對(duì)于建筑物而言，除了大部分雷擊浪涌的引流之外，針對(duì)殘留雷電的內(nèi)部設(shè)備保護(hù)也變得越來越為重要。

 

雷電具有直接和間接影響建筑物、家庭及城市內(nèi)電子系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。直接雷擊不但可以摧毀人的生命，而且其導(dǎo)致的瞬態(tài)巨大電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可對(duì)設(shè)備造成永久性傷害。平均而言，雷電電壓可幾乎在瞬間向地表施加50萬焦耳的能量，而且地球每年遭受10億次以上的雷擊，因此避雷防護(hù)極為重要?；九c數(shù)據(jù)中心所采用的避雷防護(hù)措施及下游浪涌保護(hù)技術(shù)可大為不同。下文主要對(duì)采用同軸和以太網(wǎng)互連器件的系統(tǒng)所使用的浪涌保護(hù)器件進(jìn)行描述。

 

表1：避雷防護(hù)區(qū)域

 

 

IEC/BS EN 62305避雷防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)將雷擊風(fēng)險(xiǎn)分為以下三類：直接雷擊；間接雷擊；以及雷擊造成的電磁能量。如表1所示，在避雷防護(hù)規(guī)劃中，需要將各區(qū)域劃分為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域（或稱避雷防護(hù)區(qū)域）以及雷擊潛在損害區(qū)域。上述標(biāo)準(zhǔn)將雷擊可能導(dǎo)致的損害分為以下三類：1）活體傷害；2）結(jié)構(gòu)的物理性損壞；3）內(nèi)部系統(tǒng)的失效。一般而言，對(duì)于任何可能給人類造成傷害的事物，均須設(shè)置層層預(yù)防措施。舉例而言，為了保障內(nèi)部人員的生命安全，醫(yī)院需要在外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)備兩個(gè)層面設(shè)置大量的緩沖設(shè)施。

 

表2：避雷防護(hù)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)

 

美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室（Underwriter’s Laboratory）所列的數(shù)種避雷防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)浪涌保護(hù)中采用的設(shè)備（見表2）。其中，浪涌保護(hù)器件標(biāo)準(zhǔn)UL1449規(guī)定了瞬態(tài)電壓電氣路徑在各種系統(tǒng)供電方式下所需采取的保護(hù)模式。

 

終端設(shè)備的供電一般采用單相或多相交流電。當(dāng)設(shè)備連于單條火線和零線（本地地線）之間時(shí)，即為單相交流供電。三相系統(tǒng)需要連接三條相線及零線。如表3所示，對(duì)于所有的導(dǎo)電路徑組合，只要其可能發(fā)生電勢(shì)差，即需在該組合的路徑之間設(shè)置浪涌保護(hù)。產(chǎn)品說明書中經(jīng)常以相零（L-N）保護(hù)、相地（L-G）保護(hù)及相相（L-L）保護(hù)等詞描述浪涌保護(hù)器件的保護(hù)模式。此外，保護(hù)模式還可描述為共模或差模浪涌保護(hù)。

 

表3：瞬態(tài)過電壓的保護(hù)類型

 

當(dāng)浪涌對(duì)局部區(qū)域內(nèi)的零地（N-G）節(jié)點(diǎn)等所有導(dǎo)體具有同等影響時(shí)，稱為共模浪涌。差模浪涌發(fā)生于給定位置上的任何兩個(gè)導(dǎo)體之間，也稱普通浪涌或相線與零線之間的浪涌。大多數(shù)現(xiàn)有設(shè)備本身可抗共模浪涌。根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（ANSI）C62.41，大多數(shù)共模浪涌來自建筑物，而且建筑物內(nèi)的共模浪涌最大僅為0.17焦耳。然而，差模浪涌比共模浪涌高若干數(shù)量級(jí)。

 

同軸浪涌保護(hù)器：戶外用途中使用的同軸互連器件須同時(shí)承受直接和間接雷擊，其可對(duì)傳輸線及其上連接的電路產(chǎn)生不利影響。從真空管到固態(tài)電子器件設(shè)備的轉(zhuǎn)換，尤其變送器一端的轉(zhuǎn)換增加了與雷擊相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)——該敏感的集成電路易于在殘留瞬態(tài)電壓浪涌的作用下?lián)p壞。

 

