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◆直擊雷 ◆感應雷 ◆電湧及高電壓引入 ◆接地及地網 |
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| 弱電設備的雷電危害分析及保護（一） | ||
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摘 要：文中闡述了雷積雲的形成，對直擊雷、感應雷、雷電浪湧進行了分析，重點論述了雷電浪湧對弱電設備的危害，介紹了新型的微電子裝置防浪湧器件。
關鍵字：雷雲形成 雷電浪湧 抑制器件 1概述 防雷是一個老話題，但仍在不斷發展中，應該說現在尚無萬試萬靈的產品。防雷技術還有許多待探索的東西，目前雷雲起電的機理還不清楚，雷電感應的定量研究也很薄弱，因此防雷產品也在發展中，一些新研製開發的防雷產品其性能和效果，仍需以科學的態度在實踐中檢驗，並在理論上發展完善。由於雷電本身是小概率事件，需要大量長期的統計分析才能得到有益的結果，這需要各方的通力合作才能得以實現。 雷電是一種常見的大氣放電現象。在夏天的午後或傍晚，地面的熱空氣攜帶大量的水汽不斷地上升到高空，形成大範圍的積雨雲，積雨雲的不同部位聚集著大量的正電荷或負電荷，形成雷雨雲，而地面因受到近地面雷雨雲的電荷感應，也會帶上與雲底相反極性的電荷。當雲層裏的電荷越積越多，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。當雲層放電時，由於雲中的電流很強，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，從而產生衝擊波，這種強烈的衝擊波活動形成了雷聲。由於雷電釋放的能量相當大，它所產生的強大電流、灼熱的高溫、猛烈的衝擊波、劇變的靜電場和強烈的電磁輻射等物理效應給人們帶來了多種危害。 隨著科學技術進步，微電子技術的不斷發展；自動化水準也在不斷提高，自動控制系統在生產生活各個方面的使用越來越廣，微電子設備應用日益廣泛，人們在受益於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，在規劃設計自動控制系統的時，往往對自動控制系統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，設備損壞一般是巨大的，有的甚至使整個系統癱瘓，造成無可挽回的損失。一些微電子器件工作電壓僅幾伏，傳遞資訊電流小至微安級，對外界的干擾極其敏感，而雷電流產生的瞬變電磁場對微電子設備的干擾和損害尤為嚴重。在雷雨季節，自動化顯示系統、通信聯絡系統(Modem、載波機、程式控制交換機等)等常常損壞，造成較大的直接和間接經濟損失。儘管有些自動化系統採取了一定的防雷措施，但仍常出現由於雷擊發生使的弱電設備損壞,例如；變電站線路落雷，造成主控地與設備之間的電位差而損壞大量的保護設備；變電站的微波塔落雷，由於感應過電壓而損壞大量的通訊、遠動設備損壞。其主要原因是由於一次設備發生雷擊後在弱電設備造成的浪湧超過了設備承受的能力而損壞設備的，浪湧的主要形式是電源浪湧、信號浪湧。 雷擊是一種自然現象，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，對雷電的危害採取了一定的預防措施，有效地降低了雷害，採取正確、全面的防雷措施是保證弱電設備安全可靠運行的重要手段。 2.雷積雲的形成 人們通常把發生閃電的雲稱為雷雨雲，其實有幾種雲都與閃電有關，如層積雲、雨層雲、積雲、積雨雲，最重要的則是積雨雲，一般專業書中講的雷雨雲就是指積雨雲。雲的形成過程是空氣中的水汽經由各種原因達到飽和或過飽和狀態而發生凝結的過程。使空氣中水汽達到飽和是形成雲的一個必要條件，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。 但對雲的形成來說，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，積雨雲就是一種在強烈垂直對流過程中形成的雲。由於地面吸收太陽的輻射熱量遠大於空氣層，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於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，於是上升氣團中的水汽凝結而出現霧滴，就形成了雲。在強對流過程中，雲中的霧滴進一步降溫，變成過冷水滴、冰晶或雪花，並隨高度逐漸增多。在凍結高度（-10攝氏度），由於過冷水大量凍結而釋放潛熱，使雲頂突然向上發展，達到對流層頂附近後向水準方向鋪展，形成雲砧，是積雨雲的顯著特徵。 積雨雲形成過程中，在大氣電場以及溫差起電效應、破碎起電效應的同時作用下，正負電荷分別在雲的不同部位積聚。