監(jiān)控弱電設(shè)備的雷電危害分析及保護(hù)

監(jiān)控弱電設(shè)備的雷電危害分析及保護(hù)

1概述

防雷是一個(gè)老話題，但仍在不斷發(fā)展中，應(yīng)該說(shuō)現(xiàn)在尚

無(wú)萬(wàn)試萬(wàn)靈的產(chǎn)品。防雷技術(shù)還有許多待探究的東西，目前雷云起電

的機(jī)理還不清楚，雷電感應(yīng)的定量研究也很薄弱，因此防雷產(chǎn)品也在

發(fā)展中，一些新研制開(kāi)發(fā)的防雷產(chǎn)品其性能和效果，仍需以科學(xué)的態(tài)

度在施行中檢驗(yàn)，并在理論上發(fā)展完善。由于雷電本身是小概率事件,

需要大量長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)分析才能得到有益的結(jié)果，這需要各方的通力合

作才能得以實(shí)現(xiàn)。

雷電是一種常見(jiàn)的大氣放電現(xiàn)象。在夏天的午后或黃

昏，地面的熱空氣攜帶大量的水汽不斷地上升到高空，形成大范圍的

積雨云，積雨云的不同部位聚集著大量的正電荷或負(fù)電荷，形成雷雨

云，而地面因受到近地面雷雨云的電荷感應(yīng)，也會(huì)帶上與云底相反極

性的電荷。當(dāng)云層里的電荷越積越多，達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)把空氣

擊穿，打開(kāi)一條狹窄的通道強(qiáng)行放電。當(dāng)云層放電時(shí)，由于云中的電

流很強(qiáng)，通道上的空氣瞬間被燒得灼熱，溫度高達(dá)6000-200009，

所以發(fā)出耀眼的強(qiáng)光，這就是閃電，而閃道上的高溫會(huì)使空氣急劇膨

脹，同時(shí)也會(huì)使水滴汽化膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，這種激烈的沖擊波

活動(dòng)形成了雷聲。由于雷電釋放的能量相當(dāng)大，它所產(chǎn)生的強(qiáng)大電流、

灼熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的靜電場(chǎng)和激烈的電磁輻射等物理

效應(yīng)給人們帶來(lái)了多種危害。

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，微電子技術(shù)的不斷發(fā)展；自動(dòng)化水

平也在不斷提升，自動(dòng)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)生活各個(gè)方面的使用越來(lái)越

廣，微電子設(shè)備應(yīng)用日益廣泛，人們?cè)谑芤嬗谖㈦娮拥臉O大方便的同

時(shí)，也受到其一旦損壞就損失龐大的困擾。實(shí)際中，在規(guī)劃制定自動(dòng)

控制系統(tǒng)的時(shí)，往往對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的防雷未加合計(jì)或合計(jì)不夠的狀

況較多，一旦有雷電波侵入，設(shè)備損壞一般是龐大的，有的甚至使整

個(gè)系統(tǒng)癱瘓，造成無(wú)可挽回的損失。一些微電子器件工作電壓僅幾伏,

傳遞信息電流小至微安級(jí)，對(duì)外界的干擾極其敏感，而雷電流產(chǎn)生的

瞬變電磁場(chǎng)對(duì)微電子設(shè)備的干擾和損害尤為嚴(yán)重。在雷雨季節(jié)，自動(dòng)

化顯示系統(tǒng)、通信聯(lián)系系統(tǒng)（Modem、載波機(jī)、程控交換機(jī)等）等常常

損壞，造成較大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。無(wú)論有些自動(dòng)化系統(tǒng)采用了

一定的防雷措施，但仍常出現(xiàn)由于雷擊發(fā)生使的弱電設(shè)備損壞，例如;

變電站線路落雷，造成主控地與設(shè)備之間的電位差而損壞大量的保護(hù)

設(shè)備；變電站的微波塔落雷，由于感應(yīng)過(guò)電壓而損壞大量的通訊、遠(yuǎn)

動(dòng)設(shè)備損壞。其主要原因是由于一次設(shè)備發(fā)生雷擊后在弱電設(shè)備造成

的浪涌超過(guò)了設(shè)備承受的能力而損壞設(shè)備的，浪涌的主要形式是電源

浪涌、信號(hào)浪涌。

雷擊是一種自然現(xiàn)象，它能釋放出龐大的能量、具有極

深大的破壞能力。幾個(gè)世紀(jì)來(lái)，人類通過(guò)對(duì)雷擊破壞性的研究、探究,

對(duì)雷電的危害采用？一定的預(yù)防措施，有效地降低了雷害，采用正確、

全面的防雷措施是保證弱電設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要手段。

人們通常把發(fā)生閃電的云稱為雷雨云，其實(shí)有幾種云都

與閃電有關(guān)，如層積云、雨層云、積云、積雨云，最重要的則是積雨

云，一般專業(yè)書(shū)中講的雷雨云就是指積雨云。云的形成過(guò)程是空氣中

的水汽經(jīng)由各種原因達(dá)到飽和或過(guò)飽和狀態(tài)而發(fā)生凝結(jié)的過(guò)程。使空

氣中水汽達(dá)到飽和是形成云的一個(gè)必要條件，其主要方式有：水汽含

量不變，空氣降溫冷卻；溫度不變，增加水汽含量；既增加水汽含

量，又降低溫度。

但對(duì)云的形成來(lái)說(shuō)，降溫過(guò)程是最主要的過(guò)程。而降溫

冷卻過(guò)程中又以上升運(yùn)動(dòng)而引起的降溫冷卻作用最為普遍，積雨云就

是一種在激烈垂直對(duì)流過(guò)程中形成的云。由于地面汲取太陽(yáng)的輻射熱

量遠(yuǎn)大于空氣層，所以白天地面溫度升高較多，夏日這種升溫更為顯

然，所以近地面的大氣的溫度由于熱傳導(dǎo)和熱輻射也跟著升高，氣體

溫度升高必定膨脹，密度減小，壓強(qiáng)也隨著降低，依據(jù)力學(xué)原理它就

要上升，上方的空氣層密度相對(duì)說(shuō)來(lái)就較大，就要下沉。熱氣流在上

升過(guò)程中膨脹降壓，同時(shí)與高空低溫空氣進(jìn)行熱交換，于是上升氣團(tuán)

發(fā)生變化，特別是微電子產(chǎn)品普遍絕緣強(qiáng)度低，過(guò)電壓耐受力差，容

易遭受雷電侵襲，其中電腦網(wǎng)絡(luò)、通訊指揮系統(tǒng)和公用天線都是重災(zāi)

區(qū)。從某種意義上說(shuō)，科技越發(fā)達(dá)，雷擊對(duì)人們的威脅就越大。雷電

危害可分成直擊雷、感應(yīng)雷和浪涌三種。

雷電流在閃擊中直接進(jìn)入金屬管道或?qū)Ь€時(shí)，它們沿著

金屬管道或?qū)Ь€可以傳送到很遠(yuǎn)的地方。除了沿管道或?qū)Ь€產(chǎn)生電或

熱效應(yīng)，破壞其機(jī)械和電氣連接之外，當(dāng)它侵入與此相連的金屬設(shè)施

或用電設(shè)備時(shí)，還會(huì)對(duì)金屬設(shè)施或用電設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣結(jié)構(gòu)產(chǎn)

生破壞作用，并危及有關(guān)操作和使用人員的安全。雷電流從導(dǎo)線傳送

到用電設(shè)備，如電氣或電子設(shè)備時(shí)，將出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)大的雷電沖擊波及

其反射分量。反射分量的幅值無(wú)論沒(méi)有沖擊波大，但其破壞力也大大

超過(guò)半導(dǎo)體或集成電路等微電子器件的負(fù)荷能力，尤其是它與沖擊波

疊加，形成駐波的狀況下，便成了一種強(qiáng)大的破壞力。

感應(yīng)雷是雷電在雷云之間或雷云對(duì)地放電時(shí)，在四周的

戶外傳輸信號(hào)線路、埋地電力線、設(shè)備間連接線產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入

設(shè)備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設(shè)備遭到損害。感應(yīng)雷雖然沒(méi)

有直接雷猛烈，但其發(fā)生的幾率比直擊雷高得多。感應(yīng)雷的破壞也稱

為二次破壞。雷電流變化梯度很大，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場(chǎng)，使得四

