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防雷相关知识

（一） ——雷电知识及危害 1.雷电知识 雷电是宇宙空间大气层中非常壮观的自然景观，但它又给人们带来灾害。世界各国科学技术界、工程技术人员极大的关注，他们从不间断地对雷电灾害的防护加以研 究，至今对大气层中雷电尚未完全被认知。雷电产生的浪涌，瞬变过电压，过电流对电子设备是最大的威胁之一，也是当前电磁兼容研究的重要课题。 自富兰克林发明避雷针，防雷减灾已有近200年的历史，至今避雷针仍在使用，通过观察和实验，避雷针在某种意义上也是引雷针，对建筑物的防护是有效的，已 被广泛接受，我国政府颁发强制执行技术标准GB50057-94〈建筑物防雷设计规范〉，对建筑物防直击雷统一进行规范，防止直接雷击，减少雷电灾害。 社会发展、科技进步，当今已进入以“信息”为主的时代，微电子技术大规模集成电路芯片在计算机信息系统上大量应用。芯片的工作电压大都在1.8V至5V之 间，耐过电压，过电流能力极低，属于敏感的设备，这些设备装在建筑物内，建筑物由避雷针保护，在避雷针保护范围内的设备理应不能遭受雷击，但计算机信息系 统设备常受到浪涌、瞬变过电压、过电流的伤害，造成系统不能正常运行，使企业遭受损失。这是因为该系统尚有两条通路常被人们忽视，没有做雷电防护，即系统 使用电源是外接***供电线路，系统数据传输是通过信号线与外界连接，这两条雷电过电压侵入通路，没有做防护，这两条通路主要是受静电感应雷和电磁感应 雷的影响，其过电压、过电流的危害最大，其次是受电力线路操作过电压，事故障碍过电压，及信号线在外界与其他高压线路之间的偶合造成的外因所致，上述概率 很大。据IBM公司Segal&Allen研究，瞬变要占整个电力干扰的88.5%，雷电造成的浪涌能量最大，灾害最重，瞬变大量存在，仍不可忽 视。所以，电源线路和信号线路雷电浪涌和瞬变的防护应引起各界的高度重视，一旦给计算机信息系统造成灾害，将给企业带来不应有的经济损失，特别是金融行业 的计算机信息系统，还将给社会带来很大负面影响。 2.雷电的危害 以超大规模集成电路为物理基础的电子信息系统正日益成为社会的中枢神经和经济发展新的动力，但是有一只看不见的手却在时时扰乱和破坏我们重要的系统和网 络，这就是以雷电为代表的各种瞬态冲击（电涌）。由于构成各种设备的电子器件耐冲击能力很低，而现有系统普遍未对电涌加以防护，造成雷电破坏的灾难性事故 层出层出不穷、触目惊心！ 以某市一次雷雨日为例，感应雷通过电话***110报警中心严重损坏，直接间接损失巨大；同一天，感应雷通过电源***通信 和自动化设备，造成至少100万元的直接损失，并造成通信中断、电力调度系统失灵，间接损失巨大。…….发生在眼前的一个个重大事故提醒我们，雷电和线路 浪涌时刻都在威胁着电子信息系统的安全，对其威胁决不能掉以轻心，如果对社会具有特别重要意义的金融系统机房出现问题，那么后果是难以想象的！ 我国雷电防护的现状和美国90%以上重要的电子系统都对雷电电涌加以专业防护的情况形成鲜明的对比。 雷击闪电以及防雷、浪涌保护的相关知识 关于雷电 和 浪涌电压 闪电的常识 -- 闪电的的平均电流是 ... 闪电的平均电流： 30,000A （目前记录的最大值：300,000A） 闪电中心的空气温度： 摄氏3000度 90%以上的闪电是云层对云层放电过程 云层对地面的闪电次数：每秒种100次 （全球范围） 闪电的强度可达 ***00 伏 一个中等强度雷暴的功率有 *** 瓦（相当于一个小型核电站的输出功率） 每年因雷击造成的直接损失超过***00 美元（全球不含中国的统计） 雷电是浪涌电压的一种 -- 浪涌电压分为 ... 首先让我们看看什么是浪涌。浪涌也叫突波，顾名思义超出正常工作电压的瞬间过电压。