數(shù)據(jù)線浪涌抑制與保護

1、數(shù)據(jù)線浪涌抑制與保護RestrainandProtectionofData-lineSurgeLIQuan-Jing1GAOJian-wen2YANGDong-liang3SHANGHua（1ZaozhuangMeteorologyBureauinShandongProvince,ZaozhuangShan電力干擾（尖峰脈沖、浪涌或瞬變電壓浪涌）對用電設(shè)備和數(shù)據(jù)具有很大的威脅，干擾、設(shè)備性能降低以及損壞都會造成系統(tǒng)停機。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，通信線路上瞬變電壓浪涌的影響日益重要。通信線路無論是從地上還是地下進入建筑物，都會給家庭設(shè)備或企業(yè)設(shè)備帶來較大的瞬變電壓。各種耦合作用（通過磁場從一個

2、系統(tǒng)向另一系統(tǒng)傳輸電能）產(chǎn)生的瞬變電壓浪涌可能會對建筑物內(nèi)的通信接口造成嚴(yán)重?fù)p壞1-2o由于產(chǎn)生瞬變電壓浪涌的形式很多，因此對輸入線路應(yīng)用單極浪涌抑止保護，可能無法完全保護內(nèi)部線路和設(shè)備免受瞬變電壓的影響。1數(shù)據(jù)線瞬變電壓浪涌危害在討論瞬變電壓浪涌可能會對數(shù)據(jù)線產(chǎn)生的具體影響時，了解數(shù)據(jù)線的基本概念及其如何以電的形式傳輸數(shù)據(jù)非常重要。據(jù)線是導(dǎo)電的通信電纜，上面?zhèn)魉陀械碗娖诫妷?，用于在相連的設(shè)備之間進行通信。常見的數(shù)據(jù)電纜包括同軸電纜、CAT5以太網(wǎng)電纜和電話線等。通過數(shù)據(jù)線將不同的電壓電平從傳輸設(shè)備發(fā)送到電纜另一端的接收設(shè)備,數(shù)據(jù)就可從一臺設(shè)備傳送到另一臺設(shè)備3o接收設(shè)備會對電壓電平進行處理，

3、對其進行解釋并將其轉(zhuǎn)換成設(shè)備可以理解和遵循的數(shù)據(jù)。盡管數(shù)據(jù)線的發(fā)展趨勢是只傳送較低的電壓電平，但數(shù)據(jù)線仍然是由導(dǎo)電材料構(gòu)成，因此也會像其他導(dǎo)線一樣受到瞬變電壓浪涌和尖峰脈沖的影響。通常，瞬變電壓浪涌是指在非常短的時間內(nèi)偏離所要求的電壓電平（對于計算機設(shè)備而言為信號）的現(xiàn)象。這種不期望發(fā)生的偏離可能會導(dǎo)致計算機設(shè)備無法正常運行甚至出現(xiàn)故障。一些使用數(shù)據(jù)線進行通信的設(shè)備只能在非常低的電壓閾限下工作，如果電壓電平高于額定電平，設(shè)備很容易受到損壞。而且，瞬變電壓浪涌的產(chǎn)生來源比較復(fù)雜，這意味著任何設(shè)備配置都不能避免瞬變電壓的影響。圖1顯示了由佛羅里達電力公司完成的一項研究結(jié)果，將電源質(zhì)量問題分為不同類

4、別，閃電占電源質(zhì)量問題的15%,供電公司配電站進行電網(wǎng)切換所產(chǎn)生的瞬變電壓僅占5%,而由辦公設(shè)備產(chǎn)生的瞬變電壓占所有電源質(zhì)量問題的60%o瞬變電壓的產(chǎn)生可以出現(xiàn)在任何導(dǎo)體上，如市電電線、電話線、數(shù)據(jù)線和信號線等。大多數(shù)局域網(wǎng)（LAN）所采用的數(shù)據(jù)線類型包括RS-232.RS-422、以太網(wǎng)和令牌環(huán)電纜、閉路電視線、監(jiān)視報警系統(tǒng)線路和CNC/機械工具接口線等。2瞬變電壓浪涌產(chǎn)生因素作為瞬變電壓浪涌的一種類型，尖峰脈沖是指電壓短時間過高的現(xiàn)象，時間通常以毫秒計。任何導(dǎo)電線路都很容易發(fā)生這種不期望的電能過剩現(xiàn)象4。瞬變電壓的能量可能非常巨大，會損壞設(shè)備，或由于不正確電壓電平發(fā)出錯誤的信號而導(dǎo)致設(shè)備無