周的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流可能向四周物體放電，如四周

有可燃物就會(huì)引發(fā)火災(zāi)和爆炸，而感應(yīng)到正在聯(lián)機(jī)的導(dǎo)線上就會(huì)對(duì)設(shè)

備具有激烈的破壞性。

感應(yīng)雷可分為以下兩類：

3.2.1靜電感應(yīng)雷；

3.2.2電磁感應(yīng)雷；

雷擊發(fā)生在供電線路四周，或擊在避雷針上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大

的交變電磁場(chǎng)，此交變電磁場(chǎng)的能量將感應(yīng)于線路并最終作用到設(shè)備

上（由于避雷針的存在，建筑物上落雷機(jī)會(huì)反倒增加，內(nèi)部設(shè)備遭感

應(yīng)雷危害的機(jī)會(huì)和程度一般來(lái)說(shuō)是增加了），對(duì)用電設(shè)備造成極大危

害。

雷電浪涌是近年來(lái)由于微電子設(shè)備的不斷應(yīng)用而引起

人們極大重視的一種雷電危害形式，同時(shí)其防護(hù)方式也不斷完善。最

常見(jiàn)的電子設(shè)備危害不是由于直接雷擊引起的，而是由于雷擊發(fā)生時(shí)

在電源和通訊線路口感應(yīng)的電流浪涌引起的。一方面由于電子設(shè)備內(nèi)

部結(jié)構(gòu)高度集成化（VLSI芯片），從而造成設(shè)備耐壓、耐過(guò)電流的水

平下降，對(duì)雷電（包括感應(yīng)雷及操作過(guò)電壓浪涌〕的承受能力下降，

另一方面由于信號(hào)來(lái)源路徑增多，系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波侵

入。浪涌電壓可以從電源線或信號(hào)線等途徑竄入微電子設(shè)備設(shè)備。我

們就這電源浪涌和信號(hào)系統(tǒng)浪涌?jī)煞矫娣謩e討論其對(duì)弱電設(shè)備的危

害：

3.3.1電源浪涌；

3.3.2信號(hào)系統(tǒng)浪涌；

信號(hào)系統(tǒng)浪涌電壓的主要來(lái)源是感應(yīng)雷擊、電磁干擾、

無(wú)線電干擾和靜電干擾。金屬物體（如傳輸線）受到這些干擾信號(hào)的

影響，會(huì)使傳輸中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼，影響傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和傳輸速率。

排除這些干擾將會(huì)改善網(wǎng)絡(luò)的傳輸狀況.

目前，直擊雷造成的災(zāi)害已顯然減少，而隨著城市經(jīng)濟(jì)

的發(fā)展，感應(yīng)雷和雷電波侵入造成的危害卻大大增加。一般建筑物上

的避雷針只能預(yù)防直擊雷，而強(qiáng)大的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)雷和脈沖電壓

卻能潛入室內(nèi)危及電視、及聯(lián)網(wǎng)微機(jī)等弱電設(shè)備。

目前，雷電災(zāi)害已被國(guó)際電工委員會(huì)UEC）稱為“電

子化時(shí)代的一大公害〃。因隨著微電子設(shè)備應(yīng)用的日益廣泛和普及，

雷電會(huì)導(dǎo)致對(duì)微電子設(shè)備多種不同形式的危害，而目前仍沒(méi)有任何一

種辦法可以全面防止雷電的危害，只能通過(guò)各種有效的辦法可將雷害

的程度降到最低，在多年的實(shí)際中人們對(duì)直擊雷、感應(yīng)雷、球形雷的

熟悉比較高，防護(hù)也相對(duì)完善，但對(duì)雷電浪涌的防護(hù)意識(shí)和防護(hù)措施

相對(duì)比較薄弱，為此完善對(duì)雷電涌的防護(hù)理論，開(kāi)發(fā)研制新型的防雷

電涌器件是E時(shí)代的基礎(chǔ)技術(shù)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，約75%的現(xiàn)場(chǎng)微電子設(shè)備故障因EOS(電氣過(guò)應(yīng)

力)而引起過(guò)電流或過(guò)電壓，因此電路制定人員應(yīng)該注意導(dǎo)致EOS的

原因，并提供適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)以保證設(shè)備安全可靠地工作。系統(tǒng)制定

人員應(yīng)該清楚地了解每一個(gè)電子設(shè)備的電壓和電流參數(shù)、以及特定電

路和元器件的限制，在系統(tǒng)中制定低成本的電路保護(hù)器件。

現(xiàn)在可選擇幾種技術(shù)以提供過(guò)流保護(hù)，這些技術(shù)包括傳

統(tǒng)的熔絲管(玻璃和陶瓷型)、薄膜保險(xiǎn)絲和基于聚合物的正溫度系

數(shù)(PTC)器件。

4.L1表面安裝型保險(xiǎn)絲；

薄膜保險(xiǎn)絲屬于外形小巧類表面安裝元件，可為下一代

電腦和電訊、數(shù)據(jù)通訊產(chǎn)品中的昂貴IC提供過(guò)流保護(hù)。典型的移動(dòng)

電路一般都有多個(gè)為昂貴的VLSI電路提供過(guò)流保護(hù)的薄膜保險(xiǎn)絲，

這些保險(xiǎn)絲工作于大同的額定電流和額定電壓下。表面安裝型保險(xiǎn)絲

(SMF)的典型封裝尺寸為1206(3.2mmXXO.8mm)o這些保險(xiǎn)絲的

最大同意電流為：1206型7安培，0603型5安培。這些片式保險(xiǎn)絲

可提供與電池組、移動(dòng)、筆記本電腦、LCD監(jiān)視器、PDA和調(diào)制解

調(diào)器匹配合格的緊湊制定。當(dāng)前用薄膜技術(shù)制定出的最小保險(xiǎn)絲尺寸

為0402,同意的電流范圍從250mA?2A。

4.L2通用模塊型保險(xiǎn)絲(UMF)；

市場(chǎng)上現(xiàn)有的保險(xiǎn)絲均遵循UL248或IEC技術(shù)規(guī)格，遵

循IEC127標(biāo)準(zhǔn)制定的傳統(tǒng)5mmX20mm熔絲管已得到UL認(rèn)證，并獲得

UR(UL認(rèn)證)證書(shū)，無(wú)論IEC127—4標(biāo)準(zhǔn)概述了通用模塊型保險(xiǎn)絲

(UMF)的技術(shù)規(guī)格，但目前市場(chǎng)上尚無(wú)得到任何IEC代理機(jī)構(gòu)認(rèn)證

的表面安裝型保險(xiǎn)絲。NAN02通用模塊型保險(xiǎn)絲是第一種滿足IEC127

一4規(guī)范的產(chǎn)品，其額定電壓為125V,額定電流可為50mA、lA和1.6A。

PTC可復(fù)位型保險(xiǎn)絲的工作原理是，在過(guò)流狀況下通過(guò)

調(diào)高自身電阻來(lái)保護(hù)電路免受損害，一旦電流恢復(fù)正常，PTC可復(fù)位

保險(xiǎn)絲能自動(dòng)恢復(fù)到正常低阻值，并同意電流通過(guò)。這些特性使得

PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲在電池供電的電子產(chǎn)品和數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用中，成為理

想的選擇，因?yàn)樵诟膿Q電池或插拔數(shù)據(jù)連接時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)瞬間浪涌電

流。PTC可復(fù)位型保險(xiǎn)絲通常在某些電路中取代傳統(tǒng)的玻璃保檢絲，

并主要用于USB。

4.2PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲和一般保險(xiǎn)絲選用

這兩種保險(xiǎn)絲都借助感應(yīng)電路中過(guò)電流產(chǎn)生的熱量來(lái)

實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，一般保險(xiǎn)絲借助熔化來(lái)中斷電流，而PTC通過(guò)將低阻

改變?yōu)楦咦鑱?lái)限制電流。理解這兩種類型器件之間的差異將有助于選

擇最好的電路保護(hù)器件。在選擇過(guò)流保護(hù)器件時(shí)，通常合計(jì)以下4個(gè)

