電涌的產(chǎn)生及危害分析

中國(guó)產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告網(wǎng)訊： 

    內(nèi)容提要：雷電感應(yīng)引起的電磁能量若不及時(shí)泄入地下，可能產(chǎn)生放電火花，引起火災(zāi)、爆炸或造成觸電事故。對(duì)感應(yīng)雷一般又稱為間接雷擊和雷電二次作用。一般建筑物的防雷設(shè)備只能防止直擊雷對(duì)建筑物的損壞，而不能防止直擊雷和感應(yīng)雷對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、中央控制設(shè)備和建筑物內(nèi)的家用電器等設(shè)施的危害。

    電涌是指超出正常工作電壓的瞬時(shí)過電壓。從電學(xué)原理上講，電涌是發(fā)生在僅僅幾百萬(wàn)分之一秒瞬間內(nèi)的一種電壓或電流脈沖。只要有電的地方，就會(huì)有電涌。隨著現(xiàn)代社會(huì)微電子元器件的廣泛應(yīng)用，電涌對(duì)電氣、電子設(shè)備的危害日益突出。電涌按照其成因可以分為外部電涌和內(nèi)部電涌： 

    （1）外部電涌——由雷擊、交流電網(wǎng)異常、周邊大功率設(shè)備的啟動(dòng)引起的過電壓 

    ①雷電引發(fā)的外部電涌 

    雷電的危害除直接損毀擊中的建（構(gòu)）筑物外，還通過感應(yīng)雷產(chǎn)生的外部電涌對(duì)建筑內(nèi)部的電氣設(shè)備特別是低壓電氣設(shè)備、微電子設(shè)備造成巨大的沖擊和損壞。感應(yīng)雷分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷。靜電感應(yīng)雷是由于帶電積云接近地面，在架空線路導(dǎo)線或其他導(dǎo)電凸出物頂部感應(yīng)出大量電荷引起的，它將產(chǎn)生很高的電位；電磁感應(yīng)雷是由于雷電放電時(shí)，巨大的沖擊雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)磁場(chǎng)引起的，這種迅速變化的磁場(chǎng)能在鄰近的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)。雷電感應(yīng)引起的電磁能量若不及時(shí)泄入地下，可能產(chǎn)生放電火花，引起火災(zāi)、爆炸或造成觸電事故。對(duì)感應(yīng)雷一般又稱為間接雷擊和雷電二次作用。一般建筑物的防雷設(shè)備只能防止直擊雷對(duì)建筑物的損壞，而不能防止直擊雷和感應(yīng)雷對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、中央控制設(shè)備和建筑物內(nèi)的家用電器等設(shè)施的危害。 

    雷擊引發(fā)的外部電涌如下圖所示：

    感應(yīng)雷對(duì)電子信息系統(tǒng)的危害，是由于這類設(shè)備的電氣元件極端靈敏，極易受到感應(yīng)雷的損壞。因此損壞主要集中在電子元件上，其損壞方式：一是由于雷電流迅速變化，在周圍空間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)，處于這一磁場(chǎng)的導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出強(qiáng)大的電動(dòng)勢(shì)。如導(dǎo)體有裂口會(huì)產(chǎn)生放電；二是由于雷云的感應(yīng)作用，放電通道周圍的金屬導(dǎo)體帶有與雷擊極性相反的電荷，雷電放出后，放電通道中的電荷速度中和，而導(dǎo)體上感應(yīng)的電荷會(huì)產(chǎn)生很高的靜電感應(yīng)電壓，從而損壞元件。在微電子時(shí)代，雷電的災(zāi)害性日益明顯。一是在全球氣候變暖背景下，各種極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生，雷電活動(dòng)的發(fā)生強(qiáng)度和頻度也日益增強(qiáng)；二是城鄉(xiāng)日益增多的高大建筑物增加了遭受雷擊的幾率，形成了火災(zāi)隱患；三是當(dāng)今社會(huì)現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化建設(shè)進(jìn)程的加快，各類電子設(shè)備、設(shè)施廣泛應(yīng)用，而這些電子系統(tǒng)對(duì)雷電產(chǎn)生的電磁輻射比較敏感，再加上各種線路的互連互通，就大 

