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監(jiān)控弱電設(shè)備的雷電危害分析及保護

  
評論: 更新日期:2014年09月13日

1概述
???   防雷是一個老話題,但仍在不斷發(fā)展中,應(yīng)該說現(xiàn)在尚無萬試萬靈的產(chǎn)品。防雷技術(shù)還有許多待探索的東西,目前雷云起電的機理還不清楚,雷電感應(yīng)的定量研究也很薄弱,因此防雷產(chǎn)品也在發(fā)展中,一些新研制開發(fā)的防雷產(chǎn)品其性能和效果,仍需以科學的態(tài)度在實踐中檢驗,并在理論上發(fā)展完善。由于雷電本身是小概率事件,需要大量長期的統(tǒng)計分析才能得到有益的結(jié)果,這需要各方的通力合作才能得以實現(xiàn)。
???    雷電是一種常見的大氣放電現(xiàn)象。在夏天的午后或傍晚,地面的熱空氣攜帶大量的水汽不斷地上升到高空,形成大范圍的積雨云,積雨云的不同部位聚集著大量的正電荷或負電荷,形成雷雨云,而地面因受到近地面雷雨云的電荷感應(yīng),也會帶上與云底相反極性的電荷。當云層里的電荷越積越多,達到一定強度時,就會把空氣擊穿,打開一條狹窄的通道強行放電。當云層放電時,由于云中的電流很強,通道上的空氣瞬間被燒得灼熱,溫度高達6000-20000℃,所以發(fā)出耀眼的強光,這就是閃電,而閃道上的高溫會使空氣急劇膨脹,同時也會使水滴汽化膨脹,從而產(chǎn)生沖擊波,這種強烈的沖擊波活動形成了雷聲。由于雷電釋放的能量相當大,它所產(chǎn)生的強大電流、灼熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的靜電場和強烈的電磁輻射等物理效應(yīng)給人們帶來了多種危害。
???    隨著科學技術(shù)進步,微電子技術(shù)的不斷發(fā)展;自動化水平也在不斷提高,自動控制系統(tǒng)在生產(chǎn)生活各個方面的使用越來越廣,微電子設(shè)備應(yīng)用日益廣泛,人們在受益于微電子的極大方便的同時,也受到其一旦損壞就損失巨大的困擾。實際中,在規(guī)劃設(shè)計自動控制系統(tǒng)的時,往往對自動控制系統(tǒng)的防雷未加考慮或考慮不夠的情況較多,一旦有雷電波侵入,設(shè)備損壞一般是巨大的,有的甚至使整個系統(tǒng)癱瘓,造成無可挽回的損失。一些微電子器件工作電壓僅幾伏,傳遞信息電流小至微安級,對外界的干擾極其敏感,而雷電流產(chǎn)生的瞬變電磁場對微電子設(shè)備的干擾和損害尤為嚴重。在雷雨季節(jié),自動化顯示系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)(Modem、載波機、程控交換機等)等常常損壞,造成較大的直接和間接經(jīng)濟損失。盡管有些自動化系統(tǒng)采取了一定的防雷措施,但仍常出現(xiàn)由于雷擊發(fā)生使的弱電設(shè)備損壞,例如;變電站線路落雷,造成主控地與設(shè)備之間的電位差而損壞大量的保護設(shè)備;變電站的微波塔落雷,由于感應(yīng)過電壓而損壞大量的通訊、遠動設(shè)備損壞。其主要原因是由于一次設(shè)備發(fā)生雷擊后在弱電設(shè)備造成的浪涌超過了設(shè)備承受的能力而損壞設(shè)備的,浪涌的主要形式是電源浪涌、信號浪涌。
???    雷擊是一種自然現(xiàn)象,它能釋放出巨大的能量、具有極強大的破壞能力。幾個世紀來,人類通過對雷擊破壞性的研究、探索,對雷電的危害采取了一定的預防措施,有效地降低了雷害,采取正確、全面的防雷措施是保證弱電設(shè)備安全可靠運行的重要手段。
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??? 2.雷積云的形成
