电涌的产生及危害分析

中国产业研究报告网讯： 

    内容提要：雷电感应引起的电磁能量若不及时泄入地下，可能产生放电火花，引起火灾、爆炸或造成触电事故。对感应雷一般又称为间接雷击和雷电二次作用。一般建筑物的防雷设备只能防止直击雷对建筑物的损坏，而不能防止直击雷和感应雷对计算机网络系统、闭路电视系统、通信系统、中央控制设备和建筑物内的家用电器等设施的危害。

    电涌是指超出正常工作电压的瞬时过电压。从电学原理上讲，电涌是发生在仅仅几百万分之一秒瞬间内的一种电压或电流脉冲。只要有电的地方，就会有电涌。随着现代社会微电子元器件的广泛应用，电涌对电气、电子设备的危害日益突出。电涌按照其成因可以分为外部电涌和内部电涌： 

    （1）外部电涌——由雷击、交流电网异常、周边大功率设备的启动引起的过电压 

    ①雷电引发的外部电涌 

    雷电的危害除直接损毁击中的建（构）筑物外，还通过感应雷产生的外部电涌对建筑内部的电气设备特别是低压电气设备、微电子设备造成巨大的冲击和损坏。感应雷分为静电感应雷和电磁感应雷。静电感应雷是由于带电积云接近地面，在架空线路导线或其他导电凸出物顶部感应出大量电荷引起的，它将产生很高的电位；电磁感应雷是由于雷电放电时，巨大的冲击雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场引起的，这种迅速变化的磁场能在邻近的导体上感应出很高的电动势。雷电感应引起的电磁能量若不及时泄入地下，可能产生放电火花，引起火灾、爆炸或造成触电事故。对感应雷一般又称为间接雷击和雷电二次作用。一般建筑物的防雷设备只能防止直击雷对建筑物的损坏，而不能防止直击雷和感应雷对计算机网络系统、闭路电视系统、通信系统、中央控制设备和建筑物内的家用电器等设施的危害。 

    雷击引发的外部电涌如下图所示：

    感应雷对电子信息系统的危害，是由于这类设备的电气元件极端灵敏，极易受到感应雷的损坏。因此损坏主要集中在电子元件上，其损坏方式：一是由于雷电流迅速变化，在周围空间产生强大的电磁场，处于这一磁场的导体会感应出强大的电动势。如导体有裂口会产生放电；二是由于雷云的感应作用，放电通道周围的金属导体带有与雷击极性相反的电荷，雷电放出后，放电通道中的电荷速度中和，而导体上感应的电荷会产生很高的静电感应电压，从而损坏元件。在微电子时代，雷电的灾害性日益明显。一是在全球气候变暖背景下，各种极端天气气候事件频繁发生，雷电活动的发生强度和频度也日益增强；二是城乡日益增多的高大建筑物增加了遭受雷击的几率，形成了火灾隐患；三是当今社会现代化、网络化、信息化建设进程的加快，各类电子设备、设施广泛应用，而这些电子系统对雷电产生的电磁辐射比较敏感，再加上各种线路的互连互通，就大 

    大增加了发生雷电灾害的可能性。所以，雷电灾害已被联合国有关部门列为“最严重的十种自然灾害之一”,被国际电工委员会（IEC）称为“电子时代的一大公害”。根据中国气象局雷电防护管理办公室、中国气象科学研究院和中国气象学会雷电防护委员会编著的《2008 年全国雷电灾害汇编》一书统计，2008 年雷灾造成直接经济损失2.24 亿元，间接经济损失6.21 亿元。其中主要危害对象是家庭、办公电子电器设备，占85.93%。根据中国气象局雷电防护管理办公室、中国气象科学研究院和中国气象学会雷电防护委员会编著的《2009 年全国雷电灾害汇编》一书统计，2009 年雷灾造成直接经济损失2.31 亿元，间接经济损失6.41 亿元。其中主要危害对象是家庭、办公电子电器设备，占91.19%。据《2008 年全国雷电灾害汇编》和《2009 年全国雷电灾害汇编》统计，2008年和2009 年主要行业雷电灾害事故比例统计如下表：

