電氣設(shè)備機房電涌的危害及防護措施

□張新亮 □胡廣明 □蔡建林

（板橋水庫管理局）

一、電涌的產(chǎn)生

脈沖是微秒量級的異常大電流脈沖，其波頭時間一般在0.25～20μs，其單位能量一般在2.5～10MJ/Ω。它可使電子設(shè)備受到瞬態(tài)過電壓的破壞。每年半導(dǎo)體器件的集成化都在提高，元件的間距在減小，半導(dǎo)體的厚度也在變薄。這使得電子設(shè)備受到瞬態(tài)過電壓破壞的可能性越來越大。如果一個電涌導(dǎo)致的瞬態(tài)過電壓超過一個電器設(shè)備的承受能力，那么這個電器元件或設(shè)備或者被完全破壞，或者使用壽命大大縮短。

雷電是導(dǎo)致電涌最明顯的原因，雷電擊中輸電線路導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失。每一次電力公司切換負(fù)載而引起的電涌都縮短各種計算機、通訊設(shè)備、儀器儀表和PLC的使用壽命。另外，大型電機設(shè)備、電梯、發(fā)電機、空調(diào)、制冷設(shè)備等也會引發(fā)電涌。UPS也可能被電涌摧毀。

建筑物頂部的接閃器在防直擊雷時可將大部分的放電分流入地，避免建筑物的嚴(yán)重?fù)p壞。UPS不間斷電源處理電壓的嚴(yán)重下降。二者非常有用，但都不能保護計算機免受電涌的破壞，而且UPS本身集中使用了很多微處理器，也有可能被電涌摧毀。

二、電涌防護原理

電涌防護采用電涌防護器，一般電涌防護器采用MOV技術(shù)，它和火花間隙技術(shù)是不同的。電涌不能被阻止，因為它包含的能量太強。正是由于這種原因，保護敏感電氣設(shè)備免受電涌損壞的策略是把電涌從設(shè)備分流。理想的電涌防護器在電力線上應(yīng)是覺察不到的，而當(dāng)電壓達到一定的限值時，應(yīng)立即動作，分流多余的能量入地。MOV工作原理正是如此，直到電涌出現(xiàn)，它才動作，否則就靜止地掛在電源線上，充當(dāng)電源正常運行時的“守護神”。當(dāng)電壓升高達到預(yù)先設(shè)定的水平時，MOV立即動作。MOV中的“V”是變阻器，在響應(yīng)的一瞬間，MOV的電阻從完全值降到近乎零歐姆。MOV使瞬態(tài)高電壓找到了入地的通路。吸引過電流遠離敏感的電氣設(shè)備。MOV把過電壓漏泄掉。電氣設(shè)備繼續(xù)在正常的工作電壓下運行。

火花間隙技術(shù)的意圖是同樣的，該技術(shù)的核心是2個電極，形狀像牛角，由絕緣材料分開，彼此間有很短的距離?；鸹ㄩg隙的工作原理和雷電的工作原理一樣，當(dāng)2個角型的電極間電位差達到一定程度時，電荷穿過2個角型的空間打火放電，并給放電提供了人地的通路。

使用火花間隙技術(shù)對付電涌猶如用火來對付火。來自世界著名的采用火花間隙技術(shù)的生產(chǎn)廠家的安裝指南中提醒使用者“每當(dāng)使用火花間隙技術(shù)的電涌防護器動作時，熱量和壓力從防護器的尾部釋放出來”。并提醒用戶：由此產(chǎn)生的熱量和壓力可能產(chǎn)生短路或火災(zāi)。由于該原因和其它原因，IEC61643—1安全規(guī)范要求采用火花間隙技術(shù)的電涌防護器配有一個限制保險（F2），在系統(tǒng)保險（F1）工作前，F(xiàn)2將熔斷。這種增加的保險極大地降低了火花間隙技術(shù)的電涌防護器可能處理過電流的能力。實際上，增加該保險的容量決定了火花間隙技術(shù)電涌防護器的電流處理能力。

三、電氣設(shè)備機房電涌防護措施分析

（一）安裝了直擊雷防雷設(shè)備的電涌防護

不可忽視直擊雷防雷設(shè)備的作用是接閃，即防止雷電直接擊中機房所在建筑物以及接閃器保護范圍內(nèi)的各種金屬管線和用電設(shè)備。對于在接閃器保護范圍外的各種金屬導(dǎo)線以及由直擊雷所產(chǎn)生的感應(yīng)雷電和建筑物內(nèi)所產(chǎn)生的內(nèi)部電涌是不能保護的。對于由電力故障所產(chǎn)生的部分外部電涌也是不能保護的。這包括：高壓/低壓動力電源線、部分網(wǎng)絡(luò)和專用數(shù)據(jù)通信線被雷電直接擊中，建筑物內(nèi)的感應(yīng)電動機、備用發(fā)電機、中央空調(diào)、電梯等產(chǎn)生的內(nèi)部電涌，電力故障所產(chǎn)生的各種外部電涌，因為靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、電位反擊等所造成的各種感應(yīng)雷電等等。因此必須要加裝電涌保護器以保護電源線和數(shù)據(jù)線。