同軸電纜旨在最大限度地減少目標(biāo)高頻信號(hào)因趨膚效應(yīng)而發(fā)生的歐姆損耗，并同時(shí)防止外部導(dǎo)體（或屏蔽層）對(duì)內(nèi)部信號(hào)的干擾。趨膚效應(yīng)是指，隨著頻率的增大，信號(hào)的大部分集中于導(dǎo)體外邊緣的一種現(xiàn)象。與電子能在整個(gè)導(dǎo)體內(nèi)自由遷移的交流應(yīng)用相比，在趨膚效應(yīng)的作用下，射頻（RF）信號(hào)在導(dǎo)體內(nèi)的穿透深度通常不超過數(shù)個(gè)千分之一英寸。因此，人們將60Hz常用的大直徑接地電纜碾平，并將其圍繞于發(fā)送高頻信號(hào)的中心導(dǎo)體周圍，以形成同軸電纜，其中，該外圍電纜屏蔽層可作為法拉第罩，防止外部干擾觸及內(nèi)部信號(hào)線。在未接地的情況下，屏蔽層可產(chǎn)生電壓，并用作信號(hào)發(fā)射天線。然而，這種精細(xì)脆弱的平衡可在雷擊的作用下被打破，這是因?yàn)槔讚艨赏瑫r(shí)在同軸電纜的內(nèi)外導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電勢(shì)差。此外，由于雷擊浪涌的大部分能量的頻率為易于被同軸電纜承載的DC~1MHz，因此其可在同軸電纜所連電子設(shè)備的工作頻率中產(chǎn)生破壞性的變化。

 

由于雷電的頻率相對(duì)較低，同軸避雷保護(hù)器通常采用隔直器或高通濾波器的形式，以將直流及低頻50/60Hz電壓引導(dǎo)至屏蔽地線。在采用氣體管浪涌保護(hù)時(shí)，當(dāng)浪涌太大，無法分流時(shí)，電流將使熔斷器斷開，從而消除浪涌保護(hù)器與屏蔽地線之間的電氣路徑（見圖1）。

 

圖1

 

分布式天線系統(tǒng)領(lǐng)域中采用的浪涌保護(hù)器件還需要考慮低無源互調(diào)（PIM）失真器件的使用。PIM為難以消除的干擾的主要來源，其為高度敏感射頻系統(tǒng)的無源硬件在高功率條件下產(chǎn)生的可與目標(biāo)信號(hào)混頻及相互干涉的頻率產(chǎn)物。PIM所致問題難以解決的原因在于，由于無源器件的大量使用，人們難以在不影響原始載波信號(hào)的同時(shí)將其濾除。在沒有可快速消除PIM的低成本方法可供使用的情況下，系統(tǒng)安裝只能采用低PIM器件。此類器件由精心挑選的可在配接時(shí)不產(chǎn)生顯著PIM水平的一系列導(dǎo)體材料制成，而且其制造過程中盡量減少鐵磁材料（PIM的常見來源）的使用。

 

以太網(wǎng)浪涌保護(hù)器：對(duì)于數(shù)據(jù)中心廣泛采用的以太網(wǎng)干線而言，浪涌保護(hù)的主要目的在于防止可導(dǎo)致數(shù)百萬美元損失的宕機(jī)。根據(jù)艾默生-波耐蒙研究所（Emerson and Ponemon Institute）的宕機(jī)評(píng)估研究結(jié)果，截止2016年，數(shù)據(jù)中心的計(jì)劃外斷電所導(dǎo)致的平均成本幾近每分鐘9千美元，而且這一數(shù)字還在逐年增大。雖然數(shù)據(jù)中心斷電的主要原因在于人為失誤和不間斷供電設(shè)備（大約占50%），然而由于直接和間接雷擊導(dǎo)致的意外浪涌可造成不可預(yù)見的損害，因此仍需建立針對(duì)此類浪涌的防御陣線。

 

 

