摘要：本文闡述了雷擊模擬電子設備的機理，SPD和類型和選擇時應注意的問題。

關鍵詞：雷擊 雷電波形 SPD

近年來，電子信息設備和計算機系統(tǒng)已深入各行各業(yè)，由于這類設備的工作電壓和耐沖擊電壓水平低，極易受到雷電電磁脈沖的危害，從而使雷電災害由電力和建筑物這兩個傳統(tǒng)領域擴展到幾乎所有行業(yè)，特別是通訊、信息技術數據中心，計算機中心以及微電子生產行業(yè)等由于雷電造成的危害尤為重要。另一方面，因為雷擊是機率事件，這種影響尚未引起人們的注意，很多人認為只要按照國家的建筑物防雷設計規(guī)范做好避雷針(帶)、引下線和接地裝置等建筑物內外的防雷工作就“萬事大吉”了。但實際上，當雷擊現象發(fā)生時，建筑物的外部防雷裝置確實有效地抵御了雷擊對建筑物的破壞，同時均勻的避雷引下線與建筑物接地的均壓環(huán)也起到法拉第網籠的作用，保證建筑物內的人員不致因跨步電壓升高而導致觸電事故。

但這時當雷電擊中建筑物防雷裝置或擊中附近其他建筑物的避雷針(帶)并由引下線導人大地時，瞬間內在引下線自上而下的產生一個很強的變化磁場。處在這個電磁場作用下的導體，便會感應產生電壓，其數值也可達數十千伏，處在這個磁場作用范圍的電氣、信號、電源及它們的傳輸線路都因相對地切割了這個變化的磁場磁力線而產生出感應高壓，從而將用電設備擊壞。如圖1所示，如果導體的形狀是開口環(huán)形感應電壓，便會把幾厘米長的空氣間隙a、b擊穿發(fā)生火花放電。如果導體是一個閉合回路，感應電壓會造成一個電流通過，假如回路上有接觸不良的接點，這些地方就會局部發(fā)熱。再有，由于雷電沖擊波的能量集中在工頻附近幾十赫茲到幾百赫茲的低端，雷電沖擊波能量就容易與工頻回路發(fā)生耦合、諧振，于是雷電沖擊波從電源線路進入電子設備的機率要比從信號線中進入的機率要高很多，據統(tǒng)計，約有8%的雷擊損壞電子設備的事故是由電源引入的，因此應特別加強系統(tǒng)中設備電源的防雷措施。

l雷擊電子設備的途徑及損壞機理

雷擊過電壓損壞設備可分為兩種情況，一種是受雷電直擊，另一種受感應雷影響所致。據統(tǒng)計電子設備受雷電直擊而損壞的機率很小，而絕大多數損壞為感應雷造成，雷電行波通過傳輸信息的電路線傳至電子設備使其某些電子元件受損。

還有一種情況值得重視的是電子設備附近的大地或其他設備的接地體，因受直擊雷引起的電位升高，會使電子設備造成反擊，使之對地絕緣擊穿。根據傳統(tǒng)經驗電子設備的地線與電源設備的地線分開設置是減少這種雷電侵入途徑的有效措施之一。所以凡聯(lián)結有輸人或輸出線路的電子設備應考慮以上三條侵入途徑。不論那種途徑侵入的雷擊過電壓加在電子設備上沖擊引起兩種過電壓，一種是：使平衡電路某點出現超過允許的對地過電壓，稱為縱向過電壓，地電位上升引起的反擊也屬于從地系統(tǒng)侵入的縱向過電壓;另一種是平衡電路線間或不平衡電路線對地出現的過電壓稱為橫向過電壓。使用對稱傳輸線的設備，橫向過電壓是因線路兩線間存在不同的縱向過電壓;或因縱向防護元件放電性能的分散性(如動作時間有快慢的差別)是造成橫向過電壓的原因，如果在平衡線路上的兩個縱向防護元件，其中一路故障或失效這就造成了橫向過電壓的極限情況。對不平衡電路如對連接同軸電纜的電子設備其縱向過電壓即橫向過電壓。雷電沖擊過電壓可導致絕緣擊穿，也可產生過電流。進行縱向雷擊試驗的目的，在于檢驗設備在縱向過電壓下元器件對地的絕緣。橫向雷擊試驗則是檢驗兩線間出現沖擊過電壓時設備耐受沖擊的能力。

