我國電子信息設備信息技術正在飛速發展，它在生產科研和日常生活的應用日益廣泛，據最新統計，我國的上網計算機已超過1千二百萬臺。但電子信息設備常因元件被擊穿或燒毀而停止工作，重要的原因是這類設備的元件耐暫態過電壓的水平很低，如果設備的電源線和信號線上感應暫態過電壓，而線路又未設置必要的暫態過電壓保護器，則設備的電子元件將被擊穿。家庭的彩電在打雷時可拔掉電源插頭和天線插頭免受損害，而科研、生產、軍工部門的電子信息設備雷雨季節仍需堅持工作，不能采取拔插頭這種躲的方式。如果這些部門遭受雷電侵入，又沒有完善的防護過電壓的措施，將造成電子設備的損壞，產生不良后果，造成經濟損失和政治影響。

　　1992年6月2０日國家氣象局和1996年6月27日北京無線局維修中心大量電子信息設備遭雷電擊毀，說明暫態過電壓的危害不能輕視?，F在有一種做法，遭雷擊時想防雷，過了雷雨季節不談防雷，寄希望遭雷擊是一種巧合。其實，一個地方或建筑是否經常遭受雷擊，由該地區的雷暴日數、土壤電阻率、建筑物的高度、金屬體的多少等多方面因素影響，不以人們的意志為轉移。在目前，人們對雷電的產生還無法控制，但是經過多年的技術進步，人們已經尋找到了多種減輕雷電過電壓危害的有效辦法。只要合理運用這些方法，我們就可以把雷電的危害減輕到最低限度。

　　計算機系統能否正常工作，除了本身的軟硬件條件外，還有外部工作環境，主要是影響該系統正常工作的外部及內部過電壓，防止外部及內部過電壓也是計算機系統正常工作投資的一部分，如果忽略了這部分投資，造成系統的損壞，出現更換及維修設備的費用，從一定時期的周期投資費用上來講，很可能超過一次性裝備防過電壓設備的費用。在這里暫不計政治、社會及其它影響，有可能這方面的影響遠比防雷器件的投資大得多。1992年中央氣象局就因雷擊造成設備損壞，出現過未報天氣預報的事故，造成了很壞的社會影響。

1 過電壓的產生及危害

　　過電壓的概念：由電源系統外部（主要是雷電）和系統內部工作造成的工作電壓超過正常供電值，即稱為過電壓。暫態過電壓存在的時間非常短，只有幾十微秒的時間。

　1.1 雷電（外部過電壓Lightning）的產生及危害
　　雷云形成的假說很多，至今沒有一種被公認為無懈可擊的完整學說，主要有威爾遜假說。
　　廣州的唐山樵先生的說法：雷電的出現除與氣流、風速密切相關，而且與地球磁場也有一定聯系。雷雨云內部的不停運動和相互摩擦，使雷雨云產生大量的正、負電荷的小微粒，即所謂的摩擦生電。這樣龐大的雷雨云相當于一塊帶有大量正、負電荷的云塊，這些正、負電荷不斷地產生和復合，當這些云塊在水平方向向東或向西移動時（最大風速可達40m/s），它與地球磁場磁力線產生切割，就好像導體切割磁力線產生電流一樣，云中的正、負電荷將產生定向移動，其移動的方向按右手定則判斷。若云層由西向東移動，因地磁場磁力線是由地球南極指向北極，所以，大量的正電荷向上移動，負電荷向下移動，當正、負電荷積聚的足夠多時，場強達到（25～30kV/cm）時，將引起雷云間、雷云中或雷云對地的放電。沒有大氣運動就不會有雷電，這說明為什么雷電總是伴隨著狂風暴雨出現。

　　大地被雷擊時，多數是負電荷從雷云向大地放電，少數是雷云中的正電荷向大地放電；在一塊雷云發生的多次雷擊中，最后一次雷擊往往是雷云上的正電荷向大地放電。觀測證明，負電荷放電的能量平均為30kA；發生正電荷向大地放電的雷擊顯得特別猛烈，一般為100 kA，高的達200～300kA。

