计算机网络与通信系统的防雷技术.doc

计算机网络与通信系统的防雷技术陆亿红 浙江工业大学计算机系(310014) 徐锦才 水利部农村电气化研究所(310012)摘要随着计算机和通信技术的快速发展，各行各业都不同程度地建立了计算机网络，通信手段也越来越好，同时，由于雷击而导致计算机与通信系统损坏的问题也越来越严重。本文将对现有的避雷器件作比较分析，设计实用、有效的避雷系统，并提出计算机与通信系统的防雷要点。1、引言 早期的电信设备是用诸如继电器、线圈和真空管等元件组成的，这些传统元件对于突波干扰是有一定的免疫力，但是，随着这些传统元件被更先进的元器件及设备，如数字环路载体、多路调制器等所代替，特别是随着计算机网络技术的发展，各行各业都不同程度地建立了计算机网络，保护这些智能设备免遭系统瞬态 干扰的影响就变得更加重要。本文将对现有的避雷器件作比较分析，设计实用的避雷系统，并对计算机房和通信设备系统提出防雷要点。 2、避雷器件与特性分析避雷器件是指能吸收由于雷击或操作过电压引起的脉动能量，从而避免电子设备受损坏或避免寿命降低的器件，包括气体放电管、压敏电阻、抑制二极管和半导体放电管。气体放电管：气体放电管由封装在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距离的两个电极组成。其电气性能基本上取决于气体种类、气体压力以及电极距离。如果发生电压冲击，电极间会产生某种电弧，电离气体放电的路径是由高阻抗转向低阻抗。该放电过程阻止一个更高的冲击幅值，此处的弧电压大约降低1030V。气体放电管受到瞬态高能量冲击时，它能以10-6s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率。压敏电阻：压敏电阻或金属氧化膜压敏电阻允许标志在其上的最大正弦交流工作电压通过。任何高于这一标志电压值的电压会被安全的转换，受到瞬态高能量冲击时，它能以10-9s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率。压敏电阻可用于中等较高的电压冲击场合。抑制二极管：抑制二极管与普通齐纳二极管(稳压管)的工作原理类似。如果高于标志在其上的击穿电压，二极管就会导通。与齐纳管相比，抑制二极管(简称TVS)有更高的电流导通能力。TVS的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。它比使用压敏电阻进行浪涌保护优越得多。具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、体积小等特点。其功能有： (1)将TVS二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或集成电路因瞬间的脉冲，如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。 (2)静电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲，并能持续10ms；而一般的TTL器件，遇到超过30ms的10V脉冲时，便会导致损坏。利用TVS二极管，可有效吸收对器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的雷击等干扰。 (3)将TVS二极管连接在信号线及地之间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。 TVS电压-电流特性曲线如图1(a)所示。它的正向特性与普通二极管相同；反向特性为典型的PN结雪崩器件。图1(b)是TVS的电流-时间和电压-时间曲线。 在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过TVS的电流，由原来的反向漏电流ID上升到IR时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，TVS被击穿。随着脉冲峰值的出现，流过TVS的电流达到峰值脉冲电流IPP。在其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压以下，尔后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的整体过程。 TVS器件可以按极性分为单极性和双极性两种，按用途可分为各种电路都适用的通用型器件和特殊电路适用的专用型器件。如，各种交流电压保护器、420mA电流环保护器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等。若按封装及内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插TVS阵列(适用多线保护)、贴片式、组件式和大功率模块式等。 半导体放电管：半导体放电管的工作状态如同一个开关。在断开状态下，其漏电流IDRM极小(5A)，不会影响与其并联的被保护电路的正常工作。