遠(yuǎn)程雷擊，電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)的電源浪涌，甚至太陽耀斑等自然地磁擾動(dòng)都可在設(shè)備和電源之間的饋電線路中產(chǎn)生電壓瞬變。數(shù)據(jù)中心可采用多種形式的瞬態(tài)電壓浪涌抑制手段。開關(guān)裝置通常為數(shù)據(jù)中心分流電源浪涌的第一道防線。不間斷供電設(shè)備為另一種主要的瞬態(tài)電壓浪涌抑制手段，其中，當(dāng)發(fā)生電源失效的緊急情況時(shí)，可通過飛輪或電池（取決于不間斷供電設(shè)備的類型）向計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備瞬間提供電力。此外，大量能量的分流還需要采用各種常用的散熱手段。配電裝置中安裝的浪涌保護(hù)器件必須能夠以不發(fā)生煙霧或爆炸的形式安全地化解巨大的電流浪涌。

 

 

隨著傳輸速度更快的以太網(wǎng)通信線路的問世，抑制微小電壓浪涌的需求越來越高。隨著人們對(duì)布線密度的要求越來越高，大量數(shù)據(jù)中心正在面臨越來越嚴(yán)苛的空間和規(guī)格限制——雖然用于為40Gbps吞吐量的QSFP+收發(fā)器供電的3.5W電源可為吞吐量高達(dá)100Gbps的QSFP28收發(fā)器供電，但舊式10Base-T接口可承受的浪涌可能會(huì)導(dǎo)致新式的100Base-T及以上接口遭到破壞。此外，為了維持較低的成本，以太網(wǎng)接口如今已集成至主印刷電路板上，這加大了敏感內(nèi)部電路被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。微電子集成電路可在晶體管這一層面上受到影響，其原因在于晶體管的輸入線路容易受到靜電放電的影響。因此，盡管成本較高，建筑物內(nèi)部及校園設(shè)施內(nèi)部也幾乎僅使用光纖電纜。由于直連銅纜易受電磁干擾影響，因此當(dāng)鏈路距離較短時(shí)，許多數(shù)據(jù)中心甚至已經(jīng)以有源光纜代替直連銅纜，作為數(shù)據(jù)中心設(shè)備噪聲源最小化的另一項(xiàng)嘗試。

 

由此可見，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線路的浪涌保護(hù)對(duì)于數(shù)據(jù)中心的成功至關(guān)重要。盡管如此，以太網(wǎng)電涌保護(hù)器因本身具有一定的電容而會(huì)造成失真，該失真可對(duì)數(shù)據(jù)造成干擾并導(dǎo)致代價(jià)高昂的延遲。這使得人們必須在低電容器件的采用和提高電路對(duì)高能浪涌的處理能力之間做出權(quán)衡——3.3V的微電子集成電路供電線路要求信號(hào)線路的電容小于5皮法，而且需要具有1.2焦耳的能量處理能力。此外，印刷電路板布局的限制也可造成性能退化。即使微小的不連續(xù)性也可能導(dǎo)致信號(hào)衰減，相位失真及共模抑制性能的下降。為了對(duì)電纜和所連設(shè)備進(jìn)行充分保護(hù)，可在線路兩端分別連接保護(hù)器。但是，這無疑會(huì)增加信號(hào)傳輸?shù)牟迦霌p耗，并增大在線路中引入接地環(huán)路的可能性。多級(jí)浪涌保護(hù)器可以較小信號(hào)損失的代價(jià)，大幅提高保護(hù)水平（見圖2）。  

 

圖2

 

 

以太網(wǎng)供電（PoE）為一種利用雙絞線以太網(wǎng)布線同時(shí)傳輸電力和數(shù)據(jù)的技術(shù)，目前常用于智能安防攝像系統(tǒng)。對(duì)于PoE而言，電源浪涌可能導(dǎo)致失效，從而造成安全和安防風(fēng)險(xiǎn)，因此電源浪涌保護(hù)尤為重要。與閉路電視領(lǐng)域中使用的基于同軸電纜的攝像頭相比，智能攝像頭可大幅提高分辨率。此外，由于此類攝像頭模塊化程度更高，其可用作獨(dú)立設(shè)備。模擬攝像頭必須與數(shù)字視頻記錄儀相連接。此類攝像頭可用于上至工業(yè)過程監(jiān)控，下至車載圖像處理的各種用途。

 

