二、雷电基本概念
雷电是发生在大气层中的声、光、电物理现象,它给人类的生活带来很大影响,雷电造成的灾害自古以来一直威胁着人类和地球上的一切生物。随着科学技术的发展,在现代生活中,雷电除仍对生命造成危害,使建筑物和森林发生火灾,更严重的是对电力、广播电视、航空航天、邮电通讯、国防建设、交通运输、石油化工、电子工业等几乎是各行各业产生危害,尤其是电子计算机的普及和微电子设备对雷电电磁脉冲的敏感,更使雷电灾害的危害程度加剧,经济损失剧增。
今日已是电子时代,日益繁忙庞杂的事务通过高速电脑、自动化设备及通讯设备得以井然有序,而这些敏感电子设备的工作电压却在不断降低,其数量和规模不断扩大,因而它们受到过电压特别是雷电袭击而受到损害的可能性就大大增加,其后果可能使整个系统运行中断,并造成难以估量的经济损失,雷电和浪涌电压成为电子时代的一大公害。
雷电的破坏力极大,以雷击中心1.5km~2km范围内都可能产生危险过电压,损害线路上的设备。随着大量的数据设备和精密仪器应用的范围日益广泛,雷电损害造成的事故有逐年上升的趋势。
目前比较流行的防雷方法是采用外部防雷,即采用避雷针(或避雷带、避雷网、引下线和接地系统构成外部防雷系统。主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故。但是防雷仅有外部防雷是不够的,雷电波会侵入各电气通道(如电源线、信号线的金属管道等,由其产生的高电压和浪涌电压对通讯设备、网络、信息、系统有极大的危害,轻则毁坏线路,重则损害设备,乃至系统瘫痪,造成难以估算的损失。所以必须进行内部防雷,防止雷电和其他内部过电压侵入设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的。为了实现内部避雷,需要在进出建筑物的各保护区上的电缆、金属管道上安装连接避雷及过压保护器,并实行等电位连接,防止由雷电产生的高电压和浪涌电压造成的设备损害。
明析瞬间过电压产生途径和危害是正确采取防护措施的前提。
1、瞬间过电压的产生
瞬间过电压是指在微妙至毫秒之内所产生的的尖峰冲击电压而非一般电源上的所谓过压(一般电源过压可能维持数秒及以上,瞬间过电压有两种产生途径:雷击和电气开关动作。
(1.一般构筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损害,雷击会通过以下两种方式破坏电子设备:①直击到电源输入线,经电源线进入而损害设备,因电力线上安装的各种保护间隙和电力避雷器,只可把线对地的电压限制到小于6000伏(IEEE C62.41,而线对线无法控制。②以感应方式(电阻性、电感性、电容性偶合到电源、信号线上,最终损害设备。
(2.当电流在导体上流动时,会产生磁场存储能量并与电流大小和导线长度成正比,当电器设备(大负荷开关时便会产生瞬间过电压而损害设备。
2、瞬间过电压对电子设备的危害
瞬间过电压使电子设备讯号或数据的传输与存储都受到干扰甚至丢失,至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪;重复影响而降低电子设备寿命甚至立即烧毁元器件及设备。这一切都会给生产和工作带来较大损失。
当今人类科学技术的发展已进入了高度信息化的发展阶段,但是仍然在受到能源、环境和安全等因素的困扰,特别是安全问题,对我们的工作和生活的影响日益深刻,在不考虑人为因素的情况下,自古至今我们人类始终以积极的探索精神面对自然灾害并与之进行着顽强的斗争,当人类进入微电子时代以来,随着人们使用的各种精密的电子设备在雷电灾害中越来越频繁的被毁坏,经过积极的探索,今天,科学的发展已使人们找到了雷电毁坏设备的原因,并找到了利用更先进的设备对雷电灾害进行积极防护的办法。
近50年来,人们使用的电子设备的工作电压越来越低,(1960年代的电子管的工作电压是800V 左右,而今天已广泛使用的集成电路—如笔记本电脑的CPU 的工作电压已低到 0.8V ! 这样,50年前对电子设备不会造成毁坏的雷电磁脉冲,对于抗电压
波动及电磁干扰能力极低的微电子集成电路而言,所能造成的毁坏结果是可想而知的。
科学研究表明,雷击即便没有直接击中建筑物,也会对建筑物内的微电子设备造成毁坏,因为只要雷击中心点发生在距建筑物半径2.5Km 范围内,在此范围内的空间里就会产生极强的电磁场,所有从这个电磁场中穿越的供电线路,网络和信号线路等,都会因电磁感应而在线路上产生浪涌过电压,并沿着线路进入大楼内的设备输入端口,从而将电子设备烧毁。(如下图所示
1950 1960 1970 1980 1990 时间
晶体管
集成电路 2000
个人电脑
凡穿越距直击雷落雷点2.5KM范围内的电源、网络、信号线缆全部会感应到浪涌过电压。
3、雷击损坏设备的几种形式
雷击损坏电气设备及集成度极高的数据网络安防控制设备的形式有:
直击雷所谓直击雷,是指雷电直接击在建筑物、构架、树木、动植物上,因电效应、热效应和机械力效应等造成建筑物等损坏以及人员伤亡。由于直击雷的电磁场有可能使机房微电子设备遭受浪涌过电压的危害。
在地球上任一时刻平均有2000多个雷暴在进行着,平均每秒有100次闪电,每个闪电的强度可以高达10亿伏。一个中等强度的雷暴的功率有108瓦,相当一个小型核电站的输出功率。全球平均每年因雷电灾害造成的直接损失就超过10亿美元,死亡人数在3000人以上,这个统计没有包括中国。美国有精确统计,见表1-1,平均每年有100多人死于雷击,250人受伤。1970-1983年的统计,则有1154人死于雷击,同期死于龙卷风和飓风灾害的人数则为1341人,可见两种灾害对人的伤害是差不多的。
