1.2 v——電路直流工作電壓(交流時(shí)為有效值) b——壓敏電壓誤差，一般取0.85 c——元件的老化系數(shù)，一般取0.9
這樣計(jì)算得到的V1實(shí)際數(shù)值是直流工作電壓的1.5倍。在交流狀態(tài)下要考慮電壓峰值，因此計(jì)算結(jié)果
應(yīng)擴(kuò)大1.414倍，在應(yīng)用中可參考此公式通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。另外要考慮壓敏電阻的通流量的選取，通常產(chǎn)品給出的通流量是按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)給定的波形，沖擊次數(shù)和間隙時(shí)間進(jìn)行脈沖試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品壓敏電壓變化率小于初值的±10%所能承受的最大電流值。產(chǎn)品所能承受的沖擊數(shù)是波形、幅值和間隙時(shí)間的函數(shù)。當(dāng)電流波形幅值降低50%時(shí)沖擊次數(shù)可增加一倍，所以在實(shí)際應(yīng)用中，壓敏電阻器所吸收的浪涌電流應(yīng)小于產(chǎn)品的最大通流量，以使產(chǎn)品有較高的工作壽命�！ �
TVS的選用：
首先確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓，電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和“高端”容限。TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓，最大箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。TVS并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，由于分流作用而允許總電流增加；串聯(lián)時(shí)，總電壓為各個(gè)TVS壓降之和。對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適分布電容C的TVS器件。
半導(dǎo)體放電管的選用：
半導(dǎo)體放電管的VDRM值必須大于它所保護(hù)的最大工作電壓，VS值必須小于被保護(hù)器件所允許的瞬間峰值電壓，IPP必須大于計(jì)算機(jī)或通訊設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，并要考慮斷態(tài)分布電容的影響�！� 4、計(jì)算機(jī)房、通信系統(tǒng)防雷要點(diǎn)
計(jì)算機(jī)房、通信系統(tǒng)防雷主要由外部防雷系統(tǒng)和內(nèi)部防雷系統(tǒng)兩部分組成。外部防雷包括空氣截雷系統(tǒng)即避雷針或避雷帶、引下線(xiàn)或接地系統(tǒng)，外部防雷系統(tǒng)應(yīng)在建筑物設(shè)計(jì)、建筑施工階段給予高度重視，以便利用建筑物自身的金屬構(gòu)件達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的防雷目的；內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是對(duì)建筑物內(nèi)易受過(guò)電壓破壞的設(shè)備，如計(jì)算機(jī)及其通信口、電話(huà)機(jī)、復(fù)印機(jī)、UPS、數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)及空調(diào)機(jī)等電子設(shè)備加裝過(guò)電壓保護(hù)裝置，在設(shè)備受到過(guò)電壓侵襲時(shí)，保護(hù)裝置能快速動(dòng)作將能量泄放，從而保護(hù)設(shè)備不受損壞。具體防雷要點(diǎn)為：
4.1機(jī)房的防雷接地要求
感應(yīng)雷侵入機(jī)房及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的途徑主要有三方面：于交流380V、220V的電源線(xiàn)進(jìn)入、信號(hào)傳輸通道引入、地電位反擊等。為了確保機(jī)房設(shè)備及電腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，以及保障機(jī)房工作人員有安全工作環(huán)境，根據(jù)我國(guó)及國(guó)際有關(guān)規(guī)范規(guī)定，機(jī)房所在的整個(gè)樓房建筑體的接地應(yīng)按均壓等電位原則設(shè)計(jì)，即電子設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地(包括屏蔽接地和建筑物防雷接地)共同合用一組接地體的聯(lián)合接地方式，機(jī)房為防止地電位反擊，其接地電阻不應(yīng)大于1Ω。
4.2機(jī)房及信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)
(1)配電系統(tǒng)采取防雷措施。
(2)計(jì)算機(jī)外設(shè)采取防雷措施，即電源進(jìn)線(xiàn)并聯(lián)壓敏電阻和TVS管，形成過(guò)電壓防護(hù)，信號(hào)線(xiàn)采用信號(hào)防雷器引入，信號(hào)防雷器可根據(jù)圖2所示的原理構(gòu)成�！�
(3)通訊系統(tǒng)的信號(hào)線(xiàn)經(jīng)電纜或穿管(埋地)引入室內(nèi)，在交換機(jī)或Modem之前，經(jīng)過(guò)信號(hào)防雷器，將信號(hào)送至收信設(shè)備。到達(dá)收信設(shè)備(傳真機(jī)、電話(huà)機(jī)等)后，再采用信號(hào)防雷器進(jìn)行最末端的防護(hù)。
(4)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采取防雷措施，主機(jī)由UPS供電，UPS經(jīng)過(guò)過(guò)電壓防護(hù)插座插入電源插座，終端服 務(wù)器如果由UPS供電，防護(hù)方法同上；如果電源直接取自市電插座，則也必須經(jīng)過(guò)過(guò)電壓防護(hù)插座插入市電電源插座。主機(jī)及服務(wù)器的輸出接口經(jīng)過(guò)信號(hào)防雷器再與網(wǎng)絡(luò)連接，如需集中監(jiān)控，監(jiān)控器電源進(jìn)線(xiàn)也需經(jīng)過(guò)過(guò)電壓防護(hù)插座再插入電源插座，控制信號(hào)線(xiàn)經(jīng)過(guò)信號(hào)防雷器再與網(wǎng)絡(luò)連接。作過(guò)電壓引起的暫態(tài)干擾能量及時(shí)泄放掉，保護(hù)計(jì)算機(jī)與通信設(shè)備不受損壞，而在正常工作時(shí)不影響數(shù)據(jù)通信。其避雷器組成框圖如圖2所示�！�
圖中，一級(jí)、二級(jí)能量泄放模塊將雷擊或操作過(guò)電壓引起的暫態(tài)干擾中的大部分能量吸收泄放入地，而快速限壓模塊主要是及時(shí)削減干擾電壓，以免高電壓沖擊造成計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)內(nèi)集成塊永久性損壞。