当瞬间过电压超过其断态峰值电压VDRM时，产生瞬间雪崩效应，一旦瞬间电流超过开关电流IS，其电压即降为导通电压VT(5V)，大量的瞬间浪涌电流就此傍路，因而保护了并联的敏感电子线路。浪涌之后，当电流降到最小维持电流IH值之下时，半导体放电管自然恢复，回到其阻断状态。 从以上分析可见：半导体放电管和TVS管反应速度快，时间为10-12s级；压敏电阻和气体放电管的反应速度相对而言较慢，时间分别为10-9s和10-6S，而吸收的能量要比半导体放电管和TVS管大。 3、计算机网络与通信系统的避雷器设计 计算机网络与通信系统的避雷器主要是把雷击或操作过电压引起的暂态干扰能量及时泄放掉，保护 计算机与通信设备不受损坏，而在正常工作时不影响数据通信。其避雷器组成框图如图2所示。 图中，一级、二级能量泄放模块将雷击或操作过电压引起的暂态干扰中的大部分能量吸收泄放入地，而快速限压模块主要是及时削减干扰电压，以免高电压冲击造成计算机和通信系统内集成块永久性损坏。因半导体放电管和TVS管反应速度为10-12s级，压敏电阻和气体放电管的反应时间分别为10-9s和10-6s，所以避雷器中快速限压模块一般采用半导体放电管或TVS管。一级能量泄放模块采用气体放电管，二级能量泄放模块采用压敏电阻。考虑到雷击或操作过电压能量太大时，会引起避雷元器件爆裂或永久性损坏，避雷器可以增加熔丝保护。具体的避雷元器件选取方法为：压敏电阻的选用：对于过电压保护方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一般用以下公式计算： V1av/bc式中a电源电压波动系数，一般取1.2 v电路直流工作电压(交流时为有效值)b压敏电压误差，一般取0.85 c元件的老化系数，一般取0.9这样计算得到的V1实际数值是直流工作电压的1.5倍。在交流状态下要考虑电压峰值，因此计算结果 应扩大1.414倍，在应用中可参考此公式通过实验来确定。另外要考虑压敏电阻的通流量的选取，通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形，冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时产品压敏电压变化率小于初值的10%所能承受的最大电流值。产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间隙时间的函数。当电流波形幅值降低50%时冲击次数可增加一倍，所以在实际应用中，压敏电阻器所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量，以使产品有较高的工作寿命。TVS的选用：首先确定被保护电路的最大直流或连续工作电压，电路的额定标准电压和“高端”容限。TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压，最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。TVS并联应用时，由于分流作用而允许总电流增加；串联时，总电压为各个TVS压降之和。对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适分布电容C的TVS器件。半导体放电管的选用：半导体放电管的VDRM值必须大于它所保护的最大工作电压，VS值必须小于被保护器件所允许的瞬间峰值电压，IPP必须大于计算机或通讯设备标准的规定值，并要考虑断态分布电容的影响。 4、计算机房、通信系统防雷要点 计算机房、通信系统防雷主要由外部防雷系统和内部防雷系统两部分组成。外部防雷包括空气截雷系统即避雷针或避雷带、引下线或接地系统，外部防雷系统应在建筑物设计、建筑施工阶段给予高度重视，以便利用建筑物自身的金属构件达到经济实用的防雷目的；内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的设备，如计算机及其通信口、电话机、复印机、UPS、数据传输线及空调机等电子设备加装过电压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，保护装置能快速动作将能量泄放，从而保护设备不受损坏。具体防雷要点为： 4.1机房的防雷接地要求 感应雷侵入机房及计算机网络系统的途径主要有三方面：于交流380V、220V的电源线进入、信号传输通道引入、地电位反击等。为了确保机房设备及电脑网络系统稳定可靠运行，以及保障机房工作人员有安全工作环境，根据我国及国际有关规范规定，机房所在的整个楼房建筑体的接地应按均压等电位原则设计，即电子设备的工作接地、保护接地(包括屏蔽接地和建筑物防雷接地)共同合用一组接地体的联合接地方式，机房为防止地电位反击，其接地电阻不应大于1。 4.2机房及信息系统的防雷保护 (1)配电系统采取防雷措施。 (2)计算机外设采取防雷措施，即电源进线并联压敏电阻和TVS管，形成过电压防护，信号线采用信号防雷器引入，信号防雷器可根据图2所示的原理构成。(3)通讯系统的信号线经电缆或穿管(埋地)引入室内，在交换机或Modem之前，经过信号防雷器，将信号送至收信设备。到达收信设备(传真机、电话机等)后