當電荷積聚到一定程度，就會在雲與雲之間或雲與地之間發生放電，也就是人們平常所說的“閃電”。 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，雷電災害頻繁發生，對國民經濟造成的危害日趨嚴重。我們應當加強防雷意識，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。 3.直擊雷、感應雷和浪湧 現代化的城市中高層建築日益增多，造成雷電擊穿空氣的距離縮短，因為雷擊的概率與建築的高度成正比，所以雷擊概率加大。同時，由於全球氣候變暖，城市熱島現象增多，使城市的大氣環流形勢出現了新特點，夏季雷暴期延長。而更重要的是，隨著科技的進步，微電設備被廣泛應用，城市通信電源大幅增多，城市電磁場發生變化，特別是微電子產品普遍絕緣強度低，過電壓耐受力差，容易遭受雷電侵襲，其中電腦網路、通訊指揮系統和公用天線都是重災區。從某種意義上說，科技越發達，雷擊對人們的威脅就越大。雷電危害可分成直擊雷、感應雷和浪湧三種。 3.1直擊雷 直擊雷在雷暴活動區域內，雷雲直接通過人體，建築物構架、動植物上，因電效應、熱效應和機械效應等造成建築物等損壞以及人員的傷亡。建築物或設備等對地放電所產生的電擊現象，稱之為直接雷擊。此時雷電的主要破壞力在於電流特性而不在於放電產生的高電位。雷電擊中人體、建築物或設備時，強大的雷電流轉變成熱能。雷擊放電的電量大約為25~100C。據此估算，雷擊點的發熱量大約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將灼傷人體，引起建築物燃燒，使設備部件熔化。在雷電流流過的通道上，物體水分受熱汽化而劇烈膨脹，產生強大的衝擊性機械力。該機械力可以達到5000~6000N，因而可使人體組織，建築物結構、設備部件等斷裂破碎，從而導致人員傷亡、建築物破壞，以及設備毀壞等 雷電流在閃擊中直接進入金屬管道或導線時，它們沿著金屬管道或導線可以傳送到很遠的地方。除了沿管道或導線產生電或熱效應，破壞其機械和電氣連接之外，當它侵入與此相連的金屬設施或用電設備時，還會對金屬設施或用電設備的機械結構和電氣結構產生破壞作用，並危及有關操作和使用人員的安全。雷電流從導線傳送到用電設備，如電氣或電子設備時，將出現一個強大的雷電衝擊波及其反射分量。反射分量的幅值儘管沒有衝擊波大，但其破壞力也大大超過半導體或積體電路等微電子器件的負荷能力，尤其是它與衝擊波疊加，形成駐波的情況下，便成了一種強大的破壞力。 3.2感應雷 感應雷是雷電在雷雲之間或雷雲對地放電時，在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電力線、設備間連接線產生電磁感應並侵入設備，使串聯在線路中間或終端的電子設備遭到損害。感應雷雖然沒有直接雷猛烈，但其發生的幾率比直擊雷高得多。感應雷的破壞也稱為二次破壞。雷電流變化梯度很大，會產生強大的交變磁場，使得周圍的金屬構件產生感應電流，這種電流可能向周圍物體放電，如附近有可燃物就會引發火災和爆炸，而感應到正在聯機的導線上就會對設備具有強烈的破壞性。 感應雷可分為以下兩類： 3.2.1靜電感應雷； 帶有大量負電荷的雷雲所產生的電場E將會在架空線路上感生出被電場束縛的正電荷。當雷雲對地放電或對雲間放電時，雲層中的負電荷在一瞬間消失了（嚴格說是大大減弱），那麼線上路上感應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生大電流衝擊，從而對電器設備產生不同程度的影響。 3.2.2電磁感應雷； 雷擊發生在供電線路附近，或擊在避雷針上會產生強大的交變電磁場，此交變電磁場的能量將感應於線路並最終作用到設備上（由於避雷針的存在，建築物上落雷機會反倒增加，內部設備遭感應雷危害的機會和程度一般來說是增加了），對用電設備造成極大危害。 3.3浪湧 雷電浪湧是近年來由於微電子設備的不斷應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。最常見的電子設備危害不是由於直接雷擊引起的，而是由於雷擊發生時在電源和通訊線路中感應的電流浪湧引起的。一方面由於電子設備內部結構高度集成化（VLSI晶片），從而造成設備耐壓、耐過電流的水準下降，對雷電（包括感應雷及操作過電壓浪湧）的承受能力下降，另一方面由於信號來源路徑增多，系統較以前更容易遭受雷電波侵入。浪湧電壓可以從電源線或信號線等途徑竄入微電子設備設備。我們就這電源浪湧和信號系統浪湧兩方面分別討論其對弱電設備的危害： 3.3.1電源浪湧； 電源浪湧並不僅源於雷擊，當電力系統出現短路故障、投切大負荷時都會產生電源浪湧，電網綿延千里，不論是雷擊還是線路浪湧發生的幾率都很高。