在電子設備中，易受雷擊過電壓損壞的元部件，大多數是靠近設備的入口端，如縱向過電壓會擊穿線路和設備間起匹配作用的變壓器匝間、層間、或線對地絕緣等。橫向過電壓可隨信息同時傳至設備內部，損壞設備內的阻容元件及固體元件。設備中元器件受損的程度，取決于元器件絕緣水平，即耐受沖擊的強度，對具有白復能力的絕緣，擊穿只是暫時的，一旦過壓消失，即可恢復。有些非自復性的絕緣介質，沖擊時只有小電流流過，一次沖擊不會立即中斷設備，但經過多次沖擊，隨著多次沖擊的累積可能會使元件逐漸受損最終導致毀壞，這就是為什么在試驗時要試驗沖擊次數，極性和間隔的原因所在。

電子元件受雷擊損壞的情況，概括起來不外下列三種：(1)受過電壓損壞的，如電容器、變壓器及電子元件的反向耐壓。(2)受過電壓沖擊能量損壞的，如二極管PN結正向損壞，沖擊危險程度在于流過元器件的過電流大小和持續(xù)時間，即能量大小。(3)易受沖擊功率損壞的，對元件的危害決定于沖擊電壓峰值和由此而產生的過電流。

2雷電波形

有關雷電沖擊波的描述是用波形參數說明，它有峰值波前時間和下降半峰值時間。如圖2所示。觀測的數據和波形均具有統(tǒng)計特.硅，服從某種分布規(guī)律，從而統(tǒng)計出雷電流幅值，波頭、波尾、陡度、能量等概率分布。多年來，國內外在對線路結構上或進人電子設備的雷電沖擊波形進行了很多觀測工作，獲得了大量的觀測資料。

一些國家通過現場觀測發(fā)表了很多測試結果。因觀測的地理環(huán)境和條件的不同。即使在同樣條件下，觀測得到的數據也不盡相同。早先，有些國家觀測得到的幾百個波形中，對主放電波形的敘述，當不區(qū)另別第一次放電或隨后各次閃電時，一般認為雷電流在1—4微秒上升到幅值，然后在40一50微秒內下降到幅值的一半。這就是所謂傳統(tǒng)的雷電流波形。正極性閃電的電流波形一般較負極性閃電的波形平坦一些，持續(xù)時間較長，上升到幅值的時間約數十微秒，下降到半值時間約為數百微秒。

圖2雷擊參數定義

在對雷電的研究中，需要在千千萬萬的實波形中找出典型波形并轉化為用數學式表示曲線。比較流行的代表曲線有兩種：

1.波頭部分用兩個指數曲線之差表示，其公式為：

用這公式表示的波形如圖3a，當i=0時，電流上升速度di/dt最大;而當電流逐漸增大時，di/dt逐漸減小;到了i=Im時，di/dt變?yōu)榱恪?/p>

2.波頭部分用余弦曲線表示其公式為：

用這公式表示的波形如圖3b，當i=0時，di/dt=0;隨著電流上升，di/dt也上升;當I=Im/2時，di/dt到達最大值;然后di/dt減小;當i=Im時，di/dt降為零。

一般習慣于用兩個指數曲線之差的形式來表示雷電流波形，并且認為這種表示方式和大多數實際測得的波形比較相似。但是經過近年的觀測得到大多數的第一次主放電電流波形在其上升到幅值之前時比較緩慢，然后再轉入陡的部分，其波頭接近于用余弦來表示的波形。用余弦曲線表示時，因為雷電流最大陡度出現在Im/2處，以此進行雷擊的電位計算時可以得到較高的結果而偏于可靠。但是，余弦曲線計算較為繁瑣，因而往往簡化為直線，也就是用斜角波來表示，通過最大陡度和平均陡度的轉化，可以使采用斜角波的計算結果和采用余弦波的計算結果基本一致。