因素。

4.2.1可復(fù)位性；

兩者最顯然的差異在于PTC是可復(fù)位的，通常過(guò)流發(fā)生后

采用的步驟是先斷電，然后使器件冷卻下來(lái)。

4.2.2阻抗；

產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格顯示，在額定值大致相同的狀況下，PTC

具有保險(xiǎn)絲2倍以上的阻抗。這個(gè)特性在制定用電池供電的設(shè)備時(shí)尤

其特別，高阻抗器件增加的電能消耗不僅會(huì)縮短電池的壽命，而且還

將導(dǎo)致更頻繁的充電作業(yè)。

4.2.3時(shí)間、電流特性；

比較PTC和保險(xiǎn)絲的時(shí)間、電流曲線圖，PTC的響應(yīng)速

度比一般保險(xiǎn)絲要慢得多，而這一點(diǎn)對(duì)保護(hù)電路中異常敏感的部分特

別關(guān)鍵。

一般保險(xiǎn)絲的功率密度比PTC大得多，高達(dá)5A的保險(xiǎn)

絲已可采納0603封裝，2A的則采納0402封裝。最正確尺寸的表面

安裝型PTC的最大額定電流為2、6A,采納1812封裝，業(yè)界主要制

造商正在開(kāi)發(fā)1206封裝，并致力于增加電流承載能力。

4.3過(guò)壓保護(hù)

在任何電子設(shè)備中都可能出現(xiàn)瞬態(tài)電壓，它通常是由電

路故障、雷擊或ESD引發(fā)的?，F(xiàn)在已開(kāi)發(fā)出幾種提供過(guò)電壓電路保護(hù)

的零配件，包括二極管、MOV、MLV、瞬態(tài)電壓抑制器和ESI）抑制器。

4.3.1變阻器；

金屬氧化物變阻器（MOV）專為抑制汽車、電訊和交流

電源應(yīng)用中的過(guò)電壓而制定。MOV是一種電壓鉗位元件，其阻抗與電

壓有關(guān)，如電壓超過(guò)其閾值則其阻抗將變得非常小。MOV具有高的V

—I非線性特性，反應(yīng)速度快，能承受很高峰值電流，待機(jī)狀態(tài)下漏

電流又較低。MOV的主要用途是保護(hù)那些必須滿足"瞬態(tài)電壓浪

涌抑制器”UL1449各項(xiàng)要求的產(chǎn)品免受雷電損害。一個(gè)四周的閃電放

電可通過(guò)云層到地或云層到云層感應(yīng)出電磁場(chǎng)，這個(gè)電磁場(chǎng)能在原邊

電路或副邊電路中感應(yīng)出電壓。直接的閃電放電能在交流電網(wǎng)或

線路上產(chǎn)生高的浪涌電壓。在敏感電路中安裝的MOV器件可以將雷擊

帶來(lái)的不利影響最小化。

多層變阻器（MLV）較小，是一種合適保護(hù)便攜式和電

腦設(shè)備中低電壓電路的表面安裝型無(wú)引線片式變阻器。同MOV一樣，

在電壓超過(guò)其閾值時(shí)MLV就變得高度導(dǎo)電。MLV可以具有不同的電壓

和電流額定范圍，以滿足各種應(yīng)用要求，容值僅為10pF的新款

0402MLV在移動(dòng)電路中得到了極好的應(yīng)用。

典型的變阻器主要是為工作于18V或更低電壓的電路

板的應(yīng)用制定的，這些表面安裝器件通常應(yīng)用在移動(dòng)通訊、電腦、醫(yī)

療儀和便攜式設(shè)備口。

隨著電子工業(yè)界探究更多地提升效率和增加功能、降低

產(chǎn)品成本和制造更緊湊便攜式產(chǎn)品的方法，新的制定趨勢(shì)是在單個(gè)封

裝中整合更多不同類型的元件，以提供完整的電路保護(hù)解決方案。將

過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)器件、過(guò)溫、過(guò)壓保護(hù)器件和ESD抑制器整合在一起

的新產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)之中，它們將形成電路保護(hù)技術(shù)的又一次革命。瞬

態(tài)電壓抑制器是另一種選擇，Surgector就是其中之一，它專為有線

通訊系統(tǒng)提供二級(jí)保護(hù)。Surgector采納矽閘流技術(shù)以提供雙向鉗位

保護(hù)，該器件可用來(lái)汲取通訊電路的瞬態(tài)波形和高峰值浪涌電流。

Surgector有雙極性、單極性和編程式SCR3種類型，并采納表面安

裝、DO214AA封裝和直插式T0-202封裝。

[1）ESD抑制器；現(xiàn)代電子系統(tǒng)（不管是便攜的、機(jī)

載的，還是陸基的）中的高發(fā)度電路，都很容易受到靜電或ESD的侵

害。人體能產(chǎn)生超過(guò)15kV的ESD,因此為了有效防止ESD侵害，要

求許多新的電子設(shè)備必須滿足IEC61000—4—2標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)的鉗位二極管和多層變阻器（MLV）通常用來(lái)保護(hù)

低速、高功耗固體電路，不過(guò)，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的進(jìn)步，市場(chǎng)正

向低電壓、高速集成電路方向發(fā)展，這些具有較大寄生電容的器件可

能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸矢真。目前一種從聚合物正溫度系數(shù)（PTC）技術(shù)

發(fā)展而來(lái)的新器件，具有處理常常出現(xiàn)在IC之間的較大ESD脈沖的

性能。

靜電（ESD）抑制器的聚合物結(jié)構(gòu)使得制造商可生產(chǎn)出

各種形狀的ESD抑制器，以滿足各種不同應(yīng)用的需要。該器件具有小

于IpF的電容，可提供合格的限制信號(hào)降級(jí)和衰減的性能，以保證高

速數(shù)據(jù)線和下一代電池組電路制定中的數(shù)據(jù)線能正常工作。

⑵TVS管即瞬態(tài)電壓抑制器。

當(dāng)其兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10—12s

量級(jí)的速度，將兩級(jí)間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，汲取高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌

功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值（一般小于2倍額定工作電

壓），有效的保護(hù)電子電路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的破壞。

TVS管的伏安特性；其正向特性與一般二級(jí)管相同，反

向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。在瞬態(tài)脈沖電流的作用下，流過(guò)TVS

管的電流，由原來(lái)的反向漏電流ID上升到IR時(shí)，其兩極浮現(xiàn)的電

壓由額定反向關(guān)斷電壓Uoff上升到擊穿電壓UBR,TVS管被擊穿。隨

著峰值脈沖電流的匕現(xiàn)，流過(guò)TVS管的電流達(dá)到峰值脈沖電流Ipp,

其兩極的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓Uc以下；其后，隨著脈

沖電流按指數(shù)衰減，TVS管兩極電壓不斷下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)。

這就是TVS管抑制巳現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元件的過(guò)程。

TVS管的顯著特點(diǎn)為：響應(yīng)速度快（10—12s級(jí)）、瞬時(shí)

汲取功率大（數(shù)千瓦）、漏電流?。?0—9A級(jí)）、擊穿電壓偏差?。ā?%

UBR與±10%UBR兩種）、箝位電壓較易控制（箝位電壓Uc與擊穿電壓

UBR之比為1.2?1.4）、體積小等。它對(duì)保護(hù)裝置免遭靜電、雷電、

操作過(guò)電壓、斷路器電弧重燃等各種電磁波干擾十分有效，可有效地

抑制共模、差模干擾，是微電子設(shè)備過(guò)電壓保護(hù)的首選器件。

隨著科技的不斷發(fā)展，人類已步入信息社會(huì)，計(jì)算機(jī)

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及越來(lái)越多的辦公大樓、寫字樓、醫(yī)院、銀行、賓館等

建筑離不開(kāi)綜合布線系統(tǒng)。配置綜合布線系統(tǒng)，猶如為建筑物建立了

一個(gè)高速，大容量的信息傳送平臺(tái)，為建筑智能化提供了快速的信息

通道。計(jì)算機(jī)、程控交換機(jī)、CATV等微弓子設(shè)備日益增多，而微電

子器件承受雷電電磁脈沖能力較差，因此，雷害事故不斷發(fā)生。我國(guó)

每年因雷擊破壞建筑物內(nèi)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的事件時(shí)有發(fā)生，所造成的

損失是非常龐大的。因此綜合布線系統(tǒng)的防雷制定就顯得尤其重要Q

我們知道雷電入侵電器設(shè)備的形式有兩種：直擊雷和感

應(yīng)雷。雷電直接擊中線路并經(jīng)過(guò)電器設(shè)備入地的雷擊過(guò)電流稱為直擊

雷；由雷閃電流產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場(chǎng)變化與導(dǎo)體感應(yīng)出的過(guò)電壓，過(guò)電

