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电子设备和电子网络系统防雷技术
摘要：国内外都已把防雷认为是一个系统工程：分为外部防雷（避雷针、避雷网带、引下线、接地体、法拉第笼）、内部防雷（法拉第笼、均压等电流等）和过电保护。广泛使用了优化接闪器，雷电流直接入大地，系统的低电阻地网，杜绝地面回路，采用SPD浪涌冲击防护，以实现信号和数据线的瞬变保护。
前 言
电子设备、电子系统运行以及各用电设备之间就和人类生活中一样，必须有一个和谐正常的工作秩序，不至于受外界干扰。相互间由于性能的改变，造成运行的不正常，以致损坏系统的现象。
这些不和谐的因素是由于这些电子设备和电子系统越来越趋于极效弱的信号下工作，信号工作频率越来越高，动作时间越来越短，电子设备的多功能化就、结构的复杂化、功率加大和频率的提高，灵敏度也越来越高。故对外界的电磁干扰和电子元器件的都会产生干扰（EMI）。
这些不和谐因素的产生，使彻底消除这些电磁干扰EMI无法实现。但是电子技术应用的广泛性是科学发展的必然，对于这些干扰的复杂性，根据电磁兼容（EMC）的原理，可以采用许多技术措施来减小EMI。将电磁干扰EMI控制在一定范围的参数内，从而来保证电子系统或电子设备的兼容性。
这些电磁干扰源主观来看，分为有意干扰和无意干扰；按性质可分为自然干扰和认为干扰，人为干扰中主要分为有意和无意干扰。
这个章节中我们主要谈的是自然干扰中的瞬态干扰。
一、 雷击产生的浪涌危害
雷击是人们广泛熟知的一种大自然的放电现象，但危害极大，具不完全统计：全球每年有数千人死伤于雷击事故。它的直击雷击电流最大值可达200kA，平均值都在30kA左右，能量之大，每次雷击所产生的能量大约为550000kW•h，温度之高可达3000K度（为太阳表面温度的5倍）。每年由于雷害事故全球的经济损失载入册的就有10亿美元，在欧美等国家每年有20~30%电子设备因感应雷而引起故障。
感应雷又称之为二次雷：是指雷击之间或雷击对地之间的放电，而在附近的传导体上产生的感应电压。这种电压通过传导体传送至设备，间接的毁坏电子设备及电子系统，特别是对通讯设备和电子计算机、网络系统的危害最大。据资料记载，80%以上微电子设备都是遭感应雷损坏的。
感应雷主要是指雷电波侵入，是雷电在放电时，在附近传导体上产生静电感应和电磁感应。在可能的情况下，传导体之间产生火花。雷电侵入指雷电放电时的强感电磁脉冲，雷电及击出雷电过电压波，可沿着传导体的线路和各种信号的进出线路进入室内，危及人体及设备，雷电的破坏表现形式是强大的电流、积热的高温、强烈的冲击波，剧变的电磁场及强大的电磁辐射。
一般感应雷击造成的电子系统及电子设备破坏性大致分为：
（一）、传输或存储的信号或数据，不管模拟电路或数字电路都会受到干扰和丢失，甚至造成设备误动作或短时系统停止。
（二）、虽然受到较小幅值的雷击冲击，元器件不至于马上烧毁，但远远降低了其性能和寿命。
（三）、若大幅值的雷电冲击，电子设备的线路板（接口板）及元件烧毁会立即瘫痪，曹成不可估量的损失。
综上所述，国内外都已把防雷认为是一个系统工程：分为外部防雷（避雷针、避雷网带、引下线、接地体、法拉第笼）、内部防雷（法拉第笼、均压等电流等）、过电保护。广泛使用了优化接闪器、雷电流直接入大地、系统的低电阻地网、杜绝地面回路以及采用SPD浪涌冲击防护，以实现信号和数据线的瞬变保护。
二、雷击的表现形式
（一）是带电的云层与大地上某一点之间发生迅速猛烈的放电现象这叫直击雷。
（二）带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围带上异种电荷。当直击雷发生后，云层带电迅速消失，而由于地面某些范围散流电阻大，以致云出现局部的高电压，或者在落雷的放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导电体产生电磁感应发生的高电压造成的闪击现象，我们称为“感应雷”，也叫“二次雷”。