日本一些资料将浪涌分为四个组成部分 *注：EMI-Electro Magnetic Interference 电磁干扰RFI-RADIO Frequency Interference 无线电干扰 我们常常说的防雷器的英文是 SPD - SURGE PROTECTION DEVICE 即 [ 浪涌保护器 ]，因此防雷事实上是浪涌保护器的一种功能，由于雷击的浪涌电压和能量要远远高于其他种类浪涌电压，所以我们通常称 SPD为防雷器了。如果大家有兴趣，可以参照防雷幻灯片的浪涌电压部分（法国版本的浪涌电压分类，基本上是一样的，多了一个核磁脉冲辐射） 线路上的浪涌电压很多吗，是多大？ -- 根据美国GE公司统计，浪涌电压 ... 线路上浪涌电压的数量和大小影响 电脑和家用电器的电源来自供电电网。电网绵延千里，不论是雷击还是线路浪涌发生的几率都很高。当距你几十上百公里的远方发生了雷击时，雷击浪涌通过供电电 网网光速传输，经过变电站等衰减，到你的电脑时可能仍然有几百上千伏，这个高压很短只有几十到几百个微妙，或者不足以烧毁电脑，但是对于电脑内部的半导体 元件却有很大的损害，正象旧音响的杂音比新的要大是因为内部元件受到损害一样，随着这些损害的加深电脑也逐渐变的越来越不稳定，或有可能造成您重要数据的 丢失。通过变压器以后到用户的电源线仍然有可能遭受雷击和其它浪涌 左是美国GE公司测定一般家庭、饭店、公寓等低压配电线（美国是110V，中国是220V）在10000小时（约一年零两个月）内在线间发生的各种电压值 浪涌的次数，我们可以看到超出原工作电压一倍以上的浪涌电压次数达到800余次，其中超过1000V的就有300余次。这样的浪涌电压完全有可能在其中一 次损坏电脑或家用电器。 通讯线路和电源线路类似，也是从远距离传输过来，遭受雷击或者其它干扰（如电车运行，电焊机，冲击钻等电动工具工作等）的可能性很高，在通讯线路中会有许 多高高低低的浪涌电压对设备的影响则更大，例如电话线本身工作在48V电压下，加上电话铃的电压最多到150V左右，因此浪涌电压的电压更低时就可能对通 信线路造成影响。 为了避免浪涌电压的影响和增加带宽，现在大多数的远程传输多采用光纤，也就是说通信线路上的浪涌电压仅仅会在光纤出口到用户端的这一段产生。 有线电视的情况类似于通信线路。 浪涌保护 与 防雷保护 浪涌保护及防雷保护的关系和区别 -- 浪涌和雷击保护 IEC 的防雷分区 和 分级保护 -- 总之，我们把所有的雷击和浪涌保护分... IEC 的防雷分区 和 防雷分级 1 IEC 的防雷分区： LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZ2.... 2 IEC 的防雷分区通俗说明： LPZ0A - 天空、没有避雷针保护的大楼外部、上面没有顶棚等覆盖物的地面... 等等雷电可能会直接击中的的空间。如大楼顶部避雷针保护范围之外的空间。 LPZ0B - 没有避雷针保护的非屏蔽大楼内部、有避雷针保护的大楼天台受保护部分、避雷线下的电缆等等雷电不易直接击中的LEMP没有衰减空间。如大楼顶部避雷针保护 范围之内的空间和没有屏蔽的大楼内部或有屏蔽大楼内部的窗口附近。 LPZ1 - 雷电不易直接击中，但LEMP因屏蔽而衰减的空间。如上述屏蔽大楼内部（不包含窗口附近）。 LPZ2 - 在LPZ1区内，再次屏蔽的空间。如上述屏蔽大楼的另外设立的屏蔽网络中心。 LPZ3 - 在LPZ2区内，再次屏蔽的空间。如上述屏蔽网络中心内的机器金属外壳内部，或接地的机柜内部。 LPZ4 ... 3 假如我们把所有雷击与浪涌的电源保护的措施分为“五级” 第一级：避雷针、避雷线、避雷网等直击雷的金属引下接地等装置 - 属于外部防雷 第二级：IEC CLASS-I 进线端总电源防雷或LPZ0区进入LPZ1区界面的等电位连接 - 属于内部防雷 第三级：IEC CLASS-II 分配端的电源防雷或LPZ1区进入LPZ2区界面的等电位连接 - 属于内部防雷 第四级：IEC CLASS-III 设备端的电源防雷或LPZ2区进入LPZ3区界面的等电位连接 - 属于内部防雷 第五级：合格的通过正常设计和安装的电子设备内部应该具备的基本浪涌吸收能力 - 基本浪涌吸收能力 参见 [IEC LPZ防雷区] [IEC分级防雷] [为什么要进行三级保护] IEC LPZ防雷分区 LPZ 0A - 易造受直接雷击，因而可能必须传导全部的雷某某。