5、法正常運行。由微處理器和其他集成電路驅(qū)動的設(shè)備尤其容易受到瞬變電壓浪涌的危害。不同來源產(chǎn)生的感應(yīng)耦合作用通常是數(shù)據(jù)線電壓瞬變的原因。與AC電源瞬變電壓的直接產(chǎn)生機理相比人們對數(shù)據(jù)線感應(yīng)耦合瞬變電壓的產(chǎn)生機理了解相對較少。只要有電流流過導(dǎo)體材料，就會產(chǎn)生磁場。如果將第2個導(dǎo)體置于第1個導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場內(nèi)，只要磁場發(fā)生變化，就會在第2個導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)電流。使磁場產(chǎn)生電流和感應(yīng)電壓是變壓器的基本工作原理，例如市電線路中使用的變壓器。變壓器的初級線圈產(chǎn)生1個向外擴散的磁場，這會在次級線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓?；谕瑯拥脑恚ㄖ飪?nèi)彼此相鄰的電線之間也會由于磁場耦合產(chǎn)生瞬變電壓。耦合可能是由于電源線引起的，這

6、會在相鄰的數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，也可能發(fā)生在數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)線之間，通常稱為串?dāng)_。閃電會產(chǎn)生非常巨大的磁場耦合作用，一次放電就可瞬間破壞多臺設(shè)備。閃電擊地時周圍存在非常強的磁場，這個磁場會在戶外電線中產(chǎn)生感應(yīng)電流，而無需直接擊中電線就會傳導(dǎo)雷電電流。更重要的是，如果閃電距離工廠設(shè)施非常近的話，還會在其磁場穿過的內(nèi)部數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生感應(yīng)瞬變電壓，這種瞬變電壓會干擾線路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，或損壞相連的設(shè)備。盡管線路間或閃電產(chǎn)生的耦合作用是數(shù)據(jù)線產(chǎn)生瞬變電壓的2種普遍原因，但是還有許多其他的耦合原因，會對工廠設(shè)施內(nèi)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施造成損害。在規(guī)劃或檢查工廠設(shè)施內(nèi)部數(shù)據(jù)線的配線時，應(yīng)注意以下感應(yīng)耦合因素5:一是垂在電力

7、線路上方的數(shù)據(jù)線；二是鄰近避雷導(dǎo)地體的數(shù)據(jù)線（導(dǎo)地體是建筑物內(nèi)用于將閃電釋放出的電流從建筑物傳導(dǎo)到地面的線路或結(jié)構(gòu)）；三是靠近建筑鋼材，尤其是在避雷導(dǎo)地體附近的數(shù)據(jù)線；四是緊鄰熒光燈的數(shù)據(jù)線。以上是數(shù)據(jù)線產(chǎn)生感應(yīng)耦合的一些主要原因，但對于具體工廠設(shè)施來說，還要考慮以下因素：當(dāng)今工廠設(shè)施或一些家庭中的很多用電設(shè)備都采用了集成電路和微處理器技術(shù)。因為集成電路和微處理器具有一些相同的特性，所以此類設(shè)備對瞬變電壓浪涌尤為敏感。此類用電設(shè)備包括計算機及其外設(shè)、計算機和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（如LAN）、電訊設(shè)備、醫(yī)療診斷設(shè)備、CNC生產(chǎn)機械、無線電設(shè)備、電視、衛(wèi)星電視設(shè)備、電子收款機、復(fù)印機、傳真機等。很多此類設(shè)備通

8、常會連有特定形式的數(shù)據(jù)線以便通信。基于IC（集成電路）的機器對瞬變電壓敏感性的決定因素有3個：一是IC與電路板線路之間的間隙。對基于IC的設(shè)備來說，影響其對瞬變電壓敏感性的第1個常見因素就是集成電路元件與電路板線路之間的間隙極小。在很多情況下，這種間隙比頭發(fā)絲還要細(xì)很多。電流通過導(dǎo)線或線路通過電路板。這些線路包括IC的內(nèi)部和外部線路以及電路板本身上的線路有特定的熱脹冷縮范圍。電流流過電路板元件時會由于發(fā)熱而引起膨脹，電流中斷后則會引起收縮。如果這些線路產(chǎn)生瞬變電壓，就可能引起線路過熱，造成電路板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)細(xì)微裂紋，從而導(dǎo)致正常情況下相互絕緣的線路導(dǎo)電。這會引起內(nèi)部短路，可能使設(shè)備無法工作。在有些