（三）球形雷
一般在闪电后，以每秒2M的速度向前滚动，会在发生哨般的响声后出现嗡嗡声，遇到阻碍它会停止，有时也会越过阻碍，一般从烟囱，开着门或者窗户，甚至缝隙挤入。无障碍时，在室内来回滚动几次，能按原路返回。有时会综合消失掉，一旦碰到异电荷，如人畜时会发出爆炸声，同时发出刺激性的气味，一般为臭氧，致人畜死亡或者烧伤。我们要以科学的态度来认识“球形雷”。
1. 瞬时过电压
主要指雷击过电压——是一种天气物理现象，一次雷击是由一系列的云与云之间，云与地之间的放电形成。雷击过电压是指雷电直击击中电线或避雷针时，由于电阻耦合、电容耦合或电感耦合而引入电线，或直击击中某地造成不同地点之间的地电位不均衡等原因而在直流体和无源导体上产生的瞬态过电压，它的能量极大，一般放电电流在20-40kA，偶尔的雷暴则可达450kA。
第二种是操作大容量的开关电源造成的瞬时过电压。在电网中大中型感应设备和容性设备因分断等原因而产生的过电压。虽然它的过电压比雷电低得多，但出现在生产过程中很频繁，同样对电子设备产生不同程度的损害。
就电子计算机而言，系统所用的元器件耐瞬时过电压、过电流的能力很低，根据美国83年模拟实验统计，当雷闪电磁场升至0.07高斯时。计算机就会失效。当该磁场脉冲达到2.4高斯时，晶体管和集成电路便遭永久性破坏。
用10×20μs冲击波对TTL和CMOS 集成片实验时，TTL是30V、CMOS为40V左右。现在已进入21世纪，电子发展技术已上了几个阶段，可想它能承受的电压要低得多。这也意味着只要计算机系统附近遭雷击，计算机损坏便毋庸置疑，这样的实例在国内外举不胜举。
瞬时过电压对计算机系统造成危害的途径大致有三条：
（1）由传电的电网引入的。一般电力线上产生瞬时过电压的原因很多，如供电系统大容量的开关，分、合负荷的突变产生大的瞬时冲击，直击雷击中在电力线路（架空线路，地下电缆）或者在电力线附近落雷时产生的感应过电压，都能沿电力线路传入计算机内部，将计算机的多个接口烧坏。
（2）由数据通讯线路引入的过电压。熟知的中央处理器机和终端站间的通讯一般都是通过数据通信线路来完成，所以无论是地下电缆或架高电缆都会因直接雷或感应雷引起瞬间过电压，在交流电力线与通讯线路平行或接近时，也可将电力线上的过电压耦合至机内，由于雷电电磁脉冲LEMP也可通过通信线路传至计算机系统中，从而引起设备损坏。
（3）非常重要的一条：固地线安装不当或防护方法不对，会在雷电环境中引起计算机系统内部产生的电位差，形成反击而造成的危害。
随着电子技术的飞跃发展，电子设备和计算机系统日益成为瞬时过电压破坏的主要对象。所以如国际电工委员会（IEC）、国际电信联盟（ITU）等都制定相应的标准。我们国家也制定了标准，行业也制定了行业标准，同时制定了保护级别。
2.雷电电磁脉冲LEMP
我们国家制定的标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年）版第六章防雷击电磁脉冲中谈到了，雷击电磁脉冲是一种干扰源。作为发生源的闪电通道向周围很远的地方传输，一种是空间传输的辐射干扰，就是通过闪电通道和引导闪电电流的导电物体大部分起着辐射天线的作用，向空间闪出辐射电磁波；另一种是导线的传导干扰，雷电的电磁干扰EMI 是通过电力传输线、信导线、地下电缆或地上各类缆线、天馈线、各种类型的金属管道等导电体的传输。平时我们讲的复合干扰就是导体传输干扰和辐射干扰。
雷击形成的电磁干扰EMI对电气和电子设备及系统的侵入也是通过不同途径：
A． 各种电源线引入
B． 各种信号线引入和信号输出线引入
C． 辐射的电磁场侵入
由于雷击电磁脉冲包含雷电流，雷电电磁脉冲LEMP是雷击时产生的强大的闪电流和其电磁场，它的感应范围很大，对高大建筑物、人身和各种电气设备及各类型路线都会有不同强度的危害。
这种危害的产生就是雷电电磁脉冲的干扰；雷电电磁脉冲对建筑物内的干扰一般归类如下：
