简要分析从雷电冲击能量谈信息防雷保护

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    摘要：本文通过对雷电波形及能量分析、计算，提出了信息防雷实施中应注意防护器的等级计算问题，从而实现更精确、量化的防雷设计。

    1前言

    防雷保护是个传统的介乎于技术与工程之间的专业，但随着电子化集成度不断提高、住处技术设备的广泛应用，信息技术设备及系统的雷电保护愈来愈向精细化、准确化、专业化方向发展，因此本文旨在通过对雷电能量计算与防雷保护之间的关系分析结合考虑，提出住处防雷应注重量化分析，科学实施。以期达到抛砖引玉，使信息防雷随着电子技术前进的步代逐步形成一种现代科学体系并不断完善的目的。

    2不同波形的能量计算与比较

    在此考虑10／350μs电流波、8／20μs电流波、1.2／50μs电压＋8／20μs电流组合波及10／700μs电压通信波四种波形具有一定的代表性。雷电试验波形几乎都是很快上升到峰值，然后较缓慢地下降到零的形式，如图1所示，它适用于做与外线连接的含有固体化元器的电子设备雷电试验，但不适用于雷电直击设备和雷电引起的电磁干扰的检验。实际上沿通信架空明线线路（现在越来越少）袭入设备的雷电冲击波大部分是振荡波形，沿地下电缆袭入设备的雷电冲击波大部分是持续时间长、近似单极性的双指数波，而雷电直击接地物体使其地电位升高所产生的回击波，多为持续时间较短的单极性波。

    对遭受雷电冲击的能量计算如下式：

    E＝∫V（t）·I（t）dt＝K·V·I·τ（焦耳）

    其中：V──在峰值电流下的箝位电压（伏）

    I──峰值电流（安培）

    τ──脉冲时间（秒）

    K──波形因子

    在此可以将计算的波形分成两个部分，即前半部当成三角波（波形因子K取0.5），后半部当成指数波（波形因子K取1.4）。前半部为波上升阶段吸收的能量，后半部为波衰减阶段吸收能量。

    对于10／350μs波形，主要针对直击雷，或遭首次雷击的暴露环境等。这时雷电能量为：

    E＝0.5×V×I×10×10-6＋1.4×V×I×（350－10）×10-6

    ＝（5＋476）×V×I×10-6

    ＝0.481×10-3×V×I（J）

    即使假设I＝50KA，V＝1000V，则E＝24050J。可见直击雷的能量是非常大的，其防护方法完全不能等同于放置于建筑体内部有着良好屏蔽或分流措施的其它电子设备。一般来说处于暴露环境的信息技术设备或系统很少，遭受直击雷的可能性也不大。不过高山微波站、移动寻呼基站、广播电视塔、雷达等例外，需要采取吸收能量较大的防雷设备作为一级保护。

    对于8／20μs这种典型的模拟于电源线感应或传导引入的试验波形。

    E＝0.5×V×I×8×10-6＋1.4×V×I×（20-8）×10-6

    ＝（4＋16.8）×V×I×10-6

    ＝20.8×10-6×V×I（J）

    假设没有避雷针接内，按分流至大地及感应至电源线50％法则，取I＝25KA，V＝1000V（一级保护），E＝520J。与直击雷能量比较，相差两个数量级。那么电源的二级保护、三级保护乃至精细保护由于箝位电位的严格要求，冲击能量将更小。特别是对于计算机集成芯片或某些精密终端设备工作电压往往从几十伏至几伏，电流从安培到毫安，那么可随能量大至几十、几个J，小至10-2-10-9J，所以在电源保护上不同的被保护设备有着千差万别的要求，需要科学对待。

    在一些接口或端口上，雷电浪涌冲击总是以组合波形模拟，比如1.2／50μs＋8／20μs最为常见。最近我国依照CISPR第22、24号出版物制定的GB17618－1998《信息技术设备的抗扰度限值》国家标准，在交流和直流电流输入端口的浪涌（冲击）抗扰度试验也是采用1.2／50μs＋8／20μs波形。它的能量相当于：

    E＝0.5×V×I×1.2×10-6＋1.4×V×I×（50－1.2）×10-6＋20.8×10-6×V×I

    ＝（0.6＋68.32＋20.8）×V×I×10-6

    ＝89.72×10-6×V×I（J）

    同样取I＝25KA，V＝1000V，则E＝2243J。可见对于端口的冲击能量要大得多。信息技术设备有着接口、端口多的特点，因此住处防雷口保护尤为重要。

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    因为结构和阻扰不同，对于外线（如对称电缆、同轴电缆）通常推荐用10／700μs波形冲击，尽管架空外线逐渐被管道地埋替代，但现在基本视同于外线与设备交叉处――总配线架为进入端口，上面提到的GB17618－1998标准中，信号端口和电端口的浪涌（冲击）抗扰度试验波形也是采用10／700μs。这时冲击能量为：

    E＝0.5×V×I×10×10-6＋1.4×V×I×（700－10）×10-6

    ＝（5＋966）×V×I×10-6

    ＝0.971×10-3×V×I（J）

    按V＝4KV，I＝100A计算，E=388J。根据CCITTk..20建议，可以认为这是“一次保护”动作后，电信端口承受的最大冲击能量。对于电信设备，尤其是程控交换机现在基本具有完善的一、二次过流过压保护电路，但是对于其它信号端口，如网络、数据、图像等信号端口的保护还未得到充分重视。

    由上可见，信息防雷需要充分考虑被保护设备的用电级别与所处位置，具有一定的特殊性，期待人们在技术上进一步探讨和新的标准来指导、规范。

    3结束语

    长久以来在一些行业对防雷保护比较重视。如电力、通信、电子及军事等领域。由于他们经常遭受雷害，造成损失很大。但是目前市场上的防雷保护大部分是自行购买设备请人安装的形式完成，其效果是花了钱但不尽人意。究其原因首先从技术上来说，缺少对雷电环境评估、现场具体查勘、调查数据的前期工作，进一步地说，用户与防雷公司都没有把防雷作为一个完整的工种项目去做，缺乏采购前设计、计算和竣工后施工图纸、竣工文本。最后没有维护过程中对防雷设备使用期间的质量跟踪、技术数据变化的登记及模块的及时更换。此外，从防雷公司本身来说亦存在一些弊端，比如国外防雷设备代理商完全是设备购买业务；国内小公司没有正规的流水作业线和完备的检测、试验仪表等等。

    展望21世纪，在WTO协议签署之际，在我国信息产业大力发展之是，面对信息防雷这个大市场，外国公司依赖雄厚的资金资本抢占市场是不言而喻的，除了我国政府加强市场管理力度，尽快制订相关技术标准及规范外，国内防雷公司有必要迅速通过科学和技术手段取得良好的防雷效果，赢得用户依赖，提高自身的市场竞争能力。

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