（二）機房接地不可等同于設(shè)備的電涌防護

機房接地是計算機設(shè)備和精密電子設(shè)備正常工作的需要。機房接地主要是可以防止靜電（如靜電荷出現(xiàn)積累，可以從地線泄放掉），這樣可以保護機器和人員的安全；另外有些設(shè)備接地后才可以正常的工作（不接地會受到電磁干擾、以及無基準(zhǔn)點）。所以機房接地并不是用來防止雷電，也是防止不了雷電的，必須要加裝電涌保護器才可以防止雷電和內(nèi)部、外部電涌。

（三）采用UPS供電的設(shè)備仍需要做電涌防護

UPS的作用是對供電系統(tǒng)突然停電或電壓不足提供支持，在突然斷電時，UPS保護電氣和電子系統(tǒng)、處理控制器和數(shù)據(jù)免受部分或全部的損壞。有些UPS帶有低能的電涌抑制器。這種內(nèi)置的低能抑制器只能用來保護和UPS相連的負(fù)載免受能量有限的弱電涌的襲擊，因此，不能作為專門的解決電涌問題的方案。更重要的是：有研究表明UPS設(shè)備中的敏感電氣控制線路極易受到電涌的破壞。而這些線路經(jīng)常是監(jiān)視UPS的工作狀態(tài)以及UPS的交流電源的輸入、輸出狀態(tài)的。1884年成立的電氣與電子工程師協(xié)會（1EEE），是世界最大的技術(shù)專業(yè)團體，曾十分關(guān)注UPS可能受到的破壞，并在IEEE標(biāo)準(zhǔn)1100一1992中專門編寫了1章9.11.3：UPS電涌防護。其中指出：雷電和其它產(chǎn)生瞬態(tài)電壓的現(xiàn)象，對大部分UPS設(shè)備和敏感的電氣負(fù)載設(shè)備是有害的。因此，建議UPS的整流器輸入系統(tǒng)和輔助的UPS旁路系統(tǒng)（包括人工保養(yǎng)的旁路系統(tǒng)）都應(yīng)加裝IEEE.41—1991標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的有效電涌防護裝置。

四、電涌保護分級

我國在機房建設(shè)的電涌防護方面有明確的要求，要求所有機房必須要做直擊雷電防護和接地網(wǎng)的建設(shè)；要求有條件的機房和比較重要的機房必須進行感應(yīng)雷電的防護。對于最新的計算機機房和通訊機房的建設(shè)規(guī)范中都明確要求要進行感應(yīng)雷電的防護；《氣象法》中明確要求政府機關(guān)和有條件的單位在建設(shè)機房時要考慮雷電電涌防護問題；在最新的建筑電氣設(shè)計規(guī)范中，明確要求進行感應(yīng)雷電的防護；在許多行業(yè)的機房建設(shè)規(guī)范中都有明確的要求（如銀行、金融、電信、稅務(wù)、政府機關(guān)、法院、公共市政設(shè)施等），必須進行機房的電涌防護。

所有敏感電氣設(shè)備的運行都是在嚴(yán)格的電壓范圍內(nèi)進行的，超過1kV的高速過電壓對電氣設(shè)備都非常危險。任何雷電保護措施的目的，都是要把過電壓限制在1kV以下。電涌保護一般分3級，其目的是把過電壓鉗制到安全的范圍內(nèi)。

五、電涌防護器的選擇

應(yīng)選擇一個技術(shù)先進的制造商，產(chǎn)品應(yīng)具有詳細的說明書、技術(shù)指標(biāo)、產(chǎn)地、符合各方面的標(biāo)準(zhǔn)證書及有銷售許可證書等。

（一）設(shè)計是否有利于用戶并且容易安裝

理想的產(chǎn)品應(yīng)該是一個小型、緊湊并且能夠安裝在現(xiàn)有的空間內(nèi)，同時易于安裝。電涌防護器本身的體積尺寸越大，它固有的內(nèi)部線路電感就越大；防護器本身體積小，電感也小，防護效果就更好；小體積防護器的另一個優(yōu)勢是可以安裝在近配電箱處，因為連線本身也有電感，連線長，對防護系統(tǒng)的限制水平的不良影響也就越大，因此在安裝電涌防護器時越近配電箱越好，最好是在15cm以內(nèi)。在電氣設(shè)備狹小的空間內(nèi)不可能安裝大體積的防護器。