基于PoE的系統(tǒng)利用同一條線路同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力傳輸和數(shù)據(jù)通信，該線路具有八條通路，其中的四條通常用于設(shè)備供電，而另外四條用于傳輸數(shù)據(jù)。IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.3中規(guī)定，電力可通過以下三種方式傳輸至受電設(shè)備：端點(diǎn)PSE（供電設(shè)備）；中跨PSE；延伸PSE。端點(diǎn)PSE直接將電源處的電力和數(shù)據(jù)經(jīng)基于以太網(wǎng)的交換機(jī)或集線器發(fā)送給受電設(shè)備，而中跨PSE（或稱PoE注入器）利用非PoE類交換機(jī)提供電力和數(shù)據(jù)。延伸PSE非常簡(jiǎn)單，其僅為范圍延伸后的端點(diǎn)PSE。

 

PoE互連器件和受電設(shè)備均必須能夠承受超出美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)（UL標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定的靜電放電及電力瞬變情形。例如“門禁控制系統(tǒng)單元”的UL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，器件（即電源、門控制器及讀卡器）必須能夠抑制輸出電路上的2400V/12A大小的浪涌——對(duì)于低電容浪涌保護(hù)而言，這一要求較難實(shí)現(xiàn)。因此，需要同時(shí)在PoE交換機(jī)（或稱PoE注入器）及下游連接的攝像頭、讀卡器或門鎖偵測(cè)器等受電設(shè)備設(shè)置瞬態(tài)電壓保護(hù)（見圖1）。

 

上述目的通?？赏ㄟ^由可發(fā)生雪崩擊穿（一種允許極高電流在材料內(nèi)流過的現(xiàn)象）的瞬態(tài)電壓抑制二極管組成的電路實(shí)現(xiàn)。晶閘管浪涌保護(hù)器件為另一類雪崩觸發(fā)二極管，此類二極管為導(dǎo)通狀態(tài)電阻較低的撬棒器件，可在保持一定電容的同時(shí)，承載較大的電流，因此通常具有更佳的功率處理能力。晶閘管浪涌保護(hù)器件在浪涌處理后需要進(jìn)行電源復(fù)位，因此一般不用于高電壓低速信號(hào)線路，而瞬態(tài)電壓抑制二極管可作為高功率直流系統(tǒng)的最佳選擇。

 

 

即使在使用浪涌保護(hù)器件的條件下，受電設(shè)備的額定電壓也必須遠(yuǎn)高于瞬態(tài)電壓抑制二極管或晶閘管浪涌保護(hù)器件的鉗位電壓。可承受數(shù)千伏電壓的瞬態(tài)電壓抑制二極管例如可在幾近100伏的條件下才發(fā)生雪崩擊穿。足夠高的額定電壓可保證受電設(shè)備不因頻繁發(fā)生的小的瞬態(tài)電壓高峰而損壞。

 

受電設(shè)備的供電設(shè)備通常配備絕緣的直流-直流轉(zhuǎn)換器，以最大限度地降低暴露帶電導(dǎo)體造成用戶傷害以及發(fā)生接地環(huán)路的風(fēng)險(xiǎn)。此外，為了避免發(fā)生接地環(huán)路，浪涌保護(hù)器本身也可能需要將其與安全地線具有不同電勢(shì)的電纜屏蔽層絕緣。還需要注意的重要一點(diǎn)是，PoE浪涌保護(hù)器件可分為模式A（電源引腳：1/2及3/6）兼容器件和模式B（電源引腳：4/5及7/8）兼容器件。一般而言，大多數(shù)支持PoE的交換機(jī)為模式A設(shè)備，而注入器為模式B設(shè)備。某些浪涌保護(hù)器可同時(shí)為模式A和模式B兼容器件。

 

 

在各種應(yīng)用中，浪涌保護(hù)器件用作緩解直接和間接雷擊不良影響的一種不可或缺的工具。雖然防止生命受到傷害仍然是避雷防護(hù)領(lǐng)域的主要發(fā)展方向，但如今由于固態(tài)器件越來越趨敏感，雷擊的高能浪涌也可對(duì)此類器件造成嚴(yán)重?fù)p害。這些固態(tài)器件不僅需要額外的感應(yīng)電壓和電流瞬變保護(hù)，而且還需要采用低電容的浪涌保護(hù)器件，以保持較高的數(shù)據(jù)速率。因此，對(duì)于建筑物而言，除了大部分雷擊浪涌的引流之外，針對(duì)殘留雷電的內(nèi)部設(shè)備保護(hù)也變得越來越為重要。能夠承受較小浪涌的傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)大部分被電路速度更快且公差更加嚴(yán)格的技術(shù)所取代。