???   人們通常把發(fā)生閃電的云稱為雷雨云,其實有幾種云都與閃電有關(guān),如層積云、雨層云、積云、積雨云,最重要的則是積雨云,一般專業(yè)書中講的雷雨云就是指積雨云。云的形成過程是空氣中的水汽經(jīng)由各種原因達到飽和或過飽和狀態(tài)而發(fā)生凝結(jié)的過程。使空氣中水汽達到飽和是形成云的一個必要條件,其主要方式有:水汽含量不變,空氣降溫冷卻;溫度不變,增加水汽含量; 既增加水汽含量,又降低溫度。   
???    但對云的形成來說,降溫過程是最主要的過程。而降溫冷卻過程中又以上升運動而引起的降溫冷卻作用最為普遍,積雨云就是一種在強烈垂直對流過程中形成的云。由于地面吸收太陽的輻射熱量遠大于空氣層,所以白天地面溫度升高較多,夏日這種升溫更為明顯,所以近地面的大氣的溫度由于熱傳導和熱輻射也跟著升高,氣體溫度升高必然膨脹,密度減小,壓強也隨著降低,根據(jù)力學原理它就要上升,上方的空氣層密度相對說來就較大,就要下沉。熱氣流在上升過程中膨脹降壓,同時與高空低溫空氣進行熱交換,于是上升氣團中的水汽凝結(jié)而出現(xiàn)霧滴,就形成了云。在強對流過程中,云中的霧滴進一步降溫,變成過冷水滴、冰晶或雪花,并隨高度逐漸增多。在凍結(jié)高度(-10攝氏度),由于過冷水大量凍結(jié)而釋放潛熱,使云頂突然向上發(fā)展,達到對流層頂附近后向水平方向鋪展,形成云砧,是積雨云的顯著特征?! ?br /> ???    積雨云形成過程中,在大氣電場以及溫差起電效應(yīng)、破碎起電效應(yīng)的同時作用下,正負電荷分別在云的不同部位積聚。當電荷積聚到一定程度,就會在云與云之間或云與地之間發(fā)生放電,也就是人們平常所說的“閃電”?! ?br /> ???    雷電以其巨大的破壞力給人類社會帶來了慘重的災難,尤其是近幾年來,雷電災害頻繁發(fā)生,對國民經(jīng)濟造成的危害日趨嚴重。我們應(yīng)當加強防雷意識,與氣象部門積極合作,做好預防工作,將雷害損失降到最低限度。
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??? 3.直擊雷、感應(yīng)雷和浪涌
???    現(xiàn)代化的城市中高層建筑日益增多,造成雷電擊穿空氣的距離縮短,因為雷擊的概率與建筑的高度成正比,所以雷擊概率加大。同時,由于全球氣候變暖,城市熱島現(xiàn)象增多,使城市的大氣環(huán)流形勢出現(xiàn)了新特點,夏季雷暴期延長。而更重要的是,隨著科技的進步,微電設(shè)備被廣泛應(yīng)用,城市通信電源大幅增多,城市電磁場發(fā)生變化,特別是微電子產(chǎn)品普遍絕緣強度低,過電壓耐受力差,容易遭受雷電侵襲,其中電腦網(wǎng)絡(luò)、通訊指揮系統(tǒng)和公用天線都是重災區(qū)。從某種意義上說,科技越發(fā)達,雷擊對人們的威脅就越大。雷電危害可分成直擊雷、感應(yīng)雷和浪涌三種。
???    3.1直擊雷
???    直擊雷在雷暴活動區(qū)域內(nèi),雷云直接通過人體,建筑物構(gòu)架、動植物上,因電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械效應(yīng)等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。建筑物或設(shè)備等對地放電所產(chǎn)生的電擊現(xiàn)象,稱之為直接雷擊。此時雷電的主要破壞力在于電流特性而不在于放電產(chǎn)生的高電位。雷電擊中人體、建筑物或設(shè)備時,強大的雷電流轉(zhuǎn)變成熱能。雷擊放電的電量大約為25~100C。據(jù)此估算,雷擊點的發(fā)熱量大約500~2000J。該能量可以熔化50~200mm3的鋼材。因此雷電流的高溫熱效應(yīng)將灼傷人體,引起建筑物燃燒,使設(shè)備部件熔化。在雷電流流過的通道上,物體水分受熱汽化而劇烈膨脹,產(chǎn)生強大的沖擊性機械力。該機械力可以達到5000~6000N,因而可使人體組織,建筑物結(jié)構(gòu)、設(shè)備部件等斷裂破碎,從而導致人員傷亡、建筑物破壞,以及設(shè)備毀壞等 如果有需求請電話聯(lián)系:李經(jīng)理13811568528 qq:1336356556??
