电子装置的过流和过压保护与器件（1）
摘要：文中阐述了电子装置过压、过流的三维防护技术，结合三维防护技术论述了浪涌保护系统和浪涌保护器件，介绍了过压、过流保护新器件的发展和应用。
关键词：电子装置 三维防护 浪涌吸收器 发展 应用
1.概述
雷击是一种自然现象，它的巨大能量众所周知。几个世纪来，人类对雷击的破坏性的研究、探索和采取预防的措施，已经有了一套比较成熟的理论。从EMC（电磁兼容）的观点来看，防雷保护由外到内应划分多级保护区。根据1992年国际建筑物防雷会议上IEC/TC81中提出的防雷保护区LPI新概念，将建筑物需要保护的空间划分为三个防雷保护区，如图1所示，图中区域划分为：
LPIO区——本区内的物体处于直接雷击下，可传导全部雷电流。
LPI1区——本区内的物体承受直接雷击下，区内导体传导雷电流比LPI0区小。
LPI2区——具有更高屏蔽要求的空间。
图中LPI3为设备自身的屏蔽，建筑物中的电子设备均处于LPI2区域内。但建筑物内电子设备的网络干线，微波中继等处于LPI1区域，而微波接收，发射装置等则处于LPI0区域，故在设计中应对建筑物的防雷区域作以综合分析论证，制定出高性能价格比的设计方案。
最外层为O级，是直接雷击区域，危险性最高，主要是由外部（建筑）防雷系统保护，越往里则危险程度越低。保护区的界面划分主要通过防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层而形成，从O级保护区到最内层保护区，必须实行分层多级保护，从而将过电压降到设备能承受的水平。一般而言，雷电流经传统避雷装置后约有50％是直接流入大地，还有50％将流入各电气通道（如电源线，信号线和金属管道等）。
总的防雷原则(1992年国际建筑物防雷会议上IEC/TC81中提出的防雷保护区LPI新概念)是：将绝大部分雷电流直接经避雷针接闪引入地下泄流（外部保护）；阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波（内部保护及过电压保护）；限制被保护设备上浪涌过压幅值（过电压保护）。这三道防线，相互配合，各行其责，缺一不可。为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差，就特别需要实行等电位连接，目的是在减少需要防雷的空间各金属部件和各系统之间的电位差，电源线、信号线、金属管道，接地线都要进行等电位连接，各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等到电位连接，各个局部等电位连接棒相互连接，并最后与主等到电位连接棒相连。使它们达到电位相等，为雷电流提供低阻抗通道，以使它迅速流入大地。
2.三维防护
随着电脑通信设备的大规模使用，雷电以及操作操作引起的瞬间过电压造成的危害越来越严重。以往的防护体系已不能满足电脑通信网络安全的要求。应从单纯一维防护（无源防护；其内涵是与系统电源无直接电气连接的防护系统。）转为三维防护（有源和无源防护；其内涵是与系统电源无直接电气连接的防护系统和与系统电源有直接电气连接的防护系统的组合的立体空间防护系统。），三维防护包括：防直击雷，防感应雷电波浸入，防雷电电磁感应，防地电位反击以及操作引起的瞬间过电压影响等多方面。即根据电气设备、微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定防护要点作以分类保护；根据雷电和操作瞬间过电压的危害的可能通道，从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。
电路在雷击或接通、断开电感负载时常常会产生很高的操作过电压，这种瞬时过电压（或过电流）称为浪涌电压（或浪涌电流），是一种瞬变干扰；例如直流6V继电器线圈断开时会出现300V—600V的浪涌电压；接通白炽灯时会出现8—10倍额定电流的浪涌电流；当接通大型容性负载时，常会出现大的浪涌电流冲击，使得电源电压突然降低；当切断空载变压器时也会出现高达额定电压8—10倍的操作过电压。消除浪涌噪声干扰、防止浪涌损害是关系到自动化设备安全可靠运行的核心问题，浪涌电压现象日趋严重地危机自动化设备安全工作。现代电子设备集成化程度在不断提高，但是它们的抗御浪涌电压能力却在下降。在多数情况下，浪涌电压会损坏电路及其部件，其损坏程度与器件的耐压强度密切相关，并且与电路中可以转换的能量相关。