　　前幾年山東黃島油庫特大火災事故，也是由于雷擊所致，火災造成100多人傷亡，毀掉原油數萬m3，損失直接經濟7000多萬元，造成附近生態環境嚴重破壞。此次事故皆因領導不重視所至。

雷電破壞性很強的原因：
　 a. 在短短幾十?s，把雷云蘊藏的能量放出來。但據有關資料計算，每次閃擊發出的能量只相當于幾千克石油所放出的能量，見圖１、２。
　 b. 大多數雷電流峰值為幾十kA，也有少數的上百kA和幾百 kA。
　 c. 在電源或輸電線上的感應電壓，低則幾萬伏，高的達幾十上百萬伏。

　 雷擊的三種主要形式：
　 直擊雷：帶電的云層與大地上某一點之間發生猛烈的放電現象，稱直擊雷。避雷針并不能百分之百的攔截上空來的雷電，有的雷電并不是經最短的路徑泄放電流，有時繞過避雷針，對建筑物產生側擊或繞擊。據外國有關資料介紹，一個直擊雷不僅僅影響到被擊中的對象，而且對周圍半徑1.5km范圍內都有影響。
　 感應雷：強大的脈沖電流對周圍的導線或金屬物體產生電磁感應發生高電壓，以致發生閃擊的現象，也叫二次雷。當感應到導線時傳輸的距離更遠。一小女孩雨淋后，跑回家，欲打開金屬大門，結果被擊倒，搶救無效死亡。
　 球形雷：在雷電頻繁的雷雨地區，偶爾會發現紫色、殷紅色、灰紅色、藍色的“火球”。
　 這些火球有時從天空降落，然后又在空中或沿地面水平方向移動，有時平移，有時滾動。這些火球一般直徑10幾cm，大的超過1m，存在的時間從幾s到幾min，一般為幾s的居多。
　 1975年9月25日，海南省臨高縣一座知青宿舍，有一個發綠光的球形雷從開著的窗口竄入屋內，一位女青年因害怕而奪門而逃，球雷隨風尾追，碰到他身上爆炸，女青年死亡。
　 1983年8月15日，北京市東郊煉焦化工廠，因球形雷燒毀體積10m3的酒精罐兩個。
球形雷形成的原因推測：一是等粒子體；二小范圍的急促氣旋造成，三核反應。到目前試驗室未完滿重復這一現象。
　 近年來，由于建筑物的防雷設計逐漸完善，直擊雷造成的建筑物損壞和火災事故已有所減少，但是，隨著電子技術的飛速發展，敏感電子設備的工作電壓不斷降低。如第一代的計算機元件主要是電子管，過去沒有什么防雷保護措施，也很少發生雷擊事故。而今，新型超級計算機、人工智能計算機都使用集成電路模塊，其耐壓、過流的能力脆弱，國際電工委員會已將雷電災害稱為“電子化時代的一大公害”。從大量的計算機雷擊事例中分析可以認為：由雷電感應和雷電波侵入造成的雷電電磁脈沖（LEMP）是計算機和電子設備損壞的主要原因。

　 具體有以下規律：
　 a. 從被損壞部件在電路中的位置看，均在與外線連接的主機、終端機或MODOM接口中的驅動器和接收機，或擊穿MODEM后再擊穿主機或終端的接口，越過接口的部件很少被擊穿，可見雷電感應過電壓波侵入途徑是室外通訊線和電源線。
　 b. 從接口與線路看，損壞的多是接口，線路絕緣很少損壞，保護重點應是接口。
　 c. 發生雷擊外線路的長度，有長到二十多公里，也有短到幾十米的，可見雷電波的侵入在引出機房之外的線路就可發生。
　 d. 導線屏蔽程度對雷擊事故發生差別非常大，不加屏蔽或簡單屏蔽多次遭雷擊，屏蔽效果很好的導線，雷擊發生率極低。
　 e. 架空線路的的雷電感應過電壓。無屏蔽架空線路雷電感應過電壓幅值按下式計算：
　　　 Vg: 感應過電壓，kV
　　　 I ：雷電流幅值，kA
　　　 Ha：導線離地面高度，m
　　　 S： 雷擊點與導線的垂直距離，m據上式估算，在一公里遠處有50kA的雷擊電流，在4m高的導線上可產生5kV的感應過電壓，顯然，這對計算機和電子設備都會造成巨大的災難。
　 f. 地下電纜的雷電感應過電壓。5 kA雷電流流入地網，在其附近（5～10m）的無屏蔽電纜上將感應出5～7.5 kV的高壓。但電纜有金屬護套并兩端接地，則感應過電壓將降為（5%～10%）。
另外，光纖通訊發展很快，光纖本身是非金屬材料不怕雷擊，但是為了防止外界的腐蝕作用和增強架空拉設的強度，電纜內部加有抗拉的鋼芯，外加上金屬護套，也與雷電聯系在一起。