???    雷電流在閃擊中直接進入金屬管道或?qū)Ь€時,它們沿著金屬管道或?qū)Ь€可以傳送到很遠的地方。除了沿管道或?qū)Ь€產(chǎn)生電或熱效應(yīng),破壞其機械和電氣連接之外,當它侵入與此相連的金屬設(shè)施或用電設(shè)備時,還會對金屬設(shè)施或用電設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用,并危及有關(guān)操作和使用人員的安全。雷電流從導線傳送到用電設(shè)備,如電氣或電子設(shè)備時,將出現(xiàn)一個強大的雷電沖擊波及其反射分量。反射分量的幅值盡管沒有沖擊波大,但其破壞力也大大超過半導體或集成電路等微電子器件的負荷能力,尤其是它與沖擊波疊加,形成駐波的情況下,便成了一種強大的破壞力。
???    3.2感應(yīng)雷
???    感應(yīng)雷是雷電在雷云之間或雷云對地放電時,在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電力線、設(shè)備間連接線產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備,使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損害。感應(yīng)雷雖然沒有直接雷猛烈,但其發(fā)生的幾率比直擊雷高得多。感應(yīng)雷的破壞也稱為二次破壞。雷電流變化梯度很大,會產(chǎn)生強大的交變磁場,使得周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流,這種電流可能向周圍物體放電,如附近有可燃物就會引發(fā)火災和爆炸,而感應(yīng)到正在聯(lián)機的導線上就會對設(shè)備具有強烈的破壞性。
???    感應(yīng)雷可分為以下兩類:
???    3.2.1靜電感應(yīng)雷;
???    帶有大量負電荷的雷云所產(chǎn)生的電場E將會在架空線路上感生出被電場束縛的正電荷。當雷云對地放電或?qū)υ崎g放電時,云層中的負電荷在一瞬間消失了(嚴格說是大大減弱),那么在線路上感應(yīng)出的這些被束縛的正電荷也就在一瞬間失去了束縛,在電勢能的作用下,這些正電荷將沿著線路產(chǎn)生大電流沖擊,從而對電器設(shè)備產(chǎn)生不同程度的影響。 如果有需求請電話聯(lián)系:李經(jīng)理13811568528 qq:1336356556??