    备注：2009 年通信行业比例大幅度攀升的主要原因是2009 年广东省报告了5714 起通 

    信行业的雷击受灾事件，占报告总样本7497 起的69.01%。 

    我国是雷电多发的国家，据国家气象局统计，我国有21 个省、自治区和直辖市每年雷暴日在50 天以上，最多的可高达134 天，意味着这21 个省区每周就有一个雷暴日，雷暴最频繁的省区每3 天就有一个雷暴日。对电力、金融和通信等受害严重的行业来说，遭受雷击是大概率事件。例如，2009 年8 月仅一个月内，江西省南昌县供电公司的供电设施就遭受了9 次雷击。如果没有适当的电涌保护或没有按照规范操作，则会出现大面积受灾的情况。2009 年9 月18 日-20 日，江西省吉安市泰和县的移动通信基站因防雷装置未年检，10 个移动基站遭受雷击，造成直接经济损失170 万元。雷电引起的外部电涌造成了起重大灾害，严重威胁国民经济运行和国家信息安全。下表是部分外部电涌造成的重大灾害情况简介：

    雷电造成的外部电涌具有突发性、灾难性的特点，严重威胁着电力、金融、铁路、通信、石化等多个行业的正常生产经营和人民生命财产安全。这促使多个行业主管部门出台了预防外部电涌的安全规范，并直接推动了电涌保护行业的发展。但是，在我国许多行业主管部门对电涌的认识多局限于外部电涌，而对内部电涌的认识则存在不足，电涌保护的技术规范多以防雷的名义发布实施，这造成了中国电涌防护产业重工业轻民用的局面，同时民众电涌保护意识也较为薄弱。 

    ②其它外部电涌 

    除了雷击以外，交流电网异常和大功率设备启动也会产生外部电涌。虽然其来自配电系统外部，但是其强度和危害方式同配电系统内部设备开关和运行产生的内部电涌接近。 

    （2）内部电涌——电气、电子网络系统内设备开关引起的过电压现实生活中电气设备和电子设备不仅受到外部电涌的威胁，还受到内部电涌的威胁。内部电涌出现频繁，根据戴恩•内里（Dion Neri）在《EC&M 电气施工与管理》一文对电涌的描述，88%的电涌产生于建筑物内部的设备，如：空调、电梯、电焊机、空气压缩机、水泵、开关电源、复印机和其它感性负荷。内部电涌主要包括操作过电压、暂态过电压和电磁脉冲过电压，其中操作过 

    电压最为频繁。操作过电压有两种形成方式：一种是在用户的供电系统中产生的工作电涌，它是由高压变压器的投入或切除、大型电动机及水泵的启停、电焊机和重载可控硅负载的运行、补偿调整电容系统的调节所形成的电涌，其电流可高达100 千安数量级,峰值电压最高达6 千伏；另一种是产生于用电系统内部末端负载间的瞬态电涌，如复印机的运行、激光打印机开启、继电器、开关、电磁阀、变频调速器、空调、冰箱、电视机的运行、开启与关闭、末端负载过流短路故障和静电放电等，其峰值电压可达5 千伏，冲击电流可达几百安培数量级。此外，人为误操作会产生内部电涌，对设备造成一定的损害。据专家介绍，即使是很小的电涌或尖峰电流，也能够最终损坏或影响昂贵的电子设备性能，如电脑、电视、电话、传真、音响等家用电器。毁坏可以在瞬间发生，或在一段时间内发生。而影响严重的，甚至可能烧爆家用电器，导致火灾。公安部消防局《中国火灾统计年鉴》显示：2008 年火灾事故中，电气火灾居首位，占总数的30.1%，且所占比例呈上升趋势，造成的损失十分惨重。引发火灾的直接原因主要包括电涌、电线短路、超负荷和电器设备故障等。同时，内部电涌对电器设备日积月累的损害，加速了电器设备的老化，是造成电器火灾的间接原因。 

    人们对内部电涌的深切认知，主要是来自微电子设备的广泛应用。目前，大量电气设备和电子设备采用智能化设计，内部嵌入了大规模或超大规模集成电路。由于集成电路上的元件间距减小，半导体厚度变薄，工作电压仅几伏，传递信息电流小至微安级，因此对外界的干扰极其敏感，比普通的设备更容易受到内部电涌的危害。鉴于集成电路具有规模化、复杂化及超微化的特点，因而内部电涌对集成电路造成的累积性损害难以察觉和维修，导致设备的关键零部件提前老化甚至内存信息大量丢失，使得设备在安全期内频发如电路短路、电脑主板烧毁或硬盘数据丢失等故障。 

    由于现代经济的密切相关性和人口的密集性，众多电气、电子设备形成了大大小小的开放式电子网络，这些网络中的任何一个节点遭受电涌破坏后，均可能引起整个网络的故障，其造成的间接损失会远远大于直接损失，甚至带来灾难性的后果。