　 消雷器──實踐證明，消雷器并不能起到消雷的作用。
　 1.2 內部過電壓(Inter Overvoltage)的產生及危害
　 在電力系統內部，由于斷路器的操作、負荷的投入和切除或系統故障等系統內部的狀態變化，而使系統參數發生變化，從而引起的電力內部電磁能量轉換或傳輸過渡過程，將在系統中出現過電壓，這種過電壓稱為內部過電壓。在電力系統引起的內部過電壓的原因大致可分為：
　 a. 電力大負荷的投入和切除（電梯、大功率空調機、冷凍機、等）；
b. 感性負荷的投入和切除（電機、繼電器的線圈、帶負荷墊板變壓器）；
　 c. 功率因素補償電容器的投入和切除；
　 d. 短路故障等。
　 內部過電壓雖然沒有外部過電壓的危害大，但是，由于它長年作用于計算機系統，容易造成元器件的老化，減少設備的使用壽命和正常使用。

　 1.3 核致電磁脈沖（NEMP）
2 過電壓對電子設備的危害例證
　 例１：１９９４年７月７日下午３時５７分，湖南省沅陵縣麻溪鋪鎮政府辦公大樓頂的衛星接收天線受雷擊２４６臺電視機無一幸免，直接經濟損失達３０萬元。
　 例２：１９９２年６月２０日２０時０５分，中國氣象局氣象中心大樓落雷，避雷裝置和建筑物完好，但大樓大型計算機小型計算機網絡中斷，６條北京同步線和１條國際同步線路被擊斷，計算機系統中斷４６小時，不僅經濟損失數十萬元，次日中央電視臺氣象預報成為空白，影響非常巨大。
　 例3：武昌水果湖地區是湖北省委、省人民政府及各廳局所在地，其周邊地區為國務院批準的東湖高新技術開發區，該地區湖泊與山丘交替，雷暴日比周邊其它地區多。特別是高新企業的建立，樓房增多，房屋頂上金屬物體較多，特別是計算機網絡與現代化通信設施的飛速發展，使雷電事故發生率明顯提高。兩三年的時間遭直擊雷的損害達二十多次，造成電話總機、通信設備、計算機網絡等的巨大損失，有時一周都不能工作。
　 九十年代初，在省政府的重視下，在該地區完成了第一期防雷工程，分別在省勞動廳（７層）、省檔案館（１４層）、省物價局（６層）房頂上加裝防雷接閃設備，效果較好。但由于當時沒有考慮防感應雷，沒有過電壓保護措施，致使該地區雷擊事故時有發生。省政府大院的微波通信和電話總機，國防工辦電話總機多次遭到了雷擊，而附近的中科院物理所等單位的計算機網絡與通信設備上裝設了各類避雷過壓保護器，未發生事故。
　 與水果湖區相鄰的卓刀泉地區，也是雷擊事故多發區。在此的湖北省口腔醫院電話總機、７７２所供電系統、省氣象局計算機網絡接口多次遭雷擊，經調查，并不是因遭直擊雷所致，皆因未采取防感應雷措施。而這些單位之間的武漢信聯證券公司在屋頂上鐵塔上裝設一套避雷針，在信號、配電等設施上分別安裝了電源、天饋信號避雷器，對地網進行了全面改造，在周圍多處遭雷擊的情況下，公司未因雷擊受到損失。

