電子設備接地與保護三步曲
話說自富蘭克林在雷雨中放一隻線串上鑰匙的風箏成功引發閃電貼近地面放電以來(姑且相信這段故事)。
人類對發電、用電等技術己很熟習、近來因半導體製程趨於低電壓低功耗從bipolar 製程到CMOS製程對各式電磁雜訊及雷擊二次感應侵襲非常敏感、筆者利用幾頁篇幅將過往處理防雷雜訊的經驗與讀者分享。
第一步曲,先從源頭談起、電力系統主要由發電、輸電、配電及負載等四個子系統組成。初期之輸、配電系統以裸導線架空線路為主，因此線路易遭受雷擊之侵襲，直接或間接引起設備過電壓之絕緣破壞，進而影響供電品質。有鑑於此，電力公司於高雷擊區域採用架空地線、避雷器等相關保護設施進行加強保護，藉以防制雷害並提高供電可靠度及穩定度。
在輸電,用電過程中因其保護目的不同分別列舉如下:
(1)架空地線接地：以雷擊防護為目的。
(2)中性線接地：系統對地短路故障偵測防護為目的。
(3)設備接地：其目的為設備保護及人員感電防護。
首先聊一下雷擊防護、 台灣屬於多雷區,尤其近郊山區、架空地線主要可防止相導體遭直接雷擊，為完全有效導引雷擊電流，每支電桿均需接地，接地電阻視系統之「臨界閃絡電壓」CFO(Critical Flashover Voltage, 50%機率閃絡電壓)而定，以 CFO 350kV 而言，接地電阻需小於40Ω；若系統 CFO 低於 200kV 則接地電阻需小於 10Ω。
依據IEC 62305-2 因雷擊造成的破壞分類為三項:
D1由於電擊對生命的造成傷害及死亡;
D2由於雷擊造成火災，爆炸，機械和化學反應;
D3由於雷擊導致電氣和電子系統故障的激增。
另外依據IEC 62305-2造成人命及財產損失分類如下:
L1 造成人員的傷亡 (Loss of
human life injury to or death of persons);
L2 造成公共服務停擺( Loss of
service to the public);
L3 造成文化遺産的破損( Loss of
cultural heritage);
L4造成經濟損失 (Loss of
economic value).
一般避雷針的副作用在其半徑50米產生二次感應雷擊效應，雷電電流經過避雷針導地時感應到建物內的電源線上。
依照直接落雷點來分區為四區:
S1對結構的直接雷擊(Direct
lightning strike to a structure);
S2結構附近的雷擊(Lightning
strike near a structure);
S3直接雷擊到電力輸入端(Direct
lightning strike to an incoming line);
S4接近線路的雷擊(Lightning
strike near an incoming line);
透過上述分類有助於風險評估。
圖示1 : 直接落雷點雷點分區
第二步曲,來談談從己知雷擊特性如何做好防護，電源系統的防護弱電設備由於其運行電壓低(幾伏或十幾伏)，電流小(毫安級),頻率高.其防禦電源線路的過電壓能力，大大低於電力設備 和電力線路.一般都是根據截斷感應源, 重點保護的策略,使瞬間過電壓, 電流被抑制到計算機、通信、儀表設備能夠承受大安全狀態。防雷器分級保護原理：IEC(國際電工委員會)定義了防雷的保護分區，根據保護分區的要求，需要在每個分區的交界處安裝相應的防雷器，即第一級為B級防雷器，第二級為C級 防雷器，第三級為D級防雷器。
其工作原理為利用分級的防雷器層層泄放雷電感應的能量，逐漸減低浪湧電壓，從而保護用戶終端設備。因應雷擊其保護方式是加裝Surge protection device來保護電子設備及人員安全。
Type 1(B級)防雷在變壓器低壓電源輸出端(即機房市電輸入總配電箱處)配置安裝三套電源SPD，最大通流容量50KA(10/350μs)，保護水平小於4KV。若開關型SPD和限壓型SPD做級聯配合且間距太小時，應考慮串聯退耦裝置。
Type 2(C級)防雷在機房三相交流電源輸入端安裝電源SPD，標稱放電電流為40KA，最大放電電流為80KA，電壓保護水平為小於2.5KV。
Type 3(D級)防雷在機房重要設備(如：程控交換機、服務器、收發接受器等)電源輸入端安裝0單相電源SPD，標稱放電電流為20KA，最大放電電流為40KA，電壓保護水平小於1.8KV。
圖示2 :
根據保護分區Surge Protection Device
圖示3 :
沒有防雷器的分區SPD 施工圖
圖示4 : 有防雷器的分區SPD 施工圖
最後來談談一般數位信號線路的雷電防護。按lightning protection system (LEMP)IEC62305-3通過靜電感應，高電位反擊，直擊等方式竄入外接信號線，再進入設備，造成接口和設備損壞的情況非常嚴重。這是因為信息線路又多又長，易於感應，一般都采用屏蔽，接地，安裝防護設施。
圖示5 : 依據LEMP 分類防雷分區
取自http://www.dehnargentina.com.ar/descargas/pdf/BBP_E_Chapter_07.pdf
LPZ 0A:易造受直接雷擊，因而可能必須傳導全部的雷電流。LEMP*無衰減（例如大樓外部，而且不在避雷針保護範圍內的部分）。
LPZ 0B:不易造受直接雷擊，但
LEMP* 無衰減（例如大樓外部，但在避雷針保護範圍以內的部分）。
LPZ 1:不易造受直接雷擊，但 LEMP* 比LPZ 0B區 有衰減（例如鋼筋水泥框架結構大樓內部）。
LPZ 2:後續防雷區2，較LPZ 1區進一步減小傳導電流或電磁場 （例如大樓內部的遮罩機房）。