當距你幾百公里的遠方發生了雷擊時，雷擊浪湧通過電網線路傳輸，經過變電站等衰減，到你的微電子設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備，但是對於微電子設備內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部元件受到損害一樣，隨著這些損害的加深微電子設備也逐漸變的越來越不穩定，或有可能造成您重要資料的丟失。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）內線上間發生的超出原工作電壓一倍以上的浪湧電壓次數達到800餘次，其中超過1000V的就有300餘次。這樣的浪湧電壓完全有可能一次性將電子設備損壞。 3.3.2信號系統浪湧； 信號系統浪湧電壓的主要來源是感應雷擊、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，會使傳輸中的資料產生誤碼，影響傳輸的準確性和傳輸速率。排除這些干擾將會改善網路的傳輸狀況. 目前，直擊雷造成的災害已明顯減少，而隨著城市經濟的發展，感應雷和雷電波侵入造成的危害卻大大增加。一般建築物上的避雷針只能預防直擊雷，而強大的電磁場產生的感應雷和脈衝電壓卻能潛入室內危及電視、電話及聯網微機等弱電設備。 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”。因隨著微電子設備應用的日益廣泛和普及，雷電會導致對微電子設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、感應雷、球形雷的認識比較高，防護也相對完善，但對雷電浪湧的防護意識和防護措施相對比較薄弱，為此完善對雷電湧的防護理論，開發研製新型的防雷電湧器件是E時代的基礎技術。 4.下一代電子裝置防浪湧器件 據統計，約75％的現場微電子設備故障因EOS(電氣過應力)而引起過電流或過電壓，因此電路設計人員應該注意導致EOS的原因，並提供適當的電路保護以確保設備安全可靠地工作。系統設計人員應該清楚地瞭解每一個電子設備的電壓和電流參數、以及特定電路和元器件的限制，在系統中設計低成本的電路保護器件。 4.1過流保護 現在可選擇幾種技術以提供過流保護，這些技術包括傳統的熔絲管（玻璃和陶瓷型）、薄膜保險絲和基於聚合物的正溫度係數（PTC）器件。 4.1.1表面安裝型保險絲； 薄膜保險絲屬於外形小巧類表面安裝元件，可為下一代電腦和電訊、資料通訊產品中的昂貴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，這些保險絲工作於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監視器、PDA和數據機匹配良好的緊湊設計。當前用薄膜技術設計出的最小保險絲尺寸為0402，允許的電流範圍從250mA∼2A。 4.1.2通用模組型保險絲（UMF）； 市場上現有的保險絲均遵循UL248或IEC技術規格，遵循IEC127標準設計的傳統5mm×20mm熔絲管已得到UL認證，並獲得UR（UL認證）證書，儘管IEC127－4標準概述了通用模組型保險絲（UMF）的技術規格，但目前市場上尚無得到任何IEC代理機構認證的表面安裝型保險絲。NAN02通用模組型保險絲是第一種滿足IEC127－4規範的產品，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； PTC可復位型保險絲的工作原理是，在過流情況下通過調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，並允許電流通過。這些特性使得PTC可復位保險絲在電池供電的電子產品和資料通訊應用中，成為理想的選擇，因為在更換電池或插拔資料連接時可能會出現瞬間浪湧電流。PTC可重定型保險絲通常在某些電路中取代傳統的玻璃保險絲，並主要用於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電路中過電流產生的熱量來實現保護功能，普通保險絲借助熔化來中斷電流，而PTC通過將低阻改變為高阻來限制電流。理解這兩種類型器件之間的差異將有助於選擇最好的電路保護器件。在選擇過流保護器件時，通常考慮以下4個因素。 4.2.1可復位性； 兩者最明顯的差異在於PTC是可復位的，通常過流發生後採取的步驟是先斷電，然後使器件冷卻下來。 4.2.2阻抗； 產品技術規格顯示，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。這個特性在設計用電池供電的設備時尤其突出，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。 4.2.3時間、電流特性； 比較PTC和保險絲的時間、電流曲線圖，PTC的回應速度比普通保險絲要慢得多，而這一點對保護電路中異常敏感的部分特別關鍵。 