3 計算機和電子設備的過電壓防護
　 對于過電壓引起的危害，以引起了發達國家的重視，美國、法國、德國、英國等國都有相關的防過電壓的標準和規定，如德國的ＶＤＥ ０６７５《過電壓防雷保護器》。國際電工委員會制訂的相關標準有：《雷電電磁脈沖的防護》(ＩＥＣ1312—1，2，3—94，95，96)、《低壓電力配電系統的電涌保護器》(ＩＥＣ1643-1)。
　 基于過電壓的危害，及防過電壓產品取得的良好效果，我國正在著手制定相關的規范，如通信部門的《通信局雷電過電壓保護設計規范（送審稿）》。我國許多相關現行規范中也提到了過電壓防護。如：《建筑物防雷設計規范》ＧＢ50057-94（文說明）中指出:“關于電子元件的過電壓保護分三部分，即２２０/３８０Ｖ、信息線路、有電子元件的設備本身…，在裝置附近的供電設備是否裝設過電壓保護器，應根據設備的重要性，由信息線路設計者一起解決，或由設備的使用者解決或由設備的制造者提供”。從此規范中可以看出，建筑電氣設計者們早就對過電壓問題引起了重視，只是不便于干預其它行業，而強行要求裝設過電壓保護器。
　 隨著智能大廈的推廣應用，電視、電話、計算機及網絡的普及，迫切需要過電壓防護跟上發展形勢。

　 3.1 降低入侵感應電壓幅值
　 這是基本的方法，具體做法是不用架空線，采用屏蔽良好的電纜并將屏蔽層和備用芯線兩端接地，正確選擇布線路徑，盡可能直接埋地敷設，并在電纜上方埋設避雷線。但若單靠改善線路結構達到避雷的目的在經濟上很難辦到，特別是在雷電活動強烈的地區，即使全線采用同軸電纜，感應電壓也達100多伏甚至上千伏，所以還必須在線路兩端設備處設過電壓保護裝置。
　 3.2 保護裝置
　 安裝過壓保護裝置是為了達到兩個目的：不產生誤動作和原件不遭損壞；另一種是不影響儀器設備的工作性能。
　 3.3 現代防雷
　 富蘭克林美國科學家（1706-1790），放風箏發明了避雷針。從富蘭克林發明避雷針到現在，科學技術發生了巨大變化，為適應高科技的現狀，要采用現代防雷技術?，F代防雷的技術原則強調全方位防護，綜合治理，層層設防，把防雷看做是一個系統工程，這是由于雷電的危害無孔不入，在整個空間范圍侵襲微電子設備，很難防范。

