礦山電子信息設(shè)備安全防雷技術(shù)初探

PAGE礦山電子信息設(shè)備安全防雷技術(shù)初探摘要：雷電活動(dòng)可在電子信息設(shè)備上產(chǎn)生直擊雷過(guò)電壓和感應(yīng)雷過(guò)電壓兩種大氣雷電過(guò)電壓，對(duì)電子信息設(shè)備的正常使用造成了極大威脅。因?yàn)殡娮有畔⒃O(shè)備具有電磁兼容能力差，易受雷電危害的致命弱點(diǎn)，根據(jù)雷電波通過(guò)電感器、電容器、避雷器時(shí)具有不同的行為表現(xiàn)，可以對(duì)電子信息設(shè)備的防雷采用分區(qū)保護(hù)的原則，利用電感器、電容器、金屬氧化物避雷器和瞬間電壓抑制器防止感應(yīng)雷過(guò)電壓，并依照此指導(dǎo)思想給出一個(gè)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際中的可靠的程控交換機(jī)防雷保護(hù)電路。關(guān)鍵詞：電子信息；防雷；分區(qū)保護(hù)；瞬態(tài)；浪涌保護(hù)防雷技術(shù)是電子信息設(shè)備使用中必須解決的一個(gè)重要問(wèn)題，對(duì)電子信息設(shè)備的防雷問(wèn)題從理論上和實(shí)踐上進(jìn)行探討具有重要的意義。1.大氣過(guò)電壓電子信息設(shè)備中的過(guò)電壓是在雷云放電時(shí)產(chǎn)生的。大氣過(guò)電壓可分為直擊雷過(guò)電壓和感應(yīng)雷過(guò)電壓兩種。感應(yīng)雷過(guò)電壓是由于電磁場(chǎng)的劇烈變化而產(chǎn)生的，而直擊雷過(guò)電壓是由于雷電放電電流流經(jīng)被擊物產(chǎn)生的。防止直擊雷的傳統(tǒng)作法是采用避雷引雷，在強(qiáng)大的雷擊電流入地的過(guò)程中，由于雷擊電流陡度di／dt作用，引起電場(chǎng)和磁場(chǎng)的劇烈變化，在其周圍金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)脈沖過(guò)電壓，即感應(yīng)雷過(guò)電壓，作用距離達(dá)數(shù)百米之遠(yuǎn)，增加了電子信息設(shè)備遭受感應(yīng)雷過(guò)電壓損壞的概率。感應(yīng)雷過(guò)電壓也是非常危險(xiǎn)的，除由直擊雷產(chǎn)生外，還包括遠(yuǎn)處放電的電磁脈沖感應(yīng)，產(chǎn)生的概率要比直擊雷更高，所以也必須給予必要的防護(hù)。2.保護(hù)間隙保護(hù)間隙的結(jié)構(gòu)原理是一個(gè)與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)的放電間隙。在通訊系統(tǒng)中由于不象電力系統(tǒng)中放電之后有工頻續(xù)流的問(wèn)題，因此放電間隙可以調(diào)整得比較小，為0.2毫米，其沖擊放電電壓U沖放為200～250伏。當(dāng)保護(hù)間隙的沖擊放電電壓為U沖放時(shí)，被保護(hù)設(shè)備上的過(guò)電壓最大值要超過(guò)U沖放一個(gè)ΔU，入射電壓的陡度越大，保護(hù)間隙與被保護(hù)設(shè)備的距離越遠(yuǎn)，ΔU就越大。因此就必須：⑴、限制入射波的過(guò)電壓陡度。⑵、被保護(hù)設(shè)備距保護(hù)間隙不能超過(guò)一定距離。這兩個(gè)基本原則也適用于避雷器、壓敏電阻和瞬態(tài)電壓抑制器（TransientVoltageSuppressor）。在沖擊電壓作用下，間隙的擊穿電壓比直流或工頻交流電壓（即持續(xù)電壓）作用時(shí)要高。其原因是放電時(shí)延（毫秒數(shù)量級(jí)）的存在，因此使用間隙保護(hù)電子信息設(shè)備的效果不理想。同樣基于放電間隙原理的R－250真空放電管，也不能用于保護(hù)電子信息設(shè)備。當(dāng)保護(hù)間隙在大氣過(guò)電壓作用下發(fā)生擊穿，將雷電流引入大地后，可以有一定的限制過(guò)電壓效果。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)廉，但保護(hù)效果差，與被保護(hù)的設(shè)備的伏秒特性不易配合，動(dòng)作后產(chǎn)生截?cái)嗖ā?波穿過(guò)電感線圈波自具有波阻Z１的導(dǎo)線，經(jīng)電感過(guò)渡到具有波阻Z２的導(dǎo)線時(shí)，波頭將被拉平，這對(duì)設(shè)備的絕緣有利。現(xiàn)以圖1來(lái)說(shuō)明波的過(guò)程：當(dāng)幅值為U０的無(wú)窮長(zhǎng)直角波投射到電感線圈上時(shí)，通過(guò)線圈的電流在最初瞬間是零，隨后逐漸增大，由于線圈中的磁通不能突變，因而穿過(guò)電感在Z２上傳播的電壓與電流都是由零值逐漸增大到穩(wěn)定值。