流形成的雷擊稱為感應(yīng)雷。

目前，在建筑物防雷系統(tǒng)制定上，是執(zhí)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建

筑物防雷制定規(guī)范》GB50057—94,制定由避雷網(wǎng)（帶），避雷針或混

合組成的接閃器，立柱基礎(chǔ)的鋼筋網(wǎng)與鋼屋架，屋面板鋼筋等構(gòu)成一

個(gè)整體，避雷網(wǎng)通過(guò)全部立柱基礎(chǔ)的鋼筋作為接地體，將強(qiáng)大的雷電

流入大地。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安排在建筑物內(nèi)，受建筑物防雷系統(tǒng)保護(hù)，直

擊雷擊中計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可能性非常小，計(jì)算機(jī)設(shè)備抗直擊雷能力

很低，防護(hù)設(shè)備非常昂貴，通常不必安裝防護(hù)直擊雷的設(shè)備，而計(jì)算

機(jī)網(wǎng)絡(luò)必須防感應(yīng)雷和雷電浪涌電壓。

產(chǎn)生干擾必須具備三個(gè)條件：干擾源、干擾通道、易受

干擾設(shè)備。

干擾源分為內(nèi)部和外部。內(nèi)部主要是裝置原理和產(chǎn)品質(zhì)

量等。外部主要由使用條件和環(huán)境因素決定，如工作電源直流回路受

開(kāi)關(guān)操作和天氣影響等而引起的浪涌電壓，強(qiáng)電場(chǎng)或強(qiáng)磁場(chǎng)以及電磁

波輻射等。

干擾通道有傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合和電磁耦合三種。

外部主要通過(guò)分布電容的電磁耦合傳到內(nèi)部；內(nèi)部則三種均有。

由于設(shè)備采納的敏感元件的選用和結(jié)構(gòu)布局等不盡合

理，造成本身抗干擾能力差，對(duì)干擾加乂抑制，降低其幅度，減少

其影響力，這是從外部環(huán)境上加以改善。

感應(yīng)雷可由靜電感應(yīng)產(chǎn)生，也可由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，形成

感應(yīng)雷電壓的機(jī)率很高，對(duì)建筑物內(nèi)的弱電設(shè)備威脅龐大，計(jì)算機(jī)網(wǎng)

絡(luò)系統(tǒng)及程控交換機(jī)的防雷工作重點(diǎn)是防止感應(yīng)雷入侵。入侵計(jì)

算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的雷電過(guò)電壓過(guò)電流主要有以下三個(gè)途徑：

2.1.1由交流電220V電源供電線路入侵；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

的電源由電力線路輸入室內(nèi)，電力線路可能遭受直擊雷和感應(yīng)雷。直

擊雷擊中高壓電力線路，經(jīng)過(guò)變壓器耦合到220伏低壓，入侵計(jì)算機(jī)

供電設(shè)備；另外低壓線路也可能被直擊雷擊中或感應(yīng)雷過(guò)電壓。在

220伏電源線上出現(xiàn)的雷電過(guò)電壓平均可達(dá)10000伏，對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)可造成毀滅性打擊。電源干擾復(fù)雜性中眾多原因之一就是包含著

眾多的可變因素，電源干擾可以以“共?！盎颉安钅！狈绞酱嬖??！肮材?

干擾是指電源線與穴地，或中性線與大地之間的電位差?！安钅！备蓴_

存在于電源相線與口性線之間。對(duì)三相電源來(lái)講，還存在于相線與相

線之間。電源干擾復(fù)雜性中的第二個(gè)原因是干擾狀況可以從繼續(xù)周期

很短暫的尖峰干擾到全失電之間的變化。

電源干擾進(jìn)入設(shè)備的途徑；一是電磁耦合；二是電容耦

合；三是直接進(jìn)入三種。

2.L2由計(jì)算機(jī)通信線路入侵；可分為三種狀況：

(1)當(dāng)?shù)孛嫣貏e物遭直擊雷打擊時(shí)，強(qiáng)雷電壓將鄰近土

壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進(jìn)而擊穿外皮，使高壓入侵線

路。

(2)雷云對(duì)地面放電時(shí)，在線路上感應(yīng)出上千伏的過(guò)電

壓，擊壞與線路相連的電器設(shè)備，通過(guò)設(shè)備連線侵入通信線路。這種

入侵沿通信線路傳播，涉及面廣，危害范圍大。

(3)假設(shè)通過(guò)一條多芯電纜連接不同來(lái)源的導(dǎo)線或者多

條電纜平行鋪設(shè)時(shí)，當(dāng)某一導(dǎo)線被雷電擊中時(shí)，會(huì)在相鄰的導(dǎo)線感應(yīng)

出過(guò)電壓，擊壞低壓電子設(shè)備。

2.1.3地電位反擊電壓通過(guò)接地體入侵；雷擊時(shí)強(qiáng)大的

雷電流經(jīng)過(guò)引下線和接地體泄入大地，在接地體四周放射型的電位分

布，假設(shè)有連接電子設(shè)備的其他按地體靠近時(shí)，即產(chǎn)生高壓地電位反

擊，入侵電壓可高達(dá)數(shù)萬(wàn)伏。建筑物防直擊雷的避雷引入了強(qiáng)大的雷

電流通過(guò)引下線入地，在四周空間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)變化，會(huì)在相鄰

的導(dǎo)線(包括電源線和信號(hào)線)上感應(yīng)出雷電過(guò)電壓，因此建筑物避雷

系統(tǒng)不但不能保護(hù)計(jì)算機(jī)，反而可能引入了雷電。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等

設(shè)備的集成電線芯片耐壓能力很弱，通常在100伏以下，因此必須

建立多層次的計(jì)算機(jī)防雷系統(tǒng)，層層防護(hù)，保證計(jì)算機(jī)特別是計(jì)算機(jī)

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全。

雷電沖擊影響微電子設(shè)備構(gòu)成系統(tǒng)的耦合機(jī)制有下面

幾種。

2.2.1電阻耦合；雷電放電將使受影響的物體相關(guān)于遠(yuǎn)

端地的電位上升高達(dá)幾百千伏，地電位升高形成的電流將分布到設(shè)備

的金屬部分。如連接到系統(tǒng)參照點(diǎn)數(shù)據(jù)線和電源電線。電纜屏蔽層的

電流在屏蔽層與芯線之間引起過(guò)電壓，其數(shù)值與傳輸阻抗成正比例。

2.2.2磁耦合；在導(dǎo)體上流通的或處在雷電通道的雷電

流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在幾百米范圍內(nèi)，可以認(rèn)為磁場(chǎng)的時(shí)間變化率與雷電

電流時(shí)間變化率相同。然而，磁場(chǎng)常常被建筑材料和四周的物體所衰

減和改變。磁場(chǎng)的變化會(huì)在室內(nèi)外電纜設(shè)備上產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓。

2.2.3電耦合；雷電通道下端的電荷會(huì)在四周產(chǎn)生一個(gè)

很強(qiáng)的電場(chǎng)，它對(duì)鞭狀天線設(shè)備有影響，而關(guān)于建筑物內(nèi)部電場(chǎng)干擾

一般可以忽略。

按照防護(hù)范圍可將弱電設(shè)備的防雷措施分為兩類，外部

防護(hù)和內(nèi)部防護(hù)。外部防護(hù)是指對(duì)安裝弱電設(shè)備的建筑物本體的安全

防護(hù)，可采納避雷針、分流、屏蔽網(wǎng)、均衡電位、接地等措施，這種

防護(hù)措施人們比較重視、比較常見(jiàn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較完善。內(nèi)部防護(hù)是

指在建筑物內(nèi)部弱電設(shè)備對(duì)過(guò)電壓〔雷電或電源系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓）的

防護(hù)，其措施有：等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、保護(hù)隔離、合理布線和設(shè)置過(guò)

電壓保護(hù)器等措施，這種措施相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較新的辦法，也不夠完善,

針對(duì)弱電設(shè)備防雷的特性機(jī)理，對(duì)雷電浪涌及地電位差的防護(hù)進(jìn)行探

討。

3.1弱電設(shè)備的外部防護(hù)