???    3.2.2電磁感應(yīng)雷;
???    雷擊發(fā)生在供電線路附近,或擊在避雷針上會產(chǎn)生強大的交變電磁場,此交變電磁場的能量將感應(yīng)于線路并最終作用到設(shè)備上(由于避雷針的存在,建筑物上落雷機會反倒增加,內(nèi)部設(shè)備遭感應(yīng)雷危害的機會和程度一般來說是增加了),對用電設(shè)備造成極大危害。
???    3.3浪涌
???    雷電浪涌是近年來由于微電子設(shè)備的不斷應(yīng)用而引起人們極大重視的一種雷電危害形式,同時其防護方式也不斷完善。最常見的電子設(shè)備危害不是由于直接雷擊引起的,而是由于雷擊發(fā)生時在電源和通訊線路中感應(yīng)的電流浪涌引起的。一方面由于電子設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化(VLSI芯片),從而造成設(shè)備耐壓、耐過電流的水平下降,對雷電(包括感應(yīng)雷及操作過電壓浪涌)的承受能力下降,另一方面由于信號來源路徑增多,系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波侵入。浪涌電壓可以從電源線或信號線等途徑竄入微電子設(shè)備設(shè)備。我們就這電源浪涌和信號系統(tǒng)浪涌兩方面分別討論其對弱電設(shè)備的危害:
???    3.3.1電源浪涌;
???    電源浪涌并不僅源于雷擊,當電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障、投切大負荷時都會產(chǎn)生電源浪涌,電網(wǎng)綿延千里,不論是雷擊還是線路浪涌發(fā)生的幾率都很高。當距你幾百公里的遠方發(fā)生了雷擊時,雷擊浪涌通過電網(wǎng)線路傳輸,經(jīng)過變電站等衰減,到你的微電子設(shè)備時可能仍然有上千伏,這個高壓很短只有幾十到幾百個微妙,或者不足以燒毀微電子設(shè)備,但是對于微電子設(shè)備內(nèi)部的半導體元件卻有很大的損害,例如舊音響的雜音比新的要大是因為內(nèi)部元件受到損害一樣,隨著這些損害的加深微電子設(shè)備也逐漸變的越來越不穩(wěn)定,或有可能造成您重要數(shù)據(jù)的丟失。美國GE公司測定一般家庭、飯店、公寓等低壓配電線(220V/110V)在10000小時(約一年零兩個月)內(nèi)在線間發(fā)生的超出原工作電壓一倍以上的浪涌電壓次數(shù)達到800余次,其中超過1000V的就有300余次。這樣的浪涌電壓完全有可能一次性將電子設(shè)備損壞。 如果有需求請電話聯(lián)系:李經(jīng)理13811568528 qq:1336356556??
???    3.3.2信號系統(tǒng)浪涌;
???    信號系統(tǒng)浪涌電壓的主要來源是感應(yīng)雷擊、電磁干擾、無線電干擾和靜電干擾。金屬物體(如傳輸線)受到這些干擾信號的影響,會使傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼,影響傳輸?shù)臏蚀_性和傳輸速率。排除這些干擾將會改善網(wǎng)絡(luò)的傳輸狀況.
???    目前,直擊雷造成的災害已明顯減少,而隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展,感應(yīng)雷和雷電波侵入造成的危害卻大大增加。一般建筑物上的避雷針只能預防直擊雷,而強大的電磁場產(chǎn)生的感應(yīng)雷和脈沖電壓卻能潛入室內(nèi)危及電視、電話及聯(lián)網(wǎng)微機等弱電設(shè)備。
???    目前,雷電災害已被國際電工委員會(IEC)稱為“電子化時代的一大公害”。因隨著微電子設(shè)備應(yīng)用的日益廣泛和普及,雷電會導致對微電子設(shè)備多種不同形式的危害,而目前仍沒有任何一種辦法可以全面防止雷電的危害,只能通過各種有效的辦法可將雷害的程度降到最低,在多年的實際中人們對直擊雷、感應(yīng)雷、球形雷的認識比較高,防護也相對完善,但對雷電浪涌的防護意識和防護措施相對比較薄弱,為此完善對雷電涌的防護理論,開發(fā)研制新型的防雷電涌器件是E時代的基礎(chǔ)技術(shù)。
??? 4.下一代電子裝置防浪涌器件