同時(shí)，反射波的波形也不再是直角波。因?yàn)椴ㄗ饔玫诫姼芯€圈的最初瞬間相當(dāng)于波到達(dá)線路的末端一樣，反射波在此瞬間為U０，以后反射的電壓從U０逐漸下降，最后達(dá)到穩(wěn)定值。因此采用串聯(lián)電感線圈可以將雷電波的波頭拉長(zhǎng)，即降低了陡度。因?yàn)樵跊_擊電壓作用時(shí)，波前部分電壓上升很快，例如1/20微秒的沖擊波，電壓由零上升至最大值需時(shí)1微秒，而工頻電壓由零上升至最大值的時(shí)間為0.005秒，故沖擊波波前部分的等值頻率為：由于波前部分等值頻率很高，不大的電感量L即可獲得較大的感抗ωL。4波從電容旁經(jīng)過(guò)無(wú)窮長(zhǎng)直角波U０從波阻為Z１的導(dǎo)線向波阻為Z２的導(dǎo)線過(guò)渡時(shí)，在結(jié)點(diǎn)處從電容旁經(jīng)過(guò)，如圖2所示。隨后電能和磁能重新分布，因電容器上的電壓不能夠突變，開(kāi)始當(dāng)波投射的瞬間，電容器的電壓等于零，電容器相當(dāng)于無(wú)窮小阻抗，所有波頭的電能均轉(zhuǎn)變?yōu)榇拍?。故流?jīng)電容器的電流等于入射波電流的兩倍，而在波阻抗為Z２的導(dǎo)線上的電流將為零。然后，電容器開(kāi)始充電，電容器兩端電壓將開(kāi)始增加，電容器后面導(dǎo)線上出現(xiàn)電流，因此就出現(xiàn)了電壓前行波，使電容器上的電壓從零增加到穩(wěn)定值。電壓U２、電流I２都隨時(shí)間從零值漸增到穩(wěn)態(tài)值，故波頭被拉平了。由于波前部分等值頻率很高，不大的電容量Ｃ即可獲得較小的容抗1/ωC。5波通過(guò)避雷器波投射到避雷器上時(shí)，假定避雷器接在末端（圖3），設(shè)導(dǎo)線的波阻為Z，入射電壓為U入(t)，那么可以得到計(jì)算避雷器兩端的壓降U，及流過(guò)它的電流i的等值電路如圖3（b）。當(dāng)2U入(t)等于避雷器的沖擊放電電壓U沖放時(shí)，避雷器擊穿，回路中突然有電流流過(guò)，這個(gè)電流在導(dǎo)線波阻抗Z上將產(chǎn)生壓降iZ。而在擊穿前后的一個(gè)極短的瞬間，可以認(rèn)為入射電壓的瞬時(shí)值是相等的，那么：在擊穿前i＝0，U＝2Uλ＝U沖放在擊穿后i＞0，U＝2Uλ－iZ＝U沖放－iZ故在擊穿后，避雷器上的電壓有一突降。之后隨著入射電壓的增加，流過(guò)避雷器的雷電流、以及這個(gè)電流在閥片上的壓降均增加。當(dāng)入射電壓達(dá)最大值Uλ最大時(shí)，電流達(dá)最大值I，壓降達(dá)最大值U殘。即在大氣過(guò)電壓的作用下，避雷器上出現(xiàn)兩個(gè)電壓峰值U沖放和U殘，就是決定被保護(hù)設(shè)備上過(guò)電壓的基礎(chǔ)。通常情況下，避雷器的U沖放和U殘的設(shè)計(jì)值比較接近，因此常根據(jù)避雷器的殘壓設(shè)計(jì)值決定被保護(hù)設(shè)備上的過(guò)電壓限值。6氧化鋅壓敏電阻結(jié)構(gòu)原理氧化鋅壓敏電阻具有良好的非線性特性，是一種新型的過(guò)電壓保護(hù)器件，可用作避雷器。其結(jié)構(gòu)是由微小的氧化鋅晶粒摻雜更為微小的氧化鉍、氧化銻、氧化錳等多種金屬氧化物粉末在高溫下燒結(jié)而成。氧化鋅晶粒是低電阻率的，其間充填的氧化鉍等多種微粒組成的晶界層是高電阻率的。在正常的交流工作電壓下，晶界層呈高阻狀態(tài)，有微安級(jí)微弱電流流過(guò)電阻體；在過(guò)電壓狀態(tài)下（如承受浪涌電壓時(shí)），晶界層上電壓梯度很高，電阻率急劇下降，流過(guò)電阻體的傳導(dǎo)電流迅速加大（類似穩(wěn)壓二極管的齊納擊穿），電能轉(zhuǎn)化為電阻體的發(fā)熱，即浪涌能量為壓敏電阻所吸收，從而抑制過(guò)電壓。氧化鋅避雷器的主要元件是氧化鋅壓敏電阻，具有優(yōu)異的非線性特性，氧化鋅壓敏電阻的典型對(duì)稱特性如圖4，限制過(guò)電壓性能是較理想的。由于在正常工作電壓下，只有微安級(jí)電阻性電流流過(guò)閥片，因此避雷器取消了串聯(lián)間隙。在過(guò)電壓作用下沒(méi)有放電時(shí)延，可以耐受多重雷擊。氧化鋅避雷器適合于通訊設(shè)備及電氣設(shè)備的過(guò)電壓保護(hù)，其最大優(yōu)點(diǎn)是幾乎沒(méi)有放電時(shí)延（50×10-9秒數(shù)量級(jí)），通流容量大和殘壓低。7瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)特性與選用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)是近代才發(fā)展起來(lái)的一種高效能的保護(hù)器件，當(dāng)TVS的兩極受到反向瞬態(tài)高能量電壓沖擊時(shí)，它能以10-12秒數(shù)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預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌電壓脈沖的損壞。