弱電設(shè)備的外部防護(hù)首先是使用建筑物的避雷針將主

要的雷電流引入大地；其次是在將雷電流引入大地的時(shí)候盡量將雷電

流分流，避免造成過(guò)電壓危害設(shè)備；第三是利用建筑物中的金屬部件

以及鋼筋可以作為太規(guī)則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作用，如果建

筑物中的設(shè)備是低壓電子邏輯系統(tǒng)、遙控、小功率信號(hào)電路的電器，

則需要加裝專門的屏蔽網(wǎng)，在整個(gè)屋面組成不大于5m-5m,6m-4m的網(wǎng)

格，所有均壓環(huán)采納避雷帶等電位連接；第四是建筑物各點(diǎn)的電位均

衡，避免由于電位差危害設(shè)備；第五是保證建筑物有合格的接地，降

低雷擊建筑物時(shí)接點(diǎn)電位損壞設(shè)備。

3.2弱電設(shè)備的內(nèi)部保護(hù)

從EMC（電磁兼容）的觀點(diǎn)來(lái)看，防雷保護(hù)由外到內(nèi)應(yīng)

劃分為多級(jí)保護(hù)區(qū)。最外層為0級(jí)，是直接雷擊區(qū)域，危險(xiǎn)性最高，

主要是由外部（建筑）防雷系統(tǒng)保護(hù)，越往里則危險(xiǎn)程度越低。保護(hù)

區(qū)的界面劃分主要通過(guò)防雷系統(tǒng)、鋼筋混凝土及金屬管道等構(gòu)成的屏

蔽層而形成，從0級(jí)保護(hù)區(qū)到最內(nèi)層保護(hù)區(qū)，必須執(zhí)行分層多級(jí)保護(hù),

從而將過(guò)電壓降到設(shè)備能承受的水平。一般而言，雷電流經(jīng)傳統(tǒng)避雷

裝置后約有50%是直接泄入大地，還有50%將平均流入各電氣通道

（如電源線，信號(hào)線和金屬管道等）。

隨著微電子設(shè)備的大規(guī)模使用，雷電以及操作瞬間過(guò)電

壓造成的危害越來(lái)越嚴(yán)重。以往的防護(hù)體系已不能滿足微電子設(shè)備構(gòu)

成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)安全提出的要求。應(yīng)從單純一維防護(hù)轉(zhuǎn)為三維防護(hù)，

包括：防直擊雷，防感應(yīng)雷電波侵入，防雷電電磁感應(yīng)，防地電位反

擊以及操作瞬間過(guò)電壓影響等多方面作系統(tǒng)綜合合計(jì)。

多級(jí)分級(jí)（類）保護(hù)原則：即依據(jù)電氣、微電子設(shè)備的

不同功能及不同受保護(hù)程序和所屬保護(hù)層確定保護(hù)要點(diǎn)作分類保護(hù)；

依據(jù)雷電和操作瞬間過(guò)電壓危害的可能通道從電源線到數(shù)據(jù)通信線

路都應(yīng)做多級(jí)層保護(hù)。

3.3電源部分防護(hù)

弱電設(shè)備的電源雷電侵害主要是通過(guò)線路侵入。高壓部

分有專用高壓避雷裝置，電力傳輸線把對(duì)地的電壓限制到小于6000V

（IEEEEC62.41）,而線對(duì)線則無(wú)法控制。所以，對(duì)380V低壓線路應(yīng)

進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，按國(guó)家規(guī)范應(yīng)有三部分：建議在高壓變壓器后端到

二次低壓設(shè)備的總配電盤間的電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加避雷器或保

護(hù)器，作一級(jí)保護(hù)；在二次低壓設(shè)備的總配電盤至二次低壓設(shè)備的配

電箱間電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器保護(hù)器，作二級(jí)保護(hù)；在所

有重要的、精密的設(shè)備以及UPS的前端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器或保護(hù)器，

作為三級(jí)保護(hù)。目的是用分流（限幅）技術(shù)即采納高汲取能量的分流

設(shè)備（避雷器）將雷電過(guò)電壓（脈沖）能量分流泄入大地，達(dá)到保護(hù)

目的，所以，分流（限幅）技術(shù)中采納防護(hù)器的品質(zhì)、性能的好壞是

直接關(guān)系網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的關(guān)鍵，因此，選擇合格合格的避雷器或保護(hù)器至

關(guān)重要。

3.4信號(hào)部分保護(hù)

關(guān)于信息系統(tǒng)，應(yīng)分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)。粗保護(hù)量級(jí)

依據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級(jí)別確定，精細(xì)保護(hù)要依據(jù)電子設(shè)備的敏感度來(lái)進(jìn)

行確定。

關(guān)于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的所需的浪涌保護(hù)應(yīng)在系統(tǒng)制定

中進(jìn)行綜合合計(jì)，鏟對(duì)自動(dòng)化控制裝置的特性，應(yīng)用于該系統(tǒng)的浪涌

保護(hù)器基本上可以分為三級(jí)，關(guān)于自動(dòng)化控制系統(tǒng)的供電設(shè)備來(lái)說(shuō)，

需要雷擊電流放電器、過(guò)壓放電器以及終端設(shè)備保護(hù)器。數(shù)據(jù)通信和

測(cè)控技術(shù)的接口電路，比各終端的供電系統(tǒng)電路顯然要靈敏得多，所

以必須對(duì)數(shù)據(jù)接口電路進(jìn)行細(xì)保護(hù)。

自動(dòng)化裝置的供電設(shè)備的第一級(jí)保護(hù)采納的是雷擊電

流放電器，它們不是安裝在建筑物的進(jìn)口處，就是在總配電箱里。為

保證后續(xù)設(shè)備不承受的剩余殘壓太高，所以必須依據(jù)對(duì)保護(hù)范圍的性

質(zhì)，安裝第二級(jí)保護(hù)。在下級(jí)配電設(shè)施中安裝過(guò)電壓放電器，作為二

級(jí)保護(hù)措施，作為第三級(jí)保護(hù)是為了保護(hù)儀器設(shè)備，采用的方法是，

把過(guò)電壓放電器直接安裝在儀器的前端。自動(dòng)化控制系統(tǒng)三級(jí)保護(hù)布

置如圖1所示；在不同等級(jí)的放電器之間，必須遵守導(dǎo)線的最小長(zhǎng)度

規(guī)定。供電系統(tǒng)中雷擊電流放電器與過(guò)壓放電器之間的距離不得小于

10米，過(guò)壓放電器同儀器設(shè)備保護(hù)裝置之間的導(dǎo)線距離則不應(yīng)低于5

米。

4.2.1.充有惰性氣體的過(guò)電壓放電器，是自動(dòng)化控制系

統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的一級(jí)浪涌保護(hù)器件。充有惰性氣體過(guò)電壓放電器，

一般構(gòu)造的這類放電器可以排放20千安（8/20）微秒或者2.5千安

(10/350)微秒以內(nèi)的瞬變電流。氣體放電器的響應(yīng)時(shí)間處于毫微秒

范圍，其被廣泛的應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信范疇。該器件的一個(gè)缺點(diǎn)是它的觸

發(fā)特性與時(shí)間相關(guān)，其上升時(shí)間的瞬變量同觸發(fā)特性曲線在幾乎與時(shí)

間軸平行的范圍里相交。因此保護(hù)電平將同氣體放電器額定電壓相

近。而特別快的瞬變量將同觸發(fā)曲線在十倍于氣體放電器額定電壓的

工作點(diǎn)相交，也就是說(shuō)，如果某個(gè)氣體放電器的最小額定電壓90伏,

那么線路中剩余的殘壓可高達(dá)900伏。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是可能會(huì)產(chǎn)生

后續(xù)電流。在氣體放電器被觸發(fā)的狀況下，尤其是在阻抗低、電壓超

過(guò)24伏的電路中會(huì)出現(xiàn)以下?tīng)顩r：即原來(lái)希望維持幾個(gè)毫秒的短路

狀態(tài)，會(huì)因?yàn)樵摎怏w放電器繼續(xù)堅(jiān)持下去，由此引起的后果可能是該

放電器在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)爆碎。所以在應(yīng)用氣體放電器的過(guò)電壓

保護(hù)電路中應(yīng)該串聯(lián)一個(gè)熔斷器，使得這種電路中的電流很快地被中

斷。

4.2.2.壓敏電阻，壓敏電阻被廣泛作為系統(tǒng)中的二級(jí)保

護(hù)器件，因壓敏電阻在毫微秒時(shí)間范圍內(nèi)具有更快的響應(yīng)時(shí)間，不會(huì)