为了避免浪涌电压击毁敏感的自动化设备，必须使出现这种浪涌电压的导体在非常短的时间内同电位均衡系统短接（引入大地）。在其放电过程中，放电电流可以高达几千安，与此同时，人们往往期待保护单元在放电电流很大时也能将输出电压限定在尽可能低的数值上。因此，空气火花间隙、充气式过电压放电器、压敏电阻、雪崩二极管、TVS（Transient voltage suppressor）、FLASHTRAB、VALETRAB、SOCKETTRAB、MAINTRAB等元器件，以单独或组合电路形式被应用到被保护电路中，因为每个元器件有其各自不同的特性，并且具有以下不同的性能：放电能力；响应特性；灭弧性能；限压精度，根据不同的应用场合以及设备对浪涌电压保护的要求，可根据各类产品的特性来组合出符合应用要求的过电压保护系统。
2.1外部无源保护
在0级保护区即外部作无源保护，主要有避雷针（网、线、带）和接地装置（接地线、地极）。其保护原理是：当雷云放电接近地面时，它使地面电场发生畸变。在避雷针（线）顶部，形成局间电场强度畸变，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（线）放电，再通过接地引下线，接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物免受雷击，这是人们长期实践证明的有效的防直击雷的方法。然而，使用被动放电式避雷针，其反应速度差，保护的范围小以及导通量小。根据现代化发展的要求，避雷针应选择提前放电主动式的防雷装置，并且应该从30度、45度、60度等不同角度考虑，以做到对各种雷击的防护，增大保护范围以及增加导通量。建筑物的所有外露金属构件（管道），都应与防雷网（带，线）良好连接。
2.2内部防护
2.2.1电源部分防护：雷电主要是通过线路侵入。高压部分电力局有专用高压避雷装置，电力传输线把对地的电力限制到小于6000伏（IEEEEC62.41），而线对线则无法控制。所以，对380v低压线路应进行过电压保护，按国家规范应分三部分：建议在高压变压器后端到楼宇总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加装避雷器，作一级保护；在楼宇总配电盘至楼层配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器，作二级保护；在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装避雷器，作为三级保护。目的是用分流（限幅）技术将雷电过电压（脉冲）能量分流泄入大地，达到保护目的，所以，分流（限幅）技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系防护的效果，因此，选择合格优良的避雷器至关重要。
2.2.2信号部分保护：对于信息系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护根据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。其主要考虑的如有：卫星接收系统、电话系统、网络专线系统、监控系统等。建议在所有信息系统进入楼宇的电缆内芯线端，应对地加装避雷器，电缆中的空线应接地，并做好屏蔽接地，其中应注意系统设备的在线电压、传输速率、按口类型等，以确保系统正常的工作。
2.2.3接地处理：在计算机机房的建设中，一定要求有一个良好的接地系统，因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身安全。如果机房接地系统做得不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰的屏蔽问题，防静电问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。
一般整个建筑物的接地系统有：建筑物地网（与法拉第网相接）、电源地（要求地阻小于10欧）、逻辑地（也称信号地）、防雷地等，有的（如IBM）公司要求另设专用独立地，要求地阻小于4欧。电子设备要求各地必须独立时，如果相互之间距离达不到规范要求的话，则容易出现地电位反击事故，因此，各接地系统之间的距离达不到规范的要求时，应尽可能连接在一起，如实际情况不允许直接连接的，可通过地电位均衡器实现等电位连接。为确保系统正常工作，应每年定期用精密地阻仪，检测地阻值。接地装置由接地极及一些附件、辅助材料组成。接地装置的选材和施工主要决定于土质结构，即土壤的地阻率p。不同土质结构其地阻率p不同，为增加接地装置使用效率，应使用长效降阻剂。