LEMP*无衰减（例如大楼外部，而且不在避雷针保护范围内的部分）。 LPZ 0B - 不易造受直接雷击，但 LEMP* 无衰减（例如大楼外部，但在避雷针保护范围以内的部分）。 LPZ 1 - 不易造受直接雷击，但 LEMP* 比LPZ 0B区 有衰减（例如钢筋水泥框架结构大楼内部）。 LPZ 2 - 后续防雷区2，较LPZ 1区进一步减小传导电流或电磁场 （例如大楼内部的屏蔽机房）。 LPZ 3... - 后续防雷区3... ，随着要求可以进一步设立防雷分区 （例如屏蔽机房内的屏蔽接地的主机柜）。 *LEMP - 雷电电磁脉冲辐射-闪电电流和闪电电磁场 参见[为什么要进行三级保护] IEC分级防雷 级间线路距离不能太短，避免前后级防雷器线路距离太近导致的前级防雷器不动作问题 末级和设备间线路距离不能太长，避免前末级和设备间的线路感应新的雷击电压，导致的设备端限制电压超过安全值 参见[为什么要进行三级防护] 为什么要进行三级防护 第一级防雷的目的： 防止直接的传导雷某某 LPZ 1区，将上万至数十万付的浪涌电压限制到2500-3000伏 第二级防雷的目的： 进一步将通过第一级防雷器的残余浪涌电压或限制到1500-2000伏，对LPZ1 - LPZ 2 实施等电位连接。 第三级防雷的目的： 最终保护设备的手段，将残余浪涌电压的值降低到1000伏以内，使浪涌的能量不致损坏设备。 参见 [防雷分级保护和级间保护距离] [IEC防雷分区] 三级防雷是因为 能量需要逐级泄放 传输线路会感应LEMP（雷击电磁脉冲辐射） 由于雷击的能量是非常巨大的，需要通过分级泄放的方法，将雷击能量逐步泄放到大地。 第一级防雷器可以对于直接雷击电流进行泄放，或者当电源传输线路遭受直接雷击时传导的 巨大能量进行泄放对于有可能发生直接雷击可能的地方，必须要进行CLASS-I 的防雷。 第二级防雷器是针对前级防雷器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备，对于前级发 生较大雷击能量吸收时，会有一部分对设备或第三级防雷器而言仍然是相当巨大的能量会传 导过来，需要第二级防雷器进一步吸收。同时，经过了第一级防雷器的传输线路也会感应雷 击电磁脉冲辐射LEMP，当线路足够长时（超过15米）感应雷的能量就变的足够大，需要第二 级防雷器进一步对雷击能量实施泄放。 同样，经过了第二级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射LEMP，当线路足够长 时感应雷的能量就变的足够大，第三级防雷器是对LEMP和通过第二级防雷器的残余雷击能量 进行保护。 因此，第三级防雷器到设备端的线路传输距离也不应超过10米，以避免LEMP对设备造成的 损害。 电源系统的保护 -- 电源保护 信号系统的保护（包括有线通信、无线通信、网络通信、遥感遥测等） -- 信号保护 根据雷击引入设备的渠道对可能遭受雷击的设备实施防雷保护 -- 从防雷方案看SPD 绝大多数单位的内部防雷，根据雷击可能引入的途径和感应途径不外乎从以下几个方面进行保护 1 电源三级防雷 (IEC相关规定、三级防雷的要求及原因、分级防雷的级间距离、8/20和10/350波 ...) 2 网络系统防雷 (网络防雷注意事项、各种形式的网络、网络专线的防雷 ...) 3 通讯系统防雷 (电话线路防雷、专线系统的防雷、无线通信 ...) 4 信号系统防雷 (无线通信、监控监视信号、遥感遥测遥控 ...) 5 地电位均衡(地极防雷) (地电压反击、地电位均衡 ...) 