　 現代綜合防雷技術“BCDGS”：
　 B：“等電位聯接”(Bonding)，其目的是防止強大雷電流流過之處立即升高至很高的電位，與周圍金屬物和設備之間出現很大的電位差，造成旁側閃絡放電。同時可消除因地電位驟然升高而產生“反擊”的現象。消除因電位差引起的人身事故。
　 等電位聯結：隨著我國電氣行業日新月異的 變化，我國許多新修訂的規范、標準正逐步同IEC（國際電工委員會）接軌。等電位聯接是“使各外露可導電部分和裝置外可導電部分電位基本相等的電氣聯接”，分為總等電位聯接、局部等電位聯接、輔助等電位聯接。總等電位聯接就是在建筑物每一電源進線處及進出建筑物的金屬管道、金屬結構構件等連成一體一般有總等電位聯結端子板，并與其它等電位聯結端子板放射連接。等電位聯接能夠降低接觸電壓，防二次雷擊，防間接接觸電擊及接地故障引起的爆炸和火災，在電氣設計中，等電位聯接是一種行之有效的安全措施，早已為國際上許多國家所采用，這項內容在王厚余老先生的極力倡導和推薦下，被寫進了我國的設計規范《低壓配電設計規范》（GB50054—95），并于1996年6月1日實施。為了使這一內容在工程中得到更好的推廣，1997年，航空設計院的徐華等人在王厚余、劉屏周的具體指導下，編制了《等電位聯接安裝》（97SD567）標準圖。
等電位聯接示意圖見圖３。
　 C：傳導（Conducting），作用是把閃電的巨大能量引導到大地中耗散掉。只能攔截建筑物上空的閃電，對于遠處落雷產生的過電壓波沿各種導線的入侵無能為力。避雷針引導閃電入地的導線流有巨大的電流，會產生感應電磁場，也可能損壞設備，所以必須與其它防雷措施配合。
　 D：分流（Dviding），從室外來的導線（電源線、電話線、信號線）都要并聯一種 避雷器至接地線。把循導線傳入的過電壓波在避雷器處分流入地，也就是把雷電流的所有入侵通道堵截，使之降到不危害設備的程度。但是一級不夠，要多級堵截。
　 電子信息設備比一般的電氣設備更易被過電壓擊毀。一般的電氣設備工作電壓較高，都具有一定的耐雷水平，如果電源進線的暫態過電壓不超過6kV，這些設備一般不會損壞。而電子設備的耐暫態過電壓的能力很低，據介紹，弱電設備電源部分的沖擊耐電壓值分別是：交流220V系統為1500Ｖ，直流48伏系統為330Ｖ，電信交換與用戶終端設備為1000Ｖ；計算機不得低于1500Ｖ。又由于在短時間內電能釋放的能量太大，為使最終的工作設備不損壞，必須在過電壓到達弱電設備之前把電能釋放掉。所以低壓供電電源線路系統的防護，要求不得少于三級，最好是四級，從而將過電壓降到設備所能承受的水平。一般防御電壓為6kV、4 kV、2.5 kV和小于1.5kV：即三相總電源、進入室內的單相電源和進入用電設備前的三級保護。
　 我國《低壓配電設計規范》（GB50054—95）中規定，從變電站接往建筑物的地下電纜，當超過150m時，在進入建筑物的總配電箱中應設避雷器，架空線即使只有幾十m，也應設避雷器。
　 過壓保護器的接線：
　 保護器如果安裝不正確，將降低保護器的效果。下面左圖是不正確的，圖中將避雷器安裝在進線處墻上，還為之設置專門的接地極。當雷電流擊穿短路時，設備所承受的雷電殘壓為和Ｉ分別為避雷器接線的電感、雷電涌流陡度和雷電流Ｉ在接地電阻Ｒ上的電壓降）。如圖中虛線所示，由于接線很長，加上Ｒ上的壓降，雷電殘壓仍然很高。國際電工標準規定避雷器接線不應超過0.5m，最好將避雷器接于相線和ＰＥ 線之間，以盡可能縮短接線長度，如下右圖。 這時圖中設備絕緣所承受雷電殘壓僅為相線和ＰＥ線母排間一小段接線 ，這樣既不需另打接地極，又最大限度地限制了雷電殘壓。
　 計算機分為局域網和廣域網兩大類。為了保護網上的計算機等設備，在局域網電纜上和廣域網的專用電路上都必須安裝計算機數據線避雷器。