表1-1 1950—1969年期间美国48个州雷击伤亡人数统计表
雷击着火是森林业的最重要灾害之一。全球每天放生云地闪平均约800万次,若按雷电平均分布估算,世界上410万公顷森林,每天要遭50万次雷击,每年平均火灾达5万次,在美国,每年约有10000次森林和野地起火是闪电造成的。美国西部针叶林地区的森林火灾中60%是雷击引起的。加拿大的不列颠哥伦比亚省的森林火灾有40%是雷击造成的。
雷电不仅烧毁森林,而且还会破坏森林中的生态过程,如1972年8月美国佛罗里达州的一片桔林遭雷,52公顷土地上的3255棵树受损害,6个月后,其中2327棵死亡或濒于死亡,只好全部拔掉,据研究,认为是雷电损害了树群的
根系。此外,树皮被雷劈掉是常有的事,从而引起树林的虫害。
自从富兰克林发明避雷针后,建筑物似乎不该有雷灾了事实上这方面的灾害仍不容低估,仅美国农村,每年平均约有2000家以上农户住房遭雷击损坏或起火。近年来由于收音机和电视机普及到广大农村,自装天线、乱拉电源线,致使建筑物受雷击成灾的情况有所增长。
现在建筑物的受雷击大都有一个新特点,就是与科学技术的大发展有关联,一种是由于高的建筑物的兴起,如微波站天线塔、BP机发射天线塔、突出建筑物屋顶的金属结构……都会吸引落雷而使本身所在建筑及附近建筑遭到祸害。另一种是增设的种种架空长导线引雷入室使避雷装置失去作用。而灾害的对象也发生转移,主要不是建筑物本身的损失,而是室内的电器、电子设备被毁,甚至祸及人身。
据《预防时报》报道,1987-1990年四年间,日本发生82起计算机机房雷击事故,平均每年20起。
在我国,每年发生的雷击事件数以万计,人员伤亡和财产损失十分严重。计算机机房遭雷击的事件也频频发生,例如据报道:
1、2009年6月3日,中国北京首都机场三处遭雷击,击坏部分设备。
2、2000年9月20~21日,北京大范围遭雷击,击坏延庆、顺义、房山等
多个单位的计算机、通信等设备。
3、2000年8月8日四川人和镇重庆华新国际城市发展有限公司遭雷击,
击坏两个卫星天线,直接经济损失102万元,间接经济损失15万元。
4、2000年7月17日天津大港区浮板玻璃有限公司遭雷击,自动化生产线
因雷击发生故障,称重传感器被损坏,直接经济损失3万元,停产三
天,间接经济损失约80万元。
5、2000年7月16日天津西青开发区今晚报社造纸有限公司遭雷击,生产
供电线路被雷击瘫痪,设备损坏,经济损失约3.8万元。
6、2000年7月16日天津市市内电话局下属烟台道局和王顶堤局遭雷击,
经济损失约6万元。
7、2000年7月16日,天津西青开发区苏波洛克水损失60万元。
8、2000年7月11日,韶关市西郊收费站遭雷击击坏收费监控系统,大泥
有限公司遭雷击,击坏程控交换机、内部计算机网络等设备,经济损
失约1.2万元。
9、2000年6月16日,襄汾市老东关街遭雷电,原料库的棉垛和尼龙垛被
雷击并引起大火,后经抢救扑灭,直接经济损失51万元。
10、2000年5月25日,内蒙古包头铝业集团电解一、二分公司电解自控系
统遭雷击损失100万元。
11、2000年5月17日,天津外贸纸箱厂遭雷击,致使生产控制线损坏,经
济损失约24万元。
以上统计仅仅是对雷击造成的直接损失进行评估,由此造成的间接损失并未计算入内。
直击雷蕴含极大的能量,电压峰值可达5000KV,具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中,巨大的雷电流沿引下线入地,会造成以下三种影响:a:巨大的雷电流在数微秒时间内流下地,使地电位迅速抬高,造成反击事故,危害人身和设备安全。b:雷电流产生强大的电磁波,在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。C:雷电流流经电气设备产生极高的热量,造成火灾或爆炸事故。
上图表明直击雷击中大楼顶端的避雷针后,强大的雷电流沿着接地下引线泄放入地的过程中,在下引线四周会产生强大的交变电磁场,位于建筑物内部但靠近外墙引下线的地方所摆放的电子网络设备,都可能会被引下线周围的强磁场感应到的过电压所烧毁.,所有距离雷击中心2.5公里内的供电线路、通信线路、网络环路等都有可能被感应到浪涌电压,形成浪涌电流。经过电源回路、通信网络回路窜入设备端口,从而造成设备芯片永久性的破坏,使通信中断,数据丢失。
传导雷远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压,由室外电源线路和通信线路传至建筑物内,损坏电气设备。
感应雷云层之间的频繁放电产生强大的电磁波,在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压,峰值可达50KV。
传导雷、感应雷效果图
开关过电压供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、电源线路短路等,都能在电源线路上产生高压脉冲,其脉冲电压可达到线电压的3.5倍,从而损坏设备。破坏效果与雷击类似。如下图所示:
由此产生的雷电过电压对电子设备的破坏主要有以下几个方面:
1、损坏元器件
a、过高的过电压击穿半导体结,造成永久性损坏;
b、较低而更为频繁的过电压虽在元器件的耐压范围之内,亦使器件的工
作寿命大大缩短;
c、电能转化为热能,毁坏触点、导线及印刷电路板,甚至造成火灾;
2、设备误动作及破坏数据文件。