参见 [内部防雷和外部防雷] [雷击引入的渠道] (四)——防雷产品的技术原理及发展 在国民经济的许多重要领域（邮电、广电、金融、电力、公路等）防雷已经是热门话题，这是因为IT技术的普及导致了保护IT设备的防雷产品需求的高速增 长。有需求***在，因此防雷产品市场兴旺发达，各种新品层出不穷，防雷技术也有了很大的发展。但从事IT行业的技术人员对强电不 是很熟悉，加上过去防雷是很冷僻的学科，系统介绍防雷技术及防雷产品的资料很少，这就给用户经济合理地选择防雷产品带来了困惑。 一、防雷产品的变迁 当人们知道雷是一种电现象后，对雷电的崇拜和恐惧就逐渐消失，并开始以科学的眼光来从新观察这一神奇的自然现象，希望能利用或控制雷电活动以造福人类。 200多年前富兰克林率先在技术上向雷电发起了挑战，他发明的避雷针可能要算是最早的防雷产品，今天这一品名几乎已被所有的人知道。其实，富兰克林在发明 避雷针时是以为金属避雷针的尖端放电作用可以综合雷某某中的电荷，使雷某某和大地间的电场降低到无法击穿空气的水平，从而避免了雷击的发生，所以当时的避雷针 一定要求是尖的。但后来的研究表明：避雷针是无法避免雷击的发生的，它之所以能防止雷击是因为高高耸立的避雷针改变了大气电场，使得一定范围的雷某某总是向 避雷针放电，也就是说避雷针只是比它周围的其它物体更容易接闪雷电，避雷针被雷某某而其它物体受到保护，这就是避雷针的防雷原理。进一步的研究表明避雷针 的接闪作用几乎只与其高度有关，而与其外形无关，就是说避雷针不一定是尖的。现在防雷技术领域统称这一类防雷装置为接闪器。 电的普遍使用促进了防雷产品的发展，当高压输电网为千家万户提供动力和照明时，雷电也大量危害高压输变电设备。高压线架设高、距离长、穿越地形复杂，容易 被雷某某。避雷针的保护范围不足以保护上千公里的输电线，因此避雷线作为保护高压线的新型接闪器就应运而生。在高压线获得保护后，与高压线连接的发、配电 设备仍然被过电压损坏，人们发现这是由于 “感应雷”在作怪。（感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的，感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体，一是静电感应：当雷某某中的电荷积聚 时，附近的导体也会感应上相反的电荷，当雷击放电时，雷某某中的电荷迅速释放，而导体中原来被雷某某电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道，就会在电路 中形成电脉冲。二是电磁感应：在雷某某放电时，迅速变化的雷某某在其周围产生强大的瞬变电磁场，在其附近的导体中产生很高的感生电动势。研究表明：静电感应 方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。）雷电在高压线上感应起电涌，并沿导线传播到与之相连的发、配电设备，当这些设备的耐压较低时就会被感应雷某某 坏，为抑制导线中的电涌，人们发明了线路避雷器。 早期的线路避雷器是开放的空气间隙。空气的击穿电压很高，约500kV/m，而当其被高电压击穿后就只有几十伏的低压了。利用空气的这一特性人们设计出了 早期的线路避雷器，将一根导线的一端连在输电线上，另一根导线的一端接地，两根导线的另一端相隔一定距离构成空气间隙的两个电极，间隙距离确定了避雷器的 击穿电压，击穿电压应略高于输电线的工作电压，这样当电路正常工作时，空气间隙相当于开路，不会影响线路的正常工作。当过电压侵入时，空气间隙被击穿，过 电压被箝位到很低的水平，过电流也通过空气间隙泄放入地，实现了避雷器对线路的保护。开放间隙有太多的缺点，如击穿电压受环境影响大；空气放电会氧化电 极；空气电弧形成后，需经过多个交流周期才能熄弧，这就可能造成避雷器故障或线路故障。以后研制出的气体放电管、管式避雷器、磁吹避雷器在很大程度上克服 了这些毛病，但他们仍然是建立在气体放电的原理上。