產(chǎn)生后續(xù)電流的問(wèn)題。在測(cè)控設(shè)備的保護(hù)電路中，壓敏電阻可以用于

放電電流為2.5KA-5KA(8/20)微秒的中級(jí)保護(hù)裝置。壓敏電阻的缺

點(diǎn)是老化和較高的電容問(wèn)題，老化是指壓敏電阻中二極管的P-N部

分，在通常過(guò)載狀況下，P-N結(jié)會(huì)造成短路，其漏電流將因此而增大,

其值的大小取決于承載的頻繁程度。其應(yīng)用于靈敏的測(cè)量電路中將造

成測(cè)量失真，并且器件易發(fā)熱。壓敏電阻大電容問(wèn)題使它在許多場(chǎng)合

不能應(yīng)用于高頻信息傳輸線路，這些電容將同導(dǎo)線的電感一起形成低

通環(huán)節(jié)，從而對(duì)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的阻尼作用。不過(guò)，在30千赫茲以下

的頻率范圍內(nèi)，這一阻尼作用是可以忽略。

4.2.3?抑制二極管，抑制二極管一般用于高靈敏的電子

回路，其響應(yīng)時(shí)間可達(dá)微微秒級(jí)，而器件的限壓值可達(dá)額定電壓的

1.8倍。其主要缺點(diǎn)是電流負(fù)荷能力很弱、電容相對(duì)較高，器件自身

的電容隨著器件額定電壓變化，即器件額定電壓越低，電容則越大，

這個(gè)電容也會(huì)同相連的導(dǎo)線中的電感構(gòu)成低通環(huán)節(jié)，而對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)

生阻尼作用，阻尼程度與電路中的信號(hào)頻率相關(guān)。

由自動(dòng)化裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)中必須妥善解決好接口信號(hào)

的隔離，抑制傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

接口與過(guò)程通道是自動(dòng)化裝置和外部設(shè)備、被控對(duì)象進(jìn)行信息交換的

渠道，關(guān)于接口和過(guò)程通道侵入的干擾主要是因公共地線所引起，其

次，在信號(hào)微弱和傳輸線路較長(zhǎng)時(shí)還會(huì)受到靜電和電磁波的干擾。目

前在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，關(guān)于數(shù)字輸入信號(hào)，大部分都利用光電隔離

器，也有一些使用脈沖變壓器隔離和運(yùn)算擴(kuò)大器隔離；關(guān)于數(shù)字輸出

信號(hào)也是主要采納光電隔離器。關(guān)于模擬量輸入信號(hào)，則許多場(chǎng)合下

采納調(diào)制-解調(diào)式隔離擴(kuò)大器、運(yùn)算擴(kuò)大器等，模擬量輸出信號(hào)隔離

則可采納直流電壓隔離法及變幻隔離法等。

光電偶合器件是利用光傳遞信息的，它是由輸入端的發(fā)

光元件和輸出端的受光元件組成，輸入與輸出在電氣上是完全隔離

的。其體積小、使用簡(jiǎn)便，可視現(xiàn)場(chǎng)干擾狀況的不同，可以組成各種

不同的線路對(duì)共模和長(zhǎng)模干擾進(jìn)行抑制。

5.1.1應(yīng)用于輸入輸出的隔離。光電耦合器用在輸入、

輸出間隔離狀況下，線路是很簡(jiǎn)單的，由于避免形成地環(huán)路，而輸入

與輸出的接地點(diǎn)也可以任意選擇。這種隔離的作用不僅可以用在數(shù)字

電路中，也可以用在線性（模擬）電路中。

5.1.2用于消除與抑制噪聲光電耦合器用于消除噪聲

是從兩個(gè)方面體現(xiàn)的：一方面是使輸入端的噪聲不傳遞給輸出端，只

是把有用信號(hào)傳送到輸出端。另一方面，由于輸入端到輸出端的信號(hào)

傳遞是利用光來(lái)實(shí)現(xiàn)的，極間電容很小，絕緣電阻很大，因而輸出端

的信號(hào)與噪聲也不會(huì)反饋到輸入端。使用光電耦合器時(shí)，應(yīng)注意這種

光電耦合器本身有10-30pF的分布電容，所以頻率不能太高；另外在

接點(diǎn)輸入時(shí)，應(yīng)注意加RC濾波環(huán)節(jié)，抑制接點(diǎn)的抖動(dòng)。另外，用于

低電壓時(shí)，其傳輸晅離以100米以內(nèi)為限、傳輸速率在10Kbps以下

為宜。

脈沖變壓器原付邊繞組匝數(shù)很少，分別繞制在鐵氧體磁

芯的兩側(cè)，分布電容僅幾微微法，可作為脈沖信號(hào)的隔離器件。關(guān)于

模擬量輸入信號(hào)，由于每點(diǎn)的采樣周期很短，實(shí)際上的采樣波形也為

一脈沖波形，也可實(shí)現(xiàn)隔離作用。這種脈沖變壓器隔離方式，線路中

也應(yīng)加濾波環(huán)節(jié)抑制動(dòng)態(tài)常模干擾和靜態(tài)常模干擾，這種脈沖變壓器

隔離方式已被用于幾兆赫的信號(hào)電路中。

模/數(shù)變幻隔離電路，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中常在現(xiàn)場(chǎng)就

地進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將易受干擾的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)

字信號(hào)進(jìn)行傳輸，在接收端在采納光電隔離，以加強(qiáng)其在信號(hào)傳輸過(guò)

程中的抗干擾能力。而模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的安裝位置，怎樣才能有效地抑

制干擾，是實(shí)際應(yīng)用中很具體的問(wèn)題。關(guān)于在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的環(huán)

境中，一是可以合計(jì)將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器遠(yuǎn)離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，放置主控室，二

是將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器放在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，遠(yuǎn)離主控室，兩者各有利弊。

將模/數(shù)轉(zhuǎn)換器放置于主控室，便于把模/數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生

的數(shù)字信息傳送到控制系統(tǒng)的處理器，而主機(jī)的控制信息傳送給模/

數(shù)轉(zhuǎn)換器也很方便，因而利于轉(zhuǎn)換器的管理。但由于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器遠(yuǎn)

離生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，使得模擬量傳輸線經(jīng)過(guò)長(zhǎng)，分布參數(shù)以及干擾的影響增

加，而且易引起模擬信號(hào)衰減，直接影響轉(zhuǎn)換器的工作精度和速度Q

將轉(zhuǎn)換器放置于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，雖然可解決上述問(wèn)題，但數(shù)字信息傳輸線

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)，也不便于轉(zhuǎn)換器的管理。

這兩種方案的主要問(wèn)題還在于，在控制系統(tǒng)與控制對(duì)象

之間存在公共地線，即使采納同軸電纜作為傳輸媒介，也會(huì)有產(chǎn)生現(xiàn)

場(chǎng)的干擾進(jìn)入計(jì)算機(jī)中，影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定工作。顯然這兩種

方案都不合適于在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作。為了有效的解決工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下，

采納光電隔離是比較行之有效的方案。為保證模/數(shù)轉(zhuǎn)換器能可靠運(yùn)

行，并獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，把模/數(shù)轉(zhuǎn)換器放在靠近現(xiàn)場(chǎng)一側(cè)。為

了有效抑制干擾，采納雙套光電偶合器，使得模/數(shù)轉(zhuǎn)換器與主機(jī)之

間的信息交換均經(jīng)過(guò)兩次電-光-電的轉(zhuǎn)換。如圖2所示；一套光電耦

合器放在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器一側(cè)，一套光電耦合器放在主機(jī)一側(cè)。系統(tǒng)中

有三個(gè)不同的地端，一是主機(jī)與I/O接口公用的“計(jì)算機(jī)地〃，一個(gè)

是傳輸長(zhǎng)線使用的“浮空地〃，另一個(gè)是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和被控對(duì)象公

用的“現(xiàn)場(chǎng)地〃。采納這種兩次光電隔離的辦法，把傳輸長(zhǎng)線隔浮在

主機(jī)與被控對(duì)象之間，不僅有效地消除了公共地線，抑制了由其引進(jìn)

的干擾，而且也有利于解決長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)與阻抗匹配的問(wèn)題這樣就保證了