由于其具有響應(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、沒(méi)有損壞極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于通訊設(shè)備和電子設(shè)備中作各種過(guò)電壓保護(hù)之用，其特性比壓敏電阻優(yōu)越。7.1TVS的特性曲線瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)的電路符號(hào)與普通穩(wěn)壓二極管相同，其電壓－電流正向特性與普通二極管相同，反向特性與典型的PN結(jié)雪崩器件相同。圖5是TVS的電流－時(shí)間和電壓－時(shí)間曲線，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)，其兩極承受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，隨著峰值脈沖電流的出現(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VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)規(guī)律衰減，TVS兩極的電壓也不斷地下降，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。7.2TVS的特性參數(shù)7.2.1最大反向漏電流IDVWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當(dāng)這個(gè)反向電壓加在TVS的兩極之間時(shí)，它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過(guò)它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。TVS的最大反向漏電流ID一般小于5微安。7.2.2最小擊穿電壓VVBR是TVS的最小雪崩電壓，25℃時(shí)，低于這個(gè)電壓，TVS是不導(dǎo)通的。當(dāng)TVS流過(guò)規(guī)定的1毫安電流（IR）時(shí)，TVS兩極間的電壓為其最小擊穿電壓VBR按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把TVS分為±5%和±10%兩種，對(duì)于±5%VBR，VWM＝0.85VBR對(duì)于±10%VBR，VWM＝0.81VBR7.2.3最大箝位電壓V當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20微秒的脈沖峰值電流IPP流過(guò)TVS時(shí)，在其兩極之間出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC和IPP反映了TVS器件的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2～1.4之間。7.2.PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗PM下，箝位電壓VC越低，其浪涌電流的承受能力越大。7.2.TC是從零到達(dá)最小擊穿電壓VBR的時(shí)間，對(duì)單極性TVS小于1×10-12秒，對(duì)雙極性TVS小于10×10-11秒。7.3TVS的選用TVS的具體選用按以下原則：⑴、確定被保護(hù)電路的最大工作電壓（直流電壓或交流峰值電壓）。⑵、TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路最大工作電壓。若選用的反向VWM太低，保護(hù)器件可能進(jìn)入雪崩狀態(tài)或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。⑶、TVS的最大箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。⑷、在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功率PM必須大于被保護(hù)電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。⑸、根據(jù)用途選用TVS的極性，直流電路選用單極性TVS，交流電路選用雙極性TVS較為合理。