    大增加了發(fā)生雷電災(zāi)害的可能性。所以，雷電災(zāi)害已被聯(lián)合國(guó)有關(guān)部門列為“最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一”,被國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）稱為“電子時(shí)代的一大公害”。根據(jù)中國(guó)氣象局雷電防護(hù)管理辦公室、中國(guó)氣象科學(xué)研究院和中國(guó)氣象學(xué)會(huì)雷電防護(hù)委員會(huì)編著的《2008 年全國(guó)雷電災(zāi)害匯編》一書統(tǒng)計(jì)，2008 年雷災(zāi)造成直接經(jīng)濟(jì)損失2.24 億元，間接經(jīng)濟(jì)損失6.21 億元。其中主要危害對(duì)象是家庭、辦公電子電器設(shè)備，占85.93%。根據(jù)中國(guó)氣象局雷電防護(hù)管理辦公室、中國(guó)氣象科學(xué)研究院和中國(guó)氣象學(xué)會(huì)雷電防護(hù)委員會(huì)編著的《2009 年全國(guó)雷電災(zāi)害匯編》一書統(tǒng)計(jì)，2009 年雷災(zāi)造成直接經(jīng)濟(jì)損失2.31 億元，間接經(jīng)濟(jì)損失6.41 億元。其中主要危害對(duì)象是家庭、辦公電子電器設(shè)備，占91.19%。據(jù)《2008 年全國(guó)雷電災(zāi)害匯編》和《2009 年全國(guó)雷電災(zāi)害匯編》統(tǒng)計(jì)，2008年和2009 年主要行業(yè)雷電災(zāi)害事故比例統(tǒng)計(jì)如下表：

    備注：2009 年通信行業(yè)比例大幅度攀升的主要原因是2009 年廣東省報(bào)告了5714 起通 

    信行業(yè)的雷擊受災(zāi)事件，占報(bào)告總樣本7497 起的69.01%。 

    我國(guó)是雷電多發(fā)的國(guó)家，據(jù)國(guó)家氣象局統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有21 個(gè)省、自治區(qū)和直轄市每年雷暴日在50 天以上，最多的可高達(dá)134 天，意味著這21 個(gè)省區(qū)每周就有一個(gè)雷暴日，雷暴最頻繁的省區(qū)每3 天就有一個(gè)雷暴日。對(duì)電力、金融和通信等受害嚴(yán)重的行業(yè)來(lái)說(shuō)，遭受雷擊是大概率事件。例如，2009 年8 月僅一個(gè)月內(nèi)，江西省南昌縣供電公司的供電設(shè)施就遭受了9 次雷擊。如果沒有適當(dāng)?shù)碾娪勘Ｗo(hù)或沒有按照規(guī)范操作，則會(huì)出現(xiàn)大面積受災(zāi)的情況。2009 年9 月18 日-20 日，江西省吉安市泰和縣的移動(dòng)通信基站因防雷裝置未年檢，10 個(gè)移動(dòng)基站遭受雷擊，造成直接經(jīng)濟(jì)損失170 萬(wàn)元。雷電引起的外部電涌造成了起重大災(zāi)害，嚴(yán)重威脅國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和國(guó)家信息安全。下表是部分外部電涌造成的重大災(zāi)害情況簡(jiǎn)介：

    雷電造成的外部電涌具有突發(fā)性、災(zāi)難性的特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅著電力、金融、鐵路、通信、石化等多個(gè)行業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。這促使多個(gè)行業(yè)主管部門出臺(tái)了預(yù)防外部電涌的安全規(guī)范，并直接推動(dòng)了電涌保護(hù)行業(yè)的發(fā)展。但是，在我國(guó)許多行業(yè)主管部門對(duì)電涌的認(rèn)識(shí)多局限于外部電涌，而對(duì)內(nèi)部電涌的認(rèn)識(shí)則存在不足，電涌保護(hù)的技術(shù)規(guī)范多以防雷的名義發(fā)布實(shí)施，這造成了中國(guó)電涌防護(hù)產(chǎn)業(yè)重工業(yè)輕民用的局面，同時(shí)民眾電涌保護(hù)意識(shí)也較為薄弱。 

    ②其它外部電涌 

    除了雷擊以外，交流電網(wǎng)異常和大功率設(shè)備啟動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生外部電涌。雖然其來(lái)自配電系統(tǒng)外部，但是其強(qiáng)度和危害方式同配電系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備開關(guān)和運(yùn)行產(chǎn)生的內(nèi)部電涌接近。 