整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

接地在電氣技術(shù)中是指用導(dǎo)體與大地相連。在電子技術(shù)

中的接地，可能就與大地毫不相關(guān)，它只是電路中的一個(gè)等電位。如

電子設(shè)備中的地，它只是線路里的一個(gè)電位基準(zhǔn)點(diǎn)。而在弱點(diǎn)設(shè)備的

接地不但包含上述兩種接地，還有其它的接地。例如智能建筑中安裝

有多個(gè)子系統(tǒng)如通信自動(dòng)化系統(tǒng)，火災(zāi)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，樓

宇自動(dòng)化系統(tǒng)，保安監(jiān)控系統(tǒng)，辦公自動(dòng)化系統(tǒng)，閉路電視系統(tǒng)等，各

個(gè)子系統(tǒng)對(duì)接地的理解和要求都不太相同。按接地的作用可分為功能

性接地和保護(hù)性接地。為保證電氣設(shè)備正常運(yùn)行或電氣系統(tǒng)低噪聲接

地，稱為功能性接地,功能性接地又有工作接地、邏輯接地、信號(hào)接地

和屏蔽接地等。為了防止人、畜或設(shè)備因電擊而造成傷亡或損壞的接

地稱為保護(hù)性接地，保護(hù)性接地有保護(hù)接地、防雷接地和防靜電接地。

有弱點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)這幾種接地類型都會(huì)碰到。

電子設(shè)備供電系統(tǒng)的接地關(guān)系到操作人員的人身安全和

電子設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電子設(shè)備的供電系統(tǒng)的接地通常包括工作

接地和保護(hù)接地。工作接地是系統(tǒng)電源某一點(diǎn)的接地，這個(gè)點(diǎn)通常是

電源（變壓器、發(fā)電機(jī)）的中性點(diǎn)，工作地的主要作用是使供電系統(tǒng)

正常運(yùn)行。而保護(hù)接地是供電系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)金屬的電氣設(shè)備外殼和敷設(shè)

用的金屬套管、線槽等電氣裝置外露不導(dǎo)電部分的接地。如果不做保

護(hù)接地，故障電壓可達(dá)系統(tǒng)的相電壓；做了保護(hù)接地后故障電壓僅為

PE線和接地電阻（RA）上的電壓降，大大的低于相電壓，接地電阻

（RA）還為故障電流Id提供返回電源的通路，使保護(hù)電器及時(shí)切斷

電源，從而起到防電擊和防電氣火災(zāi)的保護(hù)作用。目前低壓供電系統(tǒng)

制定選用較多的接地系統(tǒng)有TN、TT系統(tǒng)。

2.1工作接地的目的

電力系統(tǒng)由于運(yùn)行和安全的需要，常將中性點(diǎn)（N線）接

地，這種接地方式稱為工作接地。工作接地有以下目的：

2.1.1降低觸電電壓；

在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中，當(dāng)一相接地而人體觸此及另

外兩相之一時(shí)，觸電電壓為相電壓的1.732倍。而在中性點(diǎn)接地的系

統(tǒng)中，觸電電壓就降低到等于或接近相電壓。

在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中，當(dāng)一相接地時(shí)，接地電流很

?。ㄒ?yàn)閷?dǎo)線和地面間存在電容和絕緣電阻，也可構(gòu)成電流的通路）不

夠以使保護(hù)裝置動(dòng)作而切斷電源,接地故障不易被發(fā)現(xiàn)，將長(zhǎng)時(shí)間繼

續(xù)下去，對(duì)人身不安全。而中性點(diǎn)接地的系統(tǒng)中，一相接地后的接地電

流較大（接近單相短路）保護(hù)裝置迅速動(dòng)作，斷開(kāi)故障點(diǎn)。

2.1.3降低電氣設(shè)備對(duì)地的絕緣水平；

在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)中，一相接地時(shí)將使另外兩相的

對(duì)地電壓升高到線電壓。而在中性點(diǎn)接地的系統(tǒng)中，則接近于相電壓,

故可降低電氣設(shè)備和輸電線的絕緣水平，節(jié)省技資。為此本文分別對(duì)

TN、TT系統(tǒng)作以分析。

TN系統(tǒng)的電源端中性點(diǎn)直接接地，用設(shè)備金屬外殼、

保護(hù)零線與該中性點(diǎn)連接，這種方式簡(jiǎn)稱保護(hù)接零或接零制。按中性

線（工作零線）與保護(hù)線（保護(hù)零線）的組合狀況TN系統(tǒng)又分以下

三種形式：

2.2.1.TN-C系統(tǒng)；

在TN-C系統(tǒng)中，由于PNE線兼起PE線和N線的作用，

節(jié)省了一根導(dǎo)線，但在PEN線上通過(guò)三相不平衡電流I,其上有電壓

降IZPEN使電氣裝置外露導(dǎo)電部分對(duì)地帶電壓。三相不平衡負(fù)荷造成

外殼帶電壓甚低。并不會(huì)在一般場(chǎng)所造成人身事故，但它可能對(duì)地引

起火花，不適宜醫(yī)院、計(jì)算機(jī)中心場(chǎng)所及爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所。TN-C系統(tǒng)

不適用于無(wú)電工管理的住宅樓，這種系統(tǒng)沒(méi)有專用的PE線，而是與

中性線（N線）合為一根PEN線，住宅樓內(nèi)如果因維護(hù)管理不當(dāng)使PEN

線中斷，電源220v對(duì)地電壓將如圖1所示經(jīng)相線和設(shè)備內(nèi)繞組傳導(dǎo)

至設(shè)備外殼，使外元浮現(xiàn)220V對(duì)地電壓，電擊危險(xiǎn)很大。另外PEN

線不同意切斷（切斷后設(shè)備失去了接地線），不能作電氣隔離，電氣

檢修時(shí)可能因PEN對(duì)地帶電壓而引起人身電擊事故。TN-C系統(tǒng)中，

不能裝RCD（剩余電流動(dòng)作保護(hù)器），因?yàn)楫?dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，相線

和PEN線的故障電流在電流互感器中的磁場(chǎng)互相抵消，RCD將檢測(cè)不

出故障電流而不動(dòng)作，因此在住宅樓內(nèi)不應(yīng)采納TN-C系統(tǒng)。

2.2.2.TN-S系統(tǒng)；

在TN-S系統(tǒng)中，工作零線N和保護(hù)零線PE從電源端中

性點(diǎn)開(kāi)始完全分開(kāi)，PE線平常不通過(guò)電流，只在發(fā)生接地故障時(shí)通

過(guò)故障電流，故外露導(dǎo)電部分平常對(duì)地不帶電壓比較完全，但需要增

加一根導(dǎo)線，由于設(shè)備設(shè)備外殼保護(hù)零線PE,正常工作時(shí)漏電開(kāi)關(guān)

無(wú)剩余電流，所以在相同短路保護(hù)靈敏度不夠時(shí)，可裝設(shè)漏電開(kāi)關(guān)來(lái)

保護(hù)單相接地。RCD對(duì)接地故障電流有很高的靈敏度，即使接觸220V

時(shí)，也能在數(shù)十毫秒的時(shí)間內(nèi)切斷以毫安計(jì)的故障電流，使人免于電

擊事故，但它只能對(duì)其保護(hù)范圍內(nèi)的接地故障起作用，不能防止從別

處傳導(dǎo)來(lái)的故障電壓引起的電擊事故。

2.2.3.TN-C-S；

TN-C-S是TN-C和TN-S兩種系統(tǒng)的組合，如圖2所示;

第一部分是TN-C系統(tǒng)，第二部分是TN-S系統(tǒng)，分界面在N線與PE

線的連接點(diǎn)。該系統(tǒng)一般用在建筑物有區(qū)域變電所供電引來(lái)的場(chǎng)所，

進(jìn)戶線之前采納TN-C系統(tǒng)，進(jìn)戶處作重復(fù)接地，進(jìn)戶后變成TS-S系

統(tǒng)，TN-C-S系統(tǒng)介于以上兩者之間。

TT系統(tǒng)的電源端中性點(diǎn)直接接地，用電設(shè)備金屬外殼

用保護(hù)地線接至與電源接地點(diǎn)無(wú)關(guān)的接地極。TT系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，