A． 雷电波的电磁辐射对建筑物内电力线路的电磁干扰EMI；
B． 雷电波的电磁辐射对建筑物内电子设备的电磁干扰EMI；
C． 当装设在建筑物的防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流对建筑物内电力线路的干扰；
D． 当装设在建筑物的防雷装置接闪时，强大的瞬间雷电流对建筑物内电子设备的干扰。
E． 由外部各种强、弱点架空线路或者是电缆线路传来的电磁波对建筑物内电子设备的干扰。
导论的理由是雷电快速瞬变的脉冲同时产生很强的辐射发射，从而就耦合到电缆、机壳和线路中。
为什么要对雷电电磁脉冲采取防护呢？
原因是：近年来现代电子技术日益向高效率、高精度、高灵敏度和高可靠的方向发展。大家熟知，电子设备非常灵敏，而耐压又低。比如由IEC实验证实，一般电子设备都不能承受±5V的电压波动。以各类计算机为例：当雷电电磁脉冲的磁场强度超过0.07Gs（高斯）时，就会引起计算机的误动作；当磁场强度超过2.4Gs（高斯）时，就会造成计算机的永久性损坏。
为防护雷电电磁脉冲的干扰，现在国内外常用的就是设计成笼式避雷网，它的原理是利用法拉第笼原理。由于建筑物用金属结构观比较普遍，用不了多少钢筋就很容易连接起来形成一个法拉第笼，从而就可将建筑物内的电子设备屏蔽起来。现在只要是工艺楼建筑上基本是“内部注混凝土，外墙板挂”。主要的工艺楼按使用的要求，半浇注半钢架和钢架做主体的；如果屏蔽做的较理想时，不仅能防御空间电磁波的辐射，而且还可使建筑物内部的分流和均压达到最佳效果，但如果要达到一定等级的屏蔽必须根据建筑物内电子设备的使用要求而定。
由于使用的要求不一样，设备的性质也不同，有的只对电子设备本身屏蔽，有的要求在设备与设备之间达到屏蔽，还有要求较高的场地，需要机房全屏蔽。
依据1995年国际电工委员会建筑防雷分委会（IEC/TC-81）在《雷电电磁脉冲的防护》的标准中就提出了防雷保护区方面的概念。故在工程师设计中就可按照微电子设备的多少、重要程度、主要的要求以及设备摆放的位置和相应的管线进出的具体布置情况来划分防雷区，从而取得较为理想的屏蔽、等电位和接地效果。
为什么我们在平时能听说“雷电发生在建筑物周围最大”呢？
因为防雷的引下线，做法是用钢筋混凝土板内的钢筋和整个建筑的金属门窗各管线等等形成的屏蔽网都在外墙上，雷电流必须经近处钢筋分流到大地上，导致墙处的电流密度大，电磁场强。
所以在设计机房时，建筑物中的电源和通信网络线等主要干线不应靠近外墙，最好设置在建筑物的中心位置，若中心设有电梯井，要设置在电梯井的附近。同时建筑物内的各种电力电气馈线都要穿过金属管或是金属线槽数设。电子设备所用的电气馈线和各类通讯网络线缆宜采用屏蔽电缆，特殊的地方应采用双层屏蔽缆线。在不停电电流的输入，输出和电子设备的配电设备处应加装SPD，以及滤波导装置。
本章开头我们就读到雷击产生的浪涌，对电子系统及电子设备的危害：它是通过耦合干扰来破坏电子设备的。
雷电对电子设备的危害不是因为直击雷击引起的，而是由于雷击对电源和通信线路上感应电压（电流）的瞬时冲击引起的。主要是近年来电子设备内的电子结构高度密集和高度集成化，各种芯片耐压耐过流的水平都很低，对雷电以及操作的瞬时过电压的承受能力都很低；另一方面由于信号来源的渠道路径增多，系统遭受雷击的耦合机会也增多。
现代化的大都市，密布的建筑群和各类金属塔都容易引雷。由雷电引起的浪涌电压（电流）可以通过电源线和通信线等途径窜入到电子设备。
当然浪涌电压（电流），不只是来源于雷电的电磁脉冲。还来自各种的电磁干扰（EMI），无线电干扰，静电放电干扰（ESD）等的信号干扰。一旦这些干扰信号进入电子设备中，不免对传输中的数据产生误码，影响传输的准确性和传输速率。如果我们了解和熟知这些干扰然后去消除它们，从而就改善了电子信息系统的网络传输，保证了运行中因传输线路引起的信号完整性。
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