4.2.4尺寸； 普通保險絲的功率密度比PTC大得多，高達5A的保險絲已可採用0603封裝，2A的則採用0402封裝。最佳尺寸的表面安裝型PTC的最大額定電流為2、6A，採用1812封裝，業界主要製造商正在開發1206封裝，並致力於增加電流承載能力。 4.3過壓保護 在任何電子設備中都可能出現瞬態電壓，它通常是由電路故障、雷擊或ESD引發的。現在已開發出幾種提供過電壓電路保護的零配件，包括二極體、MOV、MLV、瞬態電壓抑制器和ESD抑制器。 4.3.1變阻器； 金屬氧化物變阻器（MOV）專為抑制汽車、電訊和交流電源應用中的過電壓而設計。MOV是一種電壓鉗位元元件，其阻抗與電壓有關，如電壓超過其閾值則其阻抗將變得非常小。MOV具有高的V－I非線性特性，反應速度快，能承受很高峰值電流，待機狀態下漏電流又較低。 MOV的主要用途是保護那些必須滿足"瞬態電壓浪湧抑制器"UL1449各項要求的產品免受雷電損害。一個附近的閃電放電可通過雲層到地或雲層到雲層感應出電磁場，這個電磁場能在原邊電路或副邊電路中感應出電壓。直接的閃電放電能在交流電網或電話線路上產生高的浪湧電壓。在敏感電路中安裝的MOV器件可以將雷擊帶來的不利影響最小化。 多層變阻器（MLV）較小，是一種適合保護可擕式和電腦設備中低電壓電路的表面安裝型無引線片式變阻器。同MOV一樣，在電壓超過其閾值時MLV就變得高度導電。MLV可以具有不同的電壓和電流額定範圍，以滿足各種應用要求，容值僅為10pF的新款0402MLV在移動電路中得到了極好的應用。 典型的變阻器主要是為工作於18V或更低電壓的電路板的應用設計的，這些表面安裝器件通常應用在移動通訊、電腦、醫療儀和可擕式設備中。 4.3.2瞬態電壓抑制器； 隨著電子工業界探索更多地提高效率和增加功能、降低產品成本和製造更緊湊可擕式產品的方法，新的設計趨勢是在單個封裝中整合更多不同類型的元件，以提供完整的電路保護解決方案。將過壓、過流保護器件、過溫、過壓保護器件和ESD抑制器整合在一起的新產品正在開發之中，它們將形成電路保護技術的又一次革命。瞬態電壓抑制器是另一種選擇，Surgector就是其中之一，它專為有線通訊系統提供二級保護。Surgector採用矽閘流技術以提供雙向鉗位保護，該器件可用來吸收通訊電路的瞬態波形和高峰值浪湧電流。Surgector有雙極性、單極性和編程式SCR3種類型，並採用表面安裝、D0214AA封裝和直插式TO－202封裝。 （1）ESD抑制器；現代電子系統（不論是便攜的、機載的，還是陸基的）中的高密度電路，都很容易受到靜電或ESD的侵害。人體能產生超過15kV的ESD，因此為了有效防止ESD侵害，要求許多新的電子設備必須滿足IEC61000－4－2標準。 傳統的鉗位二極體和多層變阻器（MLV）通常用來保護低速、高功耗固體電路，不過，隨著半導體製造技術的進步，市場正向低電壓、高速積體電路方向發展，這些具有較大寄生電容的器件可能會導致信號傳輸失真。目前一種從聚合物正溫度係數（PTC）技術發展而來的新器件，具有處理經常出現在IC之間的較大ESD脈衝的性能。 靜電（ESD）抑制器的聚合物結構使得製造商可生產出各種形狀的ESD抑制器，以滿足各種不同應用的需要。該器件具有小於1pF的電容，可提供良好的限制信號降級和衰減的性能，以保證高速資料線和下一代電池組電路設計中的資料線能正常工作。 （2）TVS管即瞬態電壓抑制器。 當其兩極受到反向瞬態高能量衝擊時，它能以10－12s量級的速度，將兩級間的高阻抗變為低阻抗，吸收高達數千瓦的浪湧功率，使兩極間的電壓箝位於一個預定值(一般小於2倍額定工作電壓)，有效的保護電子電路中的精密元器件免受各種浪湧脈衝的破壞。 TVS管的伏安特性；其正向特性與普通二級管相同，反向特性為典型的PN結雪崩器件。在瞬態脈衝電流的作用下，流過TVS管的電流，由原來的反向漏電流ID上升到 IR時，其兩極呈現的電壓由額定反向關斷電壓Uoff上升到擊穿電壓UBR，TVS管被擊穿。隨著峰值脈衝電流的出現，流過TVS管的電流達到峰值脈衝電流Ipp，其兩極的電壓被箝位元到預定的最大箝位元電壓Uc以下；其後，隨著脈衝電流按指數衰減，TVS管兩極電壓不斷下降，最後恢復到起始狀態。這就是TVS管抑制出現的浪湧脈衝功率，保護電子元件的過程。 TVS管的顯著特點為：回應速度快(10－12s級)、暫態吸收功率大(數千瓦)、漏電流小(10－9A級)、擊穿電壓偏差小(±5％UBR與±10％UBR兩種)、箝位元電壓較易控制(箝位元電壓Uc與擊穿電壓UBR之比為1.2∼1.4)、體積小等。它對保護裝置免遭靜電、雷電、操作過電壓、斷路器電弧重燃等各種電磁波干擾十分有效，可有效地抑制共模、差模干擾，是微電子設備過電壓保護的首選器件。
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