LPZ 3:後續防雷區3，隨著要求可以進一步設立防雷分區
（例如遮罩機房內的遮罩接地的主機櫃）。
圖示6 : 高科技廠房採用網狀地籠保護
圖示7 : 通訊缐Shielding接地施工圖
圖示8 : 設備單點接地與Mesh接地施工圖
電纜屏蔽用於降低其效果對有源線路的干擾和乾擾從活動線發射到鄰近系統。從雷電的角度來看，浪湧保護，必須注意以下屏蔽線應用：
屏蔽層接地通常採用兩種方式來處理：屏蔽層單端接地和屏蔽層雙端接地。
(1)屏蔽層單端接地是在屏蔽電纜的一端將金屬屏蔽層直接接地，另一端不接地或通過保護接地。
在屏蔽層單端接地情況下，非接地端的金屬屏蔽層對地之間有感應電壓存在，感應電壓與電纜的長度成正比，但屏蔽層無電勢環流通過。單端接地就是利用抑制電勢電位差達到消除電磁干擾的目的。
圖示9 : 屏蔽層單端接地圖
這種接地方式適合長度較短的線路，電纜長度所對應的感應電壓不能超過安全電壓。靜電感應電壓的存在將影響電路信號的穩定，有時可能會形成天線效應。
(2) 雙端接地是將屏蔽電纜的金屬屏蔽層的兩端均連接接地。
在屏蔽層雙端接地情況下，金屬屏蔽層不會產生感應電壓，但金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產生屏蔽環流通過，如果地點A和地點B的電勢不相等，將形成很大的電勢環流，環流會對信號產生抵消衰減效果。
圖示10 : 屏蔽層兩端均連接地圖
(3)屏蔽電纜的屏蔽層為什麼不能重複接地？其有幾項條件需取捨。
A:兩端的接地點難保沒有電位差，有電位差就會有微弱電流，使屏蔽層實際上變成了接地線。
B:兩端接地的屏蔽線工作於高頻干擾較為嚴重地工作現場，會因屏蔽層和內部信號線間形成的線電容耦合到信號迴路，嚴重的將影響信號誤判。
C:各種感應器連接至PLC I/O端子,信號線屏蔽層必須單端接地於PLC PE 端,降低電磁干擾衝擊到控制器。
D:在電感性負載干擾磁場區域, 兩端屏蔽線需接地,避免電磁場影响信號。
E:低於1M bps通訊基本上使用绞線即可,除非其線段曝露於LPZ0,需利用PVC包傅以避免間接雷擊。
F: 信號線超過200M時,應考慮中心抽頭並屏蔽線接地,所謂多點接地來降低因其容抗值。
一般電子產品其抗磁場干擾可透過坊間EMC實驗室依據法規來通過測項,因其針對產品待測物來測試,故其結果儘供參考。
就系統面來說,因其設備多樣性及各種信號線交錯,其解決雷擊,干擾及接地等遠比單一電子產品複雜太多,故需分級分區來評估其風險。上述內容是筆者整理多年的實務經驗,也只能解決部份的解決方案。
Electrostatic Discharge Immunity Test
(ESD, IEC 61000-4-2)
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Air Discharge
Level 3: ±8KV
Level 4: ±15KV
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Contact Discharge
Level 2: ±4KV
Level 3: ±6KV
Level 4: ±8KV2G
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Electrical Fast Transient Burst Immunity Test
(EFT, IEC 61000-4-4)
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AC Power
Level 2: ±1KV
Level 3: ±2KV
Level 4: ±4KVDC
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DC Power
Level 2: ±1KV
Level 3: ±2KV
Level 4: ±4KV
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I/O line
Level 2: ±0.5KV
Level 3: ±1KV
Level 4: ±2KV
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Surge Immunity
(IEC 61000-4-5)
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AC Power (1.2/50 us)
Level 2: L-E ±1KV; L-L ±0.5KV
Level 3: L-E ±2KV; L-L ±1KV
Level 4: L-E ±4KV; L-L ±2KVl
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DC Power (1.2/50 us)
Level 1: ±0.5KV
Level 2: ±1KV
Level 3: ±2KV
Level 4: ±4KV
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I/O line
Level 2: ±1KV
Level 3: ±2KV
Level 4: ±4KV
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圖示11 : 工業設備耐受性測試項目