???   據(jù)統(tǒng)計,約75%的現(xiàn)場微電子設(shè)備故障因EOS(電氣過應(yīng)力)而引起過電流或過電壓,因此電路設(shè)計人員應(yīng)該注意導致EOS的原因,并提供適當?shù)碾娐繁Wo以確保設(shè)備安全可靠地工作。系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)該清楚地了解每一個電子設(shè)備的電壓和電流參數(shù)、以及特定電路和元器件的限制,在系統(tǒng)中設(shè)計低成本的電路保護器件。
???    4.1過流保護
???    現(xiàn)在可選擇幾種技術(shù)以提供過流保護,這些技術(shù)包括傳統(tǒng)的熔絲管(玻璃和陶瓷型)、薄膜保險絲和基于聚合物的正溫度系數(shù)(PTC)器件。
???    4.1.1表面安裝型保險絲;
???    薄膜保險絲屬于外形小巧類表面安裝元件,可為下一代電腦和電訊、數(shù)據(jù)通訊產(chǎn)品中的昂貴IC提供過流保護。典型的移動電路一般都有多個為昂貴的VLSI電路提供過流保護的薄膜保險絲,這些保險絲工作于不同的額定電流和額定電壓下。表面安裝型保險絲(SMF)的典型封裝尺寸為1206(3.2 mm×1.6mm)和0603(1.6mm×0.8mm)。這些保險絲的最大允許電流為:1206型7安培,0603型5安培。這些片式保險絲可提供與電池組、移動電話、筆記本電腦、LCD監(jiān)視器、PDA和調(diào)制解調(diào)器匹配良好的緊湊設(shè)計。當前用薄膜技術(shù)設(shè)計出的最小保險絲尺寸為0402,允許的電流范圍從250mA~2A。
???    4.1.2通用模塊型保險絲(UMF);
???    市場上現(xiàn)有的保險絲均遵循UL248或IEC技術(shù)規(guī)格,遵循IEC127標準設(shè)計的傳統(tǒng)5mm×20mm熔絲管已得到UL認證,并獲得UR(UL認證)證書,盡管IEC127-4標準概述了通用模塊型保險絲(UMF)的技術(shù)規(guī)格,但目前市場上尚無得到任何IEC代理機構(gòu)認證的表面安裝型保險絲。NAN02通用模塊型保險絲是第一種滿足IEC127-4規(guī)范的產(chǎn)品,其額定電壓為125V,額定電流可為50mA、1A和1.6A。
???    4.1.3 PTC可復位型保險;如果有需求請電話聯(lián)系:李經(jīng)理13811568528 qq:1336356556??
???    PTC可復位型保險絲的工作原理是,在過流情況下通過調(diào)高自身電阻來保護電路免受損害,一旦電流恢復正常,PTC可復位保險絲能自動恢復到正常低阻值,并允許電流通過。這些特性使得PTC可復位保險絲在電池供電的電子產(chǎn)品和數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用中,成為理想的選擇,因為在更換電池或插拔數(shù)據(jù)連接時可能會出現(xiàn)瞬間浪涌電流。PTC可復位型保險絲通常在某些電路中取代傳統(tǒng)的玻璃保險絲,并主要用于USB。
???    4.2 PTC可復位保險絲和普通保險絲選用   
???    這兩種保險絲都借助感應(yīng)電路中過電流產(chǎn)生的熱量來實現(xiàn)保護功能,普通保險絲借助熔化來中斷電流,而PTC通過將低阻改變?yōu)楦咦鑱硐拗齐娏?。理解這兩種類型器件之間的差異將有助于選擇最好的電路保護器件。在選擇過流保護器件時,通??紤]以下4個因素?! ?br /> ???    4.2.1可復位性;
???   兩者最明顯的差異在于PTC是可復位的,通常過流發(fā)生后采取的步驟是先斷電,然后使器件冷卻下來。   
???    4.2.2阻抗;
???    產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格顯示,在額定值大致相同的情況下,PTC具有保險絲2倍以上的阻抗。這個特性在設(shè)計用電池供電的設(shè)備時尤其突出,高阻抗器件增加的電能消耗不僅會縮短電池的壽命,而且還將導致更頻繁的充電作業(yè)?! ?/p>

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