9、情況下，這些細(xì)微裂紋不會立即造成損壞但是由于元件的經(jīng)常膨脹和收縮裂紋會慢慢擴大，或產(chǎn)生更多的裂紋，隨時間推移會逐漸導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障直至無法工作6o二是適用的工作電壓限制范圍。影響IC敏感性的第2個因素是IC設(shè)備運行的工作電壓越來越低。隨著計算機元件尺寸的減小和效率的提高，為了節(jié)省電能，運行這些元件所需的工作電壓越來越低。一些內(nèi)部計算機設(shè)備常用的5.0VDC工作電壓已經(jīng)降低到3.3VDC,并且可能還會繼續(xù)降低。這意味著基于IC的系統(tǒng)可以承受的電壓范圍也同時降低。如果基于3.3VDC勺系統(tǒng)的電壓電平由于瞬變電壓而增加到5.0VDC,就很容易造成損壞。三是使用脈沖周期同步特定操作。對基于IC的設(shè)備來

10、說，影響其靈敏性的第3個因素是使用脈沖周期來同步內(nèi)部元件操作。大多數(shù)計算機操作都通過脈沖周期進行同步，脈沖周期由特定頻率的電壓脈沖決定。有時，EMI可以在特定頻率上接近計算機的脈沖周期，這會導(dǎo)致計算機將這些假的脈沖周期解釋為命令。這些假命令會導(dǎo)致很多邏輯錯誤，表現(xiàn)為鍵盤鎖定、程序崩潰或系統(tǒng)鎖定等。換個角度說,EMI（感應(yīng)耦合作用也稱為電磁干擾）可能會導(dǎo)致計算機錯過某些有效命令，從而產(chǎn)生類似問題。3瞬變電壓引發(fā)的常見故障在用電設(shè)備中由瞬變電壓引發(fā)的最常見的故障有3種：一是干擾影響。由于感應(yīng)耦合產(chǎn)生的瞬變電壓通過數(shù)據(jù)線或電源線傳入設(shè)備時，通常會引起干擾，電子元件很可能將瞬變電壓處理為有效的邏輯命令

11、。結(jié)果會導(dǎo)致系統(tǒng)鎖定、運行故障、輸出錯誤、文件丟失或損壞以及其他問題。二是性能影響。這與對IC元件的重復(fù)應(yīng)力有關(guān)。IC的構(gòu)造材料可以承受一定量的重復(fù)電平浪涌，但無法長期承受。長期的性能下降將最終導(dǎo)致這些元件無法工作。三是破壞影響。這包括高電平的瞬變電壓導(dǎo)致設(shè)備立即出現(xiàn)故障的所有情況。通常還會伴隨明顯的物理損壞，如PC主板和元件燒毀或破損，電子元件的熔毀或其他明顯跡象。4瞬變電壓抑制和保護瞬變電壓浪涌是指所需的電壓或信號發(fā)生暫時但通常幅度很大的變化。瞬變電壓的變化幅度越大，用電設(shè)備受到干擾或破壞的可能性就越大。如前文所述，瞬變電壓可以在任何導(dǎo)電材料中產(chǎn)生，因此它們不僅會影響與市電線路連接的設(shè)備，

12、還會影響與電話線、以太網(wǎng)線、同軸電纜、串行通信電纜等連接的設(shè)備。浪涌保護設(shè)備（SPD）可以削弱這些浪涌的幅度以保護設(shè)備免遭破壞。但是,SPD沒有必要將浪涌降低到零振幅。SPD只是將瞬變電壓降低到一個可以安全地傳遞到連接的電氣負(fù)載的水平。這是因為在設(shè)備中電源的閾值可能發(fā)生變化，并且為保證所連接的設(shè)備能夠連續(xù)運行而將電壓削弱到零是不切實際的。因此，SPD會將瞬變電壓削弱到一個合理的水平，以符合保護設(shè)備的要求。一些更高端SPD還提供噪聲過濾功能，以減少電源波形中受到由EMI引起的干擾，阻止其傳遞到所連接的設(shè)備?？傊?SPD會阻止具有破壞性的瞬變電壓浪涌電平到達所保護的設(shè)備。SPD通過吸收過剩的電壓、

13、將其分流或者組合使用這2種手段，達到削弱浪涌電壓的目的。SPD吸收能量（并且根據(jù)它們的質(zhì)地好壞，可以防止浪涌，但仍然會受到損壞），或者將電壓分流到設(shè)備接地線中。在大多數(shù)情況下，SPD會將吸收和分流瞬變電壓浪涌的設(shè)備組合使用。4.1瞬變電壓抑制方法4.1.1鉗位。鉗位是SPD用于限制瞬變電壓的一項功能，這一過程是由SPD內(nèi)部組件將瞬變電壓降低到所保護的相連用電設(shè)備可接受的較低電壓電平。在經(jīng)過SPD的瞬變電壓浪涌削弱電路后，傳遞到相連用電設(shè)備的能量被稱為“通過電壓”。同樣對于大多數(shù)SPD來說，此過程都不會將瞬變電壓降低到0V,或者降低到連接的負(fù)載正常工作所需要的電平以下。過分將瞬變電壓削弱到所需電

