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电子设备和电子网络系统运行防雷技术(首章)

来源:中国绿色数据中心 作者:机房360 更新时间:2009-12-15 11:06:44

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。


    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。

    下章我们继续讨论因雷电冲击带来的影响电子设备的耦合。

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