用電設(shè)備金屬外殼電位為零，當(dāng)電氣設(shè)備一相碰殼時(shí)，則短路電流較

TN系統(tǒng)小，通常不夠以使相間短路保護(hù)裝置動(dòng)作。當(dāng)人體偶然觸及

帶電部分時(shí)危險(xiǎn)較大，當(dāng)在干線首端及用電設(shè)備處裝有RCD時(shí)可保證

安全。當(dāng)變壓器中性點(diǎn)和用電設(shè)備處接地電阻為4歐姆時(shí)，單相短路

電流為L(zhǎng)d=220/(4+4)=27.5A(線路阻抗不計(jì))。不管干線首端或用

電設(shè)備處，當(dāng)熔斷器溶絲電流較大或自動(dòng)開(kāi)關(guān)瞬時(shí)脫扣器整定電流較

大時(shí)，均不能可靠動(dòng)作。所以TT系統(tǒng)內(nèi)往往不能采納熔斷器、低壓

短路器作接地故障保護(hù)而需采納漏電保護(hù)器。TT系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)

是中性線N與保護(hù)地線PE無(wú)一點(diǎn)電氣聯(lián)接，即中性點(diǎn)接地與PE線接

地是分開(kāi)的，所以天存在外部危險(xiǎn)故障電壓沿著PE進(jìn)入建筑招致電

擊事故發(fā)生。在TT系統(tǒng)內(nèi)每棟建筑物各有其專用的接地極和PE線，

各棟建筑物的PE線互不導(dǎo)通，故障電壓不致自一建筑物傳導(dǎo)至另一

建筑物。但TT系統(tǒng)以大地為故障電流返回電源的通路，故障電流小,

必須采納對(duì)接地故障反應(yīng)靈敏的漏電保護(hù)器來(lái)防人身電擊。這些系統(tǒng)

各有優(yōu)缺點(diǎn)，需按具體狀況選用。如果建筑物由供電部門以低壓供電,

應(yīng)按供電部門的要求采納接地系統(tǒng)，以與地區(qū)的接地系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致。

如果采納TN-C-S系統(tǒng)，應(yīng)注意從建筑物電源進(jìn)線配電箱開(kāi)始馬上PEN

線分為PE線和中性線，使建筑物內(nèi)不再出現(xiàn)PEN線，這是因?yàn)镻EN

線因通過(guò)負(fù)荷電流而帶有電位，容易產(chǎn)生雜散電流和電位差的緣故。

如果供電部門以10KV電壓給住宅樓供電,且10/0.4KV

變電所即在建筑物內(nèi)，則這棟建筑物只能采納TN-S系統(tǒng)。因?yàn)椴杉{

TN-C-S系統(tǒng)將在建筑物內(nèi)出現(xiàn)PEN線；TT系統(tǒng)則要求設(shè)置分開(kāi)的工

作接地和保護(hù)接地，而在同一個(gè)建筑物內(nèi)是很難做到兩個(gè)分開(kāi)的接

地，維護(hù)工作也是困難的。無(wú)論采納哪種接地系統(tǒng)都必須按規(guī)范要求

作前述的等電位聯(lián)結(jié)。

電子設(shè)備的系統(tǒng)工作接地是為了使電子設(shè)備以及與之

相連的儀器儀表均能可靠運(yùn)行并保證測(cè)量和控制精度而設(shè)的接地。它

分為機(jī)器邏輯地、信號(hào)回路接地、屏蔽接地，防爆系統(tǒng)中還有本安接

地。

3.1邏輯接地

將電子設(shè)備的金屬板作為邏輯信號(hào)的參照點(diǎn)而進(jìn)行的

接地，稱為邏輯接地。它的作用是保證電路有一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)電位，

不致于浮動(dòng)而引起信號(hào)誤差。

各種電子電路，都有一個(gè)基準(zhǔn)電位點(diǎn)，這個(gè)基準(zhǔn)電位點(diǎn)

就是信號(hào)地。它的作用是保證電路有一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)電位，不致于浮

動(dòng)而引起信號(hào)誤差。信號(hào)地的連接是：同一設(shè)備的信號(hào)輸入端地與信

號(hào)輸出端地不能聯(lián)在一起，而應(yīng)分開(kāi)；前級(jí)（設(shè)備）的輸出地只有后級(jí)

（設(shè)備）的輸入地相連。否則，信號(hào)可能通過(guò)地線形成在反饋，引起信

號(hào)的浮動(dòng)。這在設(shè)備的測(cè)試中，信號(hào)地的連接尤其要引起注意。

3.3保護(hù)接地

3.4防雷接地

為把雷電流迅速導(dǎo)入大地，以防止雷害為目的的接地叫

作防雷接地。

3.5屏蔽接地

為使設(shè)備或布線達(dá)到電磁適應(yīng)性要求而采用的屏蔽措

施的接地稱為屏蔽接地。關(guān)于弱電設(shè)備電磁兼容制定是非常重要的，

為了避免所用設(shè)備的機(jī)能障礙，避免會(huì)出現(xiàn)的設(shè)備損壞，構(gòu)成布線系

統(tǒng)的設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠防止內(nèi)部自身傳導(dǎo)和外來(lái)干擾。因此對(duì)這些設(shè)備及

其布線必須采用保護(hù)屏蔽措施，免受來(lái)自各種方面的干擾。

3.6防靜電接地

是本安儀表或安全柵的接地。這種接地除了抑制干擾外，

還有使儀表和系統(tǒng)具有本質(zhì)安全性質(zhì)的措施之一。本安接地會(huì)因?yàn)椴?/p>

納的設(shè)備的本實(shí)措施不同而不同。

安全柵的作用是保護(hù)危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)端永遠(yuǎn)處于安全電源和

安全電壓范圍之內(nèi)。如果現(xiàn)場(chǎng)端短路，則由于負(fù)載電阻和安全柵電阻

R的限流作用，會(huì)將導(dǎo)線上的電流限制在安全范圍內(nèi)，使現(xiàn)場(chǎng)端不致

于產(chǎn)生很高的溫度，引起燃燒。第二種狀況，如果計(jì)算機(jī)一端產(chǎn)生故

障，則高壓電信號(hào)加入了信號(hào)回路，則由于齊納二級(jí)的嵌位作用，也

使電壓位于安全范圍。

值得提醒的是，由于齊納安全柵的引入，使得信號(hào)回路

上的電阻增大了許多，因此，在制定輸出回路的負(fù)載能力時(shí)，除了要

合計(jì)真正的負(fù)載要求以外，還要充分合計(jì)安全柵的電阻，留有余地。

在一個(gè)系統(tǒng)中安裝有大量的電子設(shè)備，這些設(shè)備分屬于

不同的專系統(tǒng)，由于這些設(shè)備工作頻率、抗干擾能力和功能等都不相

同，對(duì)接地的要求也不同。在實(shí)際工程制定和施工中，電子設(shè)備的信號(hào)

接地、邏輯接地、防靜電接地、屏蔽接地和保護(hù)接地，一般合用一個(gè)

接地極，其接地電阻不大于4Q；當(dāng)電子設(shè)備的接地與工頻交流接地、

防雷接地合用一個(gè)接地極時(shí)，其接地電阻不大于1Q。屏蔽接地如單

獨(dú)設(shè)置，則接地電阻一般為300Qo對(duì)抗干擾能力差的設(shè)備，其接地應(yīng)

與防雷接地分開(kāi)，兩者互相距離宜在20nl乂內(nèi)，對(duì)抗干擾能力較強(qiáng)的

電子設(shè)備，兩者的距離可酌情減少，但不宜低于5m。當(dāng)電子設(shè)備接地

和防雷接地采納共同接地裝置時(shí)，兩者避免雷擊時(shí)遭受反擊和保證設(shè)

備安全，應(yīng)采納埋地鎧裝電纜供電。電纜屏蔽層必須接地，為避免產(chǎn)

生干擾電流，對(duì)信號(hào)電纜和1MHz及以下低頻電纜應(yīng)一點(diǎn)接地；對(duì)1MHz

以上電纜，為保證屏蔽層為地電位，應(yīng)采納多點(diǎn)接地。閉路電視和工業(yè)

電視都必須采納一點(diǎn)接地。

在很多企業(yè)，特別是電廠、冶煉廠等，其廠區(qū)內(nèi)有一個(gè)

很大的地線網(wǎng)，而通常供電系統(tǒng)的地是與地線網(wǎng)連在一起的。有的廠

家強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的所有接地必須和供電系統(tǒng)