14、平以下會導(dǎo)致SPD本身承擔(dān)不必要的負(fù)擔(dān)。金屬氧化物變阻器（MOV壓敏電阻）是SPD中最常使用的一個組件。MOV是具有特殊半導(dǎo)體屬性的非線性電阻。在瞬變電壓浪涌進入線路之前，MOV將保持在非導(dǎo)電狀態(tài)，允許電源正常通過。瞬變電壓浪涌進入線路之后，MOV開始導(dǎo)電，將過剩電壓傳到地。隨著電流的增加，鉗位電壓的值也會增加，這樣保證傳到設(shè)備的“通過電壓”處于可接受的水平，直到瞬變電壓浪涌平息為止。MOV®常與熱敏保險絲結(jié)合使用，熱敏保險絲位于電源線路和所保護的設(shè)備之間，在出現(xiàn)災(zāi)難性瞬變電壓浪涌時可以切斷所連接設(shè)備的電源。如果瞬變電壓非常大，持續(xù)時間很長，它可能會達到MOV的峰值工作電壓，此時MO

15、V會處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。如果出現(xiàn)此故障，熱量可能會導(dǎo)致熱敏保險絲（通?？拷蜻B接到MOV）斷開電流，從而阻止向所保護的設(shè)備進一步供電。MOV生能十分穩(wěn)定，這也是在SPD中采用該部件的原因。MOV將始終允許通過相同的電壓，在達到同一過剩電壓水平時開始導(dǎo)通，這一特性將一直持續(xù)到自身的故障點。SPD不能解決所有的電源質(zhì)量問題，如它們無法解決由電力設(shè)備提供的AC電源中的欠壓（低電壓）和過壓（長期過電壓）問題,也同樣無法降低由非線性負(fù)載（如計算機和熒光照明設(shè)施系統(tǒng)中的一些發(fā)動機和開關(guān)式電源）產(chǎn)生的諧波問題。如果市電線路電壓過低，可以使用UPS設(shè)備，臨時使用電池供電，直到市電恢復(fù)為止。4.1.2接地。接地是

16、最大的電力環(huán)境問題之一,對于SPD尤為如此。大地是所有電源、信號或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的必要元素。所有電壓和信號電平都要以地為參考。大多數(shù)SPD還使用設(shè)備中的接地線，以分流瞬變電壓產(chǎn)生過剩電壓。如果沒有正確接地，這些SPD可能無法正常工作。工廠設(shè)施中的接地連接只能連接到電力線路配電板上的單一連接點。這種與地面單點連接的方式可以避免由于疏忽而造成多個接地點。多個接地點會造成市電電壓的差異導(dǎo)致不希望的電流流向低壓數(shù)據(jù)線，并對數(shù)據(jù)傳輸造成噪音干擾，雖然不會引起太大的損害，但也可能會形成瞬變電壓浪涌，嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備傳輸線。4.2瞬變電壓分層保護方法使用SPD網(wǎng)絡(luò)對瞬變電壓進行分層防御是明智之舉。第1層用于控制進入系

17、統(tǒng)設(shè)施的高輸入浪涌，如電線中的瞬變電壓，這可能是由于閃電引起的。然后，使用其他層控制內(nèi)部電線和數(shù)據(jù)線中的瞬變電壓。因為大多數(shù)瞬變電壓而浪涌都在建筑物內(nèi)產(chǎn)生所以了解和應(yīng)用SPD對于改進任何工廠設(shè)施中的電源質(zhì)量都十分必要。這種分層保護方法是防止大多數(shù)瞬變電壓問題的最有效手段，對于數(shù)據(jù)線也同樣重要。對于輸入數(shù)據(jù)線中的高瞬變電壓大多數(shù)大型設(shè)施都具有特定形式的首層防御措施。例如：很多家庭和工廠設(shè)施都使用陶瓷氣體放電管或玻璃放電管SPD（通常由電信公司提供）來幫助將高容量浪涌降低到基本電話設(shè)備（如不需要輔助電源就可以工作的獨立電話）的適宜水平。但是,這些第1層SPD允許通過的電壓通常不能將電壓削弱到安全級別，以避免損壞靈敏的用電設(shè)備，如計算機的DSL或撥號調(diào)制解調(diào)器（或甚至是連接到這些調(diào)制解調(diào)器的計算機）等。對于連接到同軸電纜的其他靈敏用電設(shè)備，如音頻、視頻設(shè)備或?qū)拵щ娎|調(diào)制解調(diào)器設(shè)備等，效果也是一樣。由于以上原因，應(yīng)使用額外的SPD進步削弱從第1層SPD專來的允許通過電壓，保護單個設(shè)備。5小結(jié)通常只有在討論電線干擾時才會