（二）反應(yīng)時間

電涌防護器的反應(yīng)時間必須比電涌的速度快。反應(yīng)時間在毫微秒（納秒）級均符合技術(shù)要求。

（三）一次能夠處理的最大電流

最大電流即峰流是一個電涌防護器的處理最大電流的能力。Bellcore實驗室（AT&T—Bell實驗室的研究機構(gòu)）為了保護它高度計算機化的實驗中心，進行了廣泛的調(diào)研，明確了電涌防護器處理最大電流的能力和所需的技術(shù)參數(shù)，一個20kA的電涌防護器即可滿足要求。由此可見，在任何建筑物內(nèi)的分支線供電箱處安裝一個80kA的電涌防護器，便足以解決任何可能出現(xiàn)的電涌問題。對多雷擊區(qū)的貴重電氣設(shè)備，應(yīng)在建筑物人口的交流配電箱處安裝一個較大的防護器，型號從65kA到l60kA。

（四）吸收能量的能力

電涌防護器吸收能量的能力以焦耳來衡量，焦耳值越高，電涌防護器的使用壽命越長。

（五）鉗制電壓的能力

也就是將過電壓鉗制到電氣設(shè)備所能承受的安全范圍之內(nèi)的能力。計算機被設(shè)計在一定電壓范圍內(nèi)使用，如果超出了這個范圍就會導(dǎo)致計算機的損壞。因此電涌防護器必須把過電壓鉗制到安全水平。GAl73—1998標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：用于220/380V電力系統(tǒng)的計算機防雷保安器（電涌防護器）的鉗制電壓應(yīng)≤2kV。

（六）符合國際和國家標(biāo)準(zhǔn)

國際標(biāo)準(zhǔn)，包括UL449、IEEE、NEMA和IEC。在我國同樣有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，公安部公共信息網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)察局要求：所有用于保護計算機的防雷保安器（本文稱為電涌防護器），都必須根據(jù)GAl73—1998的標(biāo)準(zhǔn)通過檢測并獲得銷售許可證后，方可銷售。

（七）產(chǎn)品的可行性及制造商的客戶單

了解制造商的客戶單以及廠家從事產(chǎn)品生產(chǎn)的歷史有助于了解廠家的信譽和其產(chǎn)品的可行性。

（八）質(zhì)量保證

保質(zhì)期限的長短體現(xiàn)了制造商對其產(chǎn)品是否不出問題、并長久的保護設(shè)備的自信心。一旦產(chǎn)品出現(xiàn)問題，客戶是否能得到快速免費的服務(wù)，也是用戶必須考慮的因素之一。

六、電涌防護器設(shè)置

最大的電涌產(chǎn)生在建筑物外，由雷電和電力公司切換負(fù)載所致，這種感應(yīng)電涌可沿電力線傳輸，進入建筑物內(nèi)。電源系統(tǒng)電涌防護器的具體配置應(yīng)根據(jù)供電系統(tǒng)接地型式選擇。220/380V供電系統(tǒng)接地型式常采用的有 TN—S、IN—C—S、TT、IT四種，各接地型式地供電系統(tǒng)配電箱電涌防護器設(shè)置設(shè)計時，一般根據(jù)電源裝置所處區(qū)域按通流能力三級配置電涌防護器：一級（總配電柜，不低于 LPZl區(qū)內(nèi)），Up＝2.0kV，Imax＝65kA（8/20μs）；二級（分配電柜，不低于 LPZ1區(qū)內(nèi)），Up＝1.2/1.8kV，Imax＝40kA（8/20μs）；三級（設(shè)備處，不低于 LPzl區(qū)內(nèi)），Ures＜1kV，Imax＝6.5kA（8/20μs）。

交流電源與計算機的電源相連，數(shù)據(jù)線把計算機與電話線或局域網(wǎng)連接在一起；給計算機提供電源的交流電源線路、將計算機與電話通信網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)或其他局域網(wǎng)連接在一起的數(shù)據(jù)線路，電涌可以通過這些線路破壞性地干擾計算機。因此，與計算機相連的電源和數(shù)據(jù)線都需要安裝電涌防護器。

七、結(jié)語

電氣設(shè)備機房的電涌過壓及電磁干擾的防護，是保證正常辦公、生產(chǎn)、電氣設(shè)備及人身安全的重要技術(shù)手段，是確保精密電子設(shè)備運行和信息網(wǎng)絡(luò)正常運行不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)。在日常辦公和經(jīng)營活動中的重要作用變得越來越突出。