    （2）內(nèi)部電涌——電氣、電子網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備開關(guān)引起的過電壓現(xiàn)實(shí)生活中電氣設(shè)備和電子設(shè)備不僅受到外部電涌的威脅，還受到內(nèi)部電涌的威脅。內(nèi)部電涌出現(xiàn)頻繁，根據(jù)戴恩•內(nèi)里（Dion Neri）在《EC&M 電氣施工與管理》一文對(duì)電涌的描述，88%的電涌產(chǎn)生于建筑物內(nèi)部的設(shè)備，如：空調(diào)、電梯、電焊機(jī)、空氣壓縮機(jī)、水泵、開關(guān)電源、復(fù)印機(jī)和其它感性負(fù)荷。內(nèi)部電涌主要包括操作過電壓、暫態(tài)過電壓和電磁脈沖過電壓，其中操作過 

    電壓最為頻繁。操作過電壓有兩種形成方式：一種是在用戶的供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的工作電涌，它是由高壓變壓器的投入或切除、大型電動(dòng)機(jī)及水泵的啟停、電焊機(jī)和重載可控硅負(fù)載的運(yùn)行、補(bǔ)償調(diào)整電容系統(tǒng)的調(diào)節(jié)所形成的電涌，其電流可高達(dá)100 千安數(shù)量級(jí),峰值電壓最高達(dá)6 千伏；另一種是產(chǎn)生于用電系統(tǒng)內(nèi)部末端負(fù)載間的瞬態(tài)電涌，如復(fù)印機(jī)的運(yùn)行、激光打印機(jī)開啟、繼電器、開關(guān)、電磁閥、變頻調(diào)速器、空調(diào)、冰箱、電視機(jī)的運(yùn)行、開啟與關(guān)閉、末端負(fù)載過流短路故障和靜電放電等，其峰值電壓可達(dá)5 千伏，沖擊電流可達(dá)幾百安培數(shù)量級(jí)。此外，人為誤操作會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部電涌，對(duì)設(shè)備造成一定的損害。據(jù)專家介紹，即使是很小的電涌或尖峰電流，也能夠最終損壞或影響昂貴的電子設(shè)備性能，如電腦、電視、電話、傳真、音響等家用電器。毀壞可以在瞬間發(fā)生，或在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生。而影響嚴(yán)重的，甚至可能燒爆家用電器，導(dǎo)致火災(zāi)。公安部消防局《中國(guó)火災(zāi)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示：2008 年火災(zāi)事故中，電氣火災(zāi)居首位，占總數(shù)的30.1%，且所占比例呈上升趨勢(shì)，造成的損失十分慘重。引發(fā)火災(zāi)的直接原因主要包括電涌、電線短路、超負(fù)荷和電器設(shè)備故障等。同時(shí)，內(nèi)部電涌對(duì)電器設(shè)備日積月累的損害，加速了電器設(shè)備的老化，是造成電器火災(zāi)的間接原因。 

    人們對(duì)內(nèi)部電涌的深切認(rèn)知，主要是來(lái)自微電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用。目前，大量電氣設(shè)備和電子設(shè)備采用智能化設(shè)計(jì)，內(nèi)部嵌入了大規(guī)�；虺�大規(guī)模集成電路。由于集成電路上的元件間距減小，半導(dǎo)體厚度變薄，工作電壓僅幾伏，傳遞信息電流小至微安級(jí)，因此對(duì)外界的干擾極其敏感，比普通的設(shè)備更容易受到內(nèi)部電涌的危害。鑒于集成電路具有規(guī)�；�、復(fù)雜化及超微化的特點(diǎn)，因而內(nèi)部電涌對(duì)集成電路造成的累積性損害難以察覺和維修，導(dǎo)致設(shè)備的關(guān)鍵零部件提前老化甚至內(nèi)存信息大量丟失，使得設(shè)備在安全期內(nèi)頻發(fā)如電路短路、電腦主板燒毀或硬盤數(shù)據(jù)丟失等故障。 

    由于現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的密切相關(guān)性和人口的密集性，眾多電氣、電子設(shè)備形成了大大小小的開放式電子網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)遭受電涌破壞后，均可能引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的故障，其造成的間接損失會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接損失，甚至帶來(lái)災(zāi)難性的后果。