　 G：接地（Grounding）,從“ BCD”三個措施看，都涉及到閃電能量的泄放，所以G雖是配角，但沒有它，這三個措施就不可能達到預期的效果，它歷來都是防雷工程的難點和重點。
　 接地型式介紹：
　 避雷接地──避雷針、避雷帶、避雷網防直擊雷的裝置接地。
　 電源接地──交流供電電路中的中性點Ｎ接地或叫零線。供電系統分為三種型式ＴＮ、ＴＴ、ＩＴ。一般的建筑用電采用ＴＮ，并分為三種，即ＴＮ—Ｓ、ＴＮ—Ｃ、ＴＮ—Ｃ—Ｓ。
　 在計算機站和裝有電子信息設備的場所，防干擾要求高，ＰＥＮ容易引起干擾，所以在此場所應采用ＴＮ—Ｓ、ＴＮ—Ｃ—Ｓ系統。
　 安全保護接地──各類用電設備的外金屬殼接地，作用是保護人身安全、屏蔽設備。
　 直流接地──有線通信中的信號接地。在中型以上的計算機網絡中又叫邏輯接地。
　 接地系統中非常重要的指標是接地電阻。各種裝置的接地電阻值，按我國現行規范及有關，資料列于下表。
　 接地裝置名稱 接地電阻（Ω）
　 裝在變電所與母線連接的避雷器 10
　 獨立避雷器 5
　 電子設備接地 4
　 電子計算機安全接地 4
　 綜合大樓聯合設接地系統 ≤1
　 S：屏蔽（Shielding），就是利用金屬網、殼管等把閃電的脈沖磁場從空間入侵的通道阻隔起來，力求“無縫隙可鉆”，但是這一點不能做到。
電纜線的保護：
　 對計算機網絡的雷電防護采用現代綜合防雷措施中，重點要求加強電源系統和信號系統的防護。
　 在對系統進行防雷設計前要進行周密的調查，有針對性的采取相應的保護措施。
4 現代防雷產品簡介
　 4.1 氣體放電管
　 用于弱電設備防雷，與強電系統的防雷有所不同，差別是在于工作電壓。氣體放電管從物理上看，也是放在管內的火花間隙，但體積小，接在電子設備的線路上，工作電壓很低。有用玻璃管的，也有改用陶瓷管用于密封?？煞譃槎O管、三極管、四極管、五極管等。常用的放電管的沖擊電壓在1kV左右（1kV/us），被保護電壓從幾十V到幾百上千V。其突出特點是耐流能力較大，可達20 kA，極間電容較小且穩定，較適用于高頻多路通信設備做保護，但當頻率高到一定程度時，對信號的衰減很大。
　 這里要提到一個重要的參數，就是“時間相應”，從過電壓波到達避雷器的瞬間到它的擊穿放電導通的瞬間，有一個時間延遲，在到達放電瞬間之前，過電壓并未降至殘壓，這時過電壓已到達被保護的設備，則這個避雷器就失去意義。所以，我們在弱電防護工作中特別要重視這個參數。
　 4.2 閥型避雷器
　 它是由非線性電阻元件（又稱閥片）組成。第一個字母F均表示這種避雷器（FS型系列適用于配電系統，FZ、FCZ型適用于變電所，FCD型適用于保護電機）。閥片材料在八十年代以前用SiO,現被ZnO取代。
　 ZnO的主要優點是：
　 a. 由于不串聯火花間隙，消除了所有帶火花間隙產生的問題，主要是大大縮短了響應時間。
　 b. 降低了過電壓。
　 c. 流通容量大。
　 d. 體積小、重量輕、結構簡單、壽命長。
　 衡量避雷器性能的參數──殘壓比：指避雷器通過10kA沖擊電流時的殘壓與通過1mA直流時的電位降的比值，此值越小，表明通過大電流時的殘壓越低，表明ZnO的保護性能越好。
　 4.3 壓敏電阻
　 由ZnO材料制成的電阻元件，與閥型無間隙避雷器本質相同，只是體積小，使用的場合不同。它是近年新出現的電子元件，廣泛用于電子電路中，也可用于弱點系統的防雷中作為避雷器。它的相應速度可達毫微秒級，沖擊電流可達10kA。
　 4.4 隔離型防雷元件
　 隔離變壓器，優點可承受１０kV電壓不損壞，防止了地線對模塊的反擊，但體積大，價格高。
　 4.5 半導體器件
　 包括齊納二極、開關二極管、瞬態二極管、可控硅。它們的性能相同，在限幅能力和沖擊能力上稍有差異，最大優點是相應速度快n秒級。限幅電壓低，最適于信號電路中保護電子元件，弱點是耐流能力差。
　 4.6 正溫度系數熱敏電阻（ＰＴＣ）。
　 主要用在限制電流的劇增上，串聯在被保護電路中，與上述幾種避雷裝置組合使用。還有一些新型過電壓保護器件在這里不一一介紹。
5 結束語
　 防止電源及信號系統的過電壓，是一個系統工程，需要考慮的因素很多，如避雷器、線路的保護、地線的敷設、過電壓保護器正確選用等等，要統籌考慮。要針對用戶的狀況采取具體的措施，從已往過電壓保護的成功經驗看，過電壓保護器是一個非常有效的方法，值得進一步推廣。