電涌的產(chǎn)生及危害分析

中國產(chǎn)業(yè)研究報告網(wǎng)訊： 

    內容提要：雷電感應引起的電磁能量若不及時泄入地下，可能產(chǎn)生放電火花，引起火災、爆炸或造成觸電事故。對感應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備只能防止直擊雷對建筑物的損壞，而不能防止直擊雷和感應雷對計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、中央控制設備和建筑物內的家用電器等設施的危害。

    電涌是指超出正常工作電壓的瞬時過電壓。從電學原理上講，電涌是發(fā)生在僅僅幾百萬分之一秒瞬間內的一種電壓或電流脈沖。只要有電的地方，就會有電涌。隨著現(xiàn)代社會微電子元器件的廣泛應用，電涌對電氣、電子設備的危害日益突出。電涌按照其成因可以分為外部電涌和內部電涌： 

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

    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）筑物外，還通過感應雷產(chǎn)生的外部電涌對建筑內部的電氣設備特別是低壓電氣設備、微電子設備造成巨大的沖擊和損壞。感應雷分為靜電感應雷和電磁感應雷。靜電感應雷是由于帶電積云接近地面，在架空線路導線或其他導電凸出物頂部感應出大量電荷引起的，它將產(chǎn)生很高的電位；電磁感應雷是由于雷電放電時，巨大的沖擊雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強磁場引起的，這種迅速變化的磁場能在鄰近的導體上感應出很高的電動勢。雷電感應引起的電磁能量若不及時泄入地下，可能產(chǎn)生放電火花，引起火災、爆炸或造成觸電事故。對感應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備只能防止直擊雷對建筑物的損壞，而不能防止直擊雷和感應雷對計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、中央控制設備和建筑物內的家用電器等設施的危害。 

    雷擊引發(fā)的外部電涌如下圖所示：

    感應雷對電子信息系統(tǒng)的危害，是由于這類設備的電氣元件極端靈敏，極易受到感應雷的損壞。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)生強大的電磁場，處于這一磁場的導體會感應出強大的電動勢。如導體有裂口會產(chǎn)生放電；二是由于雷云的感應作用，放電通道周圍的金屬導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，而導體上感應的電荷會產(chǎn)生很高的靜電感應電壓，從而損壞元件。在微電子時代，雷電的災害性日益明顯。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，雷電活動的發(fā)生強度和頻度也日益增強；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，形成了火災隱患；三是當今社會現(xiàn)代化、網(wǎng)絡化、信息化建設進程的加快，各類電子設備、設施廣泛應用，而這些電子系統(tǒng)對雷電產(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)生雷電災害的可能性。所以，雷電災害已被聯(lián)合國有關部門列為“最嚴重的十種自然災害之一”,被國際電工委員會（IEC）稱為“電子時代的一大公害”。根據(jù)中國氣象局雷電防護管理辦公室、中國氣象科學研究院和中國氣象學會雷電防護委員會編著的《2008 年全國雷電災害匯編》一書統(tǒng)計，2008 年雷災造成直接經(jīng)濟損失2.24 億元，間接經(jīng)濟損失6.21 億元。其中主要危害對象是家庭、辦公電子電器設備，占85.93%。根據(jù)中國氣象局雷電防護管理辦公室、中國氣象科學研究院和中國氣象學會雷電防護委員會編著的《2009 年全國雷電災害匯編》一書統(tǒng)計，2009 年雷災造成直接經(jīng)濟損失2.31 億元，間接經(jīng)濟損失6.41 億元。其中主要危害對象是家庭、辦公電子電器設備，占91.19%。據(jù)《2008 年全國雷電災害匯編》和《2009 年全國雷電災害匯編》統(tǒng)計，2008年和2009 年主要行業(yè)雷電災害事故比例統(tǒng)計如下表：

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

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

    我國是雷電多發(fā)的國家，據(jù)國家氣象局統(tǒng)計，我國有21 個省、自治區(qū)和直轄市每年雷暴日在50 天以上，最多的可高達134 天，意味著這21 個省區(qū)每周就有一個雷暴日，雷暴最頻繁的省區(qū)每3 天就有一個雷暴日。對電力、金融和通信等受害嚴重的行業(yè)來說，遭受雷擊是大概率事件。例如，2009 年8 月僅一個月內，江西省南昌縣供電公司的供電設施就遭受了9 次雷擊。如果沒有適當?shù)碾娪勘Ｗo或沒有按照規(guī)范操作，則會出現(xiàn)大面積受災的情況。2009 年9 月18 日-20 日，江西省吉安市泰和縣的移動通信基站因防雷裝置未年檢，10 個移動基站遭受雷擊，造成直接經(jīng)濟損失170 萬元。雷電引起的外部電涌造成了起重大災害，嚴重威脅國民經(jīng)濟運行和國家信息安全。下表是部分外部電涌造成的重大災害情況簡介：