气体放电型避雷器的固有缺点：冲击击穿电压高；放电时延较长（微秒级）；残压波形陡峭（dV/dt较 大）。这些缺点决定了气体放电型避雷器对敏感电气设备的保护能力不强。 半导体技术的发展为我们提供了防雷新材料，比如稳压管，其伏 —安特性是符合线路防雷要求的，只是其通过雷某某的能力弱，使得普通的稳压管不能直接用作避雷器。早期的半导体避雷器是以碳化硅材料做成的阀式避雷器，它 具有与稳压管相似的伏 —安特性，但通过雷某某的能力很强。不过很快人们又发现了金属氧化物半导体变阻器（MOV），其伏 —安特性更好，并具有响应时间快、通流容量大等许多优点。因此，目前普遍采用MOV线路避雷器。 随着通信的发展，又产生了许多用于通信线路的避雷器，由于受通信线路传输参数的约束，这一类避雷器要考虑电容和电感等影响传输参数的指标。但其防雷原理与 MOV基本一致。 二、现代防雷产品介绍 现代防雷产品种类繁多，大致可分为四大类： 1.接闪器 避雷针是最早的接闪器，也是目前世界上公认的最成熟的防直击雷装置。避雷带、避雷网、避雷线是避雷针的变形，其接闪原理是一致的。对避雷针的接闪原理的 认识是有一个发展过程的，现在的滚球法理论比较全面地解释了接闪器吸引雷电的各种现象，被国内外标准所采纳。滚球法理论认为： a.接闪器的保护范围如图所示：半径为R 的球与接闪器和地面相切绕接闪器滚动一周所形成的阴影区域即为接闪器的保护范围。R 根据不同的防雷类别分别选为30米、45米、60米。 b.在保护范围内并不是没有雷击，只是雷击能量较小，滚球半径R 越小，进入保护范围的雷击能量也越小，也就是说接闪器的防雷效果越好。 c.接闪器并非越高越好，超过60米的接闪器在技术上是没有多大意义的。 理论上任何良好接地的金属物体都可以作为接闪器，因此随着经济的发展，人们对接闪器的外形提出了要求，希望能与漂亮的现代建筑协调，出现了一些形状各 异，五彩缤纷的接闪器，但其防雷原理并没有改变。 由于传统接闪器并没有消除雷击，而只是将雷某某引向自身，这样会带来地电位升高、侧击、雷某某电磁干扰等问题，虽然能采用其它技术手段解决，但人们总希望 有一劳永逸的解决方法。近年来出现了一些新产品，声称在进一步控制雷电方面取得了成果。 a.消雷器 消雷器是国内近年来有非常大影响的防雷产品。它是希望改变接闪器的材料和形状来产生电流综合雷某某中的电荷，让雷某某在消雷器的保护范围内无法建立起接闪所 需的场强，以达到消雷的目的。由于消雷器所声称的效果完全满足了人们所希望的防雷效果，因此一段时间内消雷器风靡国内市场。后来国内许多专家 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 线截面关系不大，因此，应使导线尽可能地短。多条导线的并联连接可显著地降低电位补偿系统的电感量。为了将这两条付诸 实践，理论上可以把应与电位补偿装置连在一起的所有电路和设备连在同一块金属板上。基于金属板的构想在补装电位补偿系统时可采用线状、星状或网状结构。设 计新的设备时原则上应只采用网状电位补偿装置。 将有源线路引入电位补偿装置 瞬变电压或瞬变电流意味着其存在时间仅为微秒或毫微秒。 过压保护的基本原理是，在瞬态过电压存在的极短时间内，***有导电部件之间建立起一个等电位。这种导电部件也包括电路中的有源导线。人们需 要响应速度快于微秒的元件，对于静电放电甚至快于毫微秒。这种元件能够在极短的时间间隔内，将非常强大直到高达数倍于十千安的电流导出。在预期的雷击情况 下按10/350us脉冲计算，电流高达50千安。通过完备的电位补偿装置，可以在极短的时间内形成一个等电位岛，这个等电位岛对于远处的电位差甚至可高 达数十万伏。重要的是，在需要保护的区域内，所有导电部件都可认为具有接近相等或绝对相等的电位，因而不存在显著的电位差。

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