在程控交換機(jī)中，話路的工作電壓為直流48伏，振鈴工作電壓為交流90±15伏，其最高峰值電壓為149伏，選用TVS應(yīng)按電壓較高的振鈴電壓計(jì)算，選TVS額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于149伏。根據(jù)上述VWM＝0.81VBR，則計(jì)算出TVS的擊穿電壓VBR為184伏。實(shí)際選用標(biāo)稱系列值180伏。8電子信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)電子信息系統(tǒng)不僅有電源進(jìn)線接口，還有信號(hào)輸入輸出接口，這些接口的線路較長(zhǎng)，易與閃電耦合，也是感應(yīng)脈沖過(guò)電壓波侵入的主要通道，所以電子信息系統(tǒng)的致命弱點(diǎn)是電磁兼容能力差，易受閃電的危害。因此電子信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)應(yīng)進(jìn)行分區(qū)保護(hù)，如劃分為直擊雷保護(hù)區(qū)、非直擊雷保護(hù)區(qū)、室內(nèi)第一級(jí)建筑屏蔽保護(hù)區(qū)、室內(nèi)第二級(jí)建筑屏蔽保護(hù)區(qū)。在分區(qū)保護(hù)的原則下，進(jìn)行信息防雷的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)全方位保護(hù)的重要思想，從直擊雷保護(hù)、均壓設(shè)計(jì)、到感應(yīng)脈沖過(guò)電壓的保護(hù)等設(shè)計(jì)均不能留有缺口。根據(jù)信息防雷的需要，直擊雷的保護(hù)應(yīng)采取抑制性的措施，力求減少或避免直接雷擊，因此應(yīng)防止濫用避雷保護(hù)，宜用避雷網(wǎng)或避雷帶保護(hù)。均壓設(shè)計(jì)應(yīng)采用嚴(yán)格的一點(diǎn)接地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使所有電子信息設(shè)備均從一點(diǎn)獲得基準(zhǔn)零電位，即使雷電流通過(guò)一點(diǎn)接地網(wǎng)絡(luò)，地電位只是瞬間升高，各地線之間不會(huì)出現(xiàn)毀壞性電位差。9交換機(jī)電源防雷鑒于電子信息設(shè)備的電源系統(tǒng)極易遭受大氣過(guò)電壓和操作過(guò)電壓的損壞，以及交直流供電電源轉(zhuǎn)換時(shí)容易造成計(jì)算機(jī)瞬間斷電，致使設(shè)定程序錯(cuò)亂，我們特別設(shè)計(jì)了程控交換機(jī)防雷供電電源（見(jiàn)圖6）。圖6中1FB為Y3W－0.5／2.3型金屬氧化物避雷器，3千安雷電沖擊電流殘壓不大于2.3倍；2FB為Y3W－0.25／1.2型金屬氧化物避雷器，3千安雷電沖擊電流殘壓不大于1.2倍；B為380伏／220伏隔離電源變壓器，采用線電壓供電技術(shù)；限流式直流穩(wěn)壓電源具有限流特性。限流特性在這個(gè)系統(tǒng)中是很重要的，因?yàn)樵诮涣麟娫赐ｋ娨欢螘r(shí)間之后蓄電池端電壓將下降，當(dāng)交流電源重新來(lái)電時(shí)，直流穩(wěn)壓電源對(duì)蓄電池充電電流的沖擊太大，如無(wú)限流特性，勢(shì)必造成直流穩(wěn)壓電源的損壞；D為單向?qū)щ姸O管，防止蓄電池向直流穩(wěn)壓電源倒供，蓄電池標(biāo)稱電壓48伏，直流穩(wěn)壓電源輸出55伏，正常使用時(shí)讓蓄電池處于浮充電狀態(tài)；TVS為15kW系列標(biāo)稱擊穿電壓VBR為75伏規(guī)格的單極性瞬間電壓抑制器，作為過(guò)壓和防雷擊保護(hù)用；程控交換機(jī)專用電源箱將直流穩(wěn)壓電源和蓄電池來(lái)的直流電源轉(zhuǎn)換成交換機(jī)的各種電壓等級(jí)的電源，供交換機(jī)正常工作使用。該供電電源的特點(diǎn)是：⑴、防雷性能好。⑵、對(duì)于電源內(nèi)部過(guò)電壓也能很好防護(hù)。⑶、不受電源電壓波動(dòng)的影響。⑷、具有不停電性能。⑸、對(duì)于交流電源突然停電和突然來(lái)電不會(huì)干擾計(jì)算機(jī)工作。⑹、采用線電壓供電，不受相電壓不平衡造成的損壞。10交換機(jī)話路防雷根據(jù)前面分析的原理，利用電感器、電容器、氣體放電避雷器、氧化鋅壓敏電阻和瞬間電壓抑制器等元件構(gòu)成高性能的話路防雷接線，見(jiàn)圖7。在圖7中RD為PolySwitch自復(fù)式保險(xiǎn)絲，它是一種高分子過(guò)流保護(hù)元件，具有以下的特點(diǎn)：內(nèi)阻低，在通信線路中損耗低，遇故障動(dòng)作速度快，有效保護(hù)話路安全。如沒(méi)有可用0.5安的易熔合金保險(xiǎn)絲代替。FS為雙極式通信用氣體放電管，放電電壓230伏，作線路避雷器用，對(duì)線對(duì)地過(guò)電壓起防護(hù)