    雷電造成的外部電涌具有突發(fā)性、災難性的特點，嚴重威脅著電力、金融、鐵路、通信、石化等多個行業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營和人民生命財產(chǎn)安全。這促使多個行業(yè)主管部門出臺了預防外部電涌的安全規(guī)范，并直接推動了電涌保護行業(yè)的發(fā)展。但是，在我國許多行業(yè)主管部門對電涌的認識多局限于外部電涌，而對內部電涌的認識則存在不足，電涌保護的技術規(guī)范多以防雷的名義發(fā)布實施，這造成了中國電涌防護產(chǎn)業(yè)重工業(yè)輕民用的局面，同時民眾電涌保護意識也較為薄弱。 

    ②其它外部電涌 

    除了雷擊以外，交流電網(wǎng)異常和大功率設備啟動也會產(chǎn)生外部電涌。雖然其來自配電系統(tǒng)外部，但是其強度和危害方式同配電系統(tǒng)內部設備開關和運行產(chǎn)生的內部電涌接近。 

    （2）內部電涌——電氣、電子網(wǎng)絡系統(tǒng)內設備開關引起的過電壓現(xiàn)實生活中電氣設備和電子設備不僅受到外部電涌的威脅，還受到內部電涌的威脅。內部電涌出現(xiàn)頻繁，根據(jù)戴恩•內里（Dion Neri）在《EC&M 電氣施工與管理》一文對電涌的描述，88%的電涌產(chǎn)生于建筑物內部的設備，如：空調、電梯、電焊機、空氣壓縮機、水泵、開關電源、復印機和其它感性負荷。內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、大型電動機及水泵的啟停、電焊機和重載可控硅負載的運行、補償調整電容系統(tǒng)的調節(jié)所形成的電涌，其電流可高達100 千安數(shù)量級,峰值電壓最高達6 千伏；另一種是產(chǎn)生于用電系統(tǒng)內部末端負載間的瞬態(tài)電涌，如復印機的運行、激光打印機開啟、繼電器、開關、電磁閥、變頻調速器、空調、冰箱、電視機的運行、開啟與關閉、末端負載過流短路故障和靜電放電等，其峰值電壓可達5 千伏，沖擊電流可達幾百安培數(shù)量級。此外，人為誤操作會產(chǎn)生內部電涌，對設備造成一定的損害。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，或在一段時間內發(fā)生。而影響嚴重的，甚至可能燒爆家用電器，導致火災。公安部消防局《中國火災統(tǒng)計年鑒》顯示：2008 年火災事故中，電氣火災居首位，占總數(shù)的30.1%，且所占比例呈上升趨勢，造成的損失十分慘重。引發(fā)火災的直接原因主要包括電涌、電線短路、超負荷和電器設備故障等。同時，內部電涌對電器設備日積月累的損害，加速了電器設備的老化，是造成電器火災的間接原因。 

    人們對內部電涌的深切認知，主要是來自微電子設備的廣泛應用。目前，大量電氣設備和電子設備采用智能化設計，內部嵌入了大規(guī)�；虺�大規(guī)模集成電路。由于集成電路上的元件間距減小，半導體厚度變薄，工作電壓僅幾伏，傳遞信息電流小至微安級，因此對外界的干擾極其敏感，比普通的設備更容易受到內部電涌的危害。鑒于集成電路具有規(guī)�；�、復雜化及超微化的特點，因而內部電涌對集成電路造成的累積性損害難以察覺和維修，導致設備的關鍵零部件提前老化甚至內存信息大量丟失，使得設備在安全期內頻發(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)濟的密切相關性和人口的密集性，眾多電氣、電子設備形成了大大小小的開放式電子網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡中的任何一個節(jié)點遭受電涌破壞后，均可能引起整個網(wǎng)絡的故障，其造成的間接損失會遠遠大于直接損失，甚至帶來災難性的后果。