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防雷的知识及应用 (2008/05/19 14:40)

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概述

全球平均每年要发生1600万次闪电。

雷电灾害是联合国确定的十种最严重的自然灾害之一。

每次雷击所产生的能量大约为55万千瓦小时。

雷电产生的温度可高达1万~2万℃，瞬间可烧焦10米高的大树，熔穿3毫米厚的钢板。

雷暴的水平范围为几千米到几万米，伸向高空的高度可达8~15千米，可持续几分钟到几十分钟，通常伴有大雨、大风。

雷电是由天空中云层间的相互高速运动、剧烈磨擦，使高端云层和低端云层带上相反电荷。此时，低端云层在其下面的大地上也感应出大量的异种电荷，形成一个极大的电容，当其场强达到一定强度时，就会产生对地放电，这就是雷电现象。

雷电的表现形式主要有两种：

一种是直击雷，是指带电云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。直击雷威力巨大，雷电压可达几万伏至几百万伏，瞬间电流可达十几万安，在雷电通路上，物体会被高温烧伤甚至融化。通常在建筑物顶部安装避雷针或避雷网等来防直击雷。

另一种是感应雷，是指当直击雷发生以后，带电云层迅速消失，而地面上某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物因电磁感应而产生高电压以致发生闪击的现象。

一、雷电干扰的入侵路径

常见的雷电干扰的入侵途径及原因

1. 当建筑物本身受雷电直击时，和建筑物连接的金属导体包括建筑物钢筋与地极之间产生瞬时电位差，构成摧毁电子设备之冲击过电压。并且经下引线流过的大量电流，亦产生磁场冲击波。如上图中①所示。

2. 当远端的导线因雷电而产生感应电压会由远端经导线传导过来，如图②所示。

3. 当云层间放电时，强大的电磁冲击会在邻近的地上金属导线感应出冲击电压，并且磁场冲击会漫延到地上的建筑物，如图③所示。

4. 另外，内部操作过电压，如变压器的空载，电机的启动，开关的开启等，也能引起强大的脉冲冲击电流通过线缆引入，破坏电子设备。

由感应雷引起的事故约占雷害事故的80%至90%。针对感应雷的破坏途径，我们可采取接地、分流、屏蔽、均压等电位等方法进行有效的防护，以保证人身和设备的安全。

防雷器的作用就是在最短时间内将线路上因感应雷产生的大量的浪涌电流释放到地网，使建筑物内各点之间电位差大致不变，从而保护设备。

二、接地系统

接地是避雷技术最重要的环节，不管是直击雷、感应雷、或其他形式的雷，最终都是把雷电流送入大地。因此，没有合理而良好的接地装置是不能可靠地避雷的。接地电阻越小，散流就越快，被雷击物体高电位保持时间就越短，危险性就越小。对于计算机场地的接地电阻要求≤4欧姆，并且采取共用接地的方法将避雷接地、电器安全接地、交流地、直流地统一为一个接地装置。如有特殊要求设置独立地，则应在两地网间用地极保护器连接，这样，两地网之间平时是独立的，防止干扰，当雷电流来到时两地网间通过地极保护器瞬间连通，形成等电位连接。

三、防雷等电位连接

等电位连接的目的，在于减少需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差。穿过各防雷区交界的金属部件和系统，以及在一个防雷区内部的金属部件和系统，都应在防雷区交界处做等电位连接。应采用等电位连接线和螺栓紧固的线夹在等电位连接带做等电位连接，而且当需要时，应采用避雷器做暂态等电位连接。

四、屏蔽和分区防雷保护

从雷电的入侵途径可知，雷电会产生强大的电磁波，在周围的导体上产生感应雷电流，也会构成对电子设备的直接冲击损坏。据资料统计，2.4高斯的电磁波冲击就能造成电子设备的直接损坏，0.03高斯的电磁波冲击就能造成电子设备的误动。屏蔽是减少电磁波破坏的基本措施，包括外部屏蔽措施、适当的布线措施、线路的屏蔽措施。雷电保护区是以屏蔽层为界面来划分的。

国际电工委员会IEC1312《雷电电磁脉冲的防护》对雷电保护区的划分问题，提出了原则性的建议。

一个欲保护的区域，从EMC（电磁兼容）的观点来看，由外到内可分为几级保护区，最外层是0级，危险性最高；我国大多数情况下的机房，就与0区仅一墙之隔，即只有一层屏蔽，则该机房内空间定为1区；各电子设备的外壳为一层屏蔽层，可视机壳内的空间为2区等。越往内部，危险程度越低，过压主要是沿线穿过的，保护区的界面通过外部防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层面形成。穿过各级雷电保护区的金属构件，一般应在保护区的分界面做等电位连接。

五、雷击保护的基本原则

欲使设备得到很好的保护，首先应对其所处的环境、受雷电影响的程度作出客观的估计，因它与出现过电压的幅值、概率、网络结构、设备抗电压能力、保护水平和接地等有关；防雷工作应作为一项系统工程来考虑，强调全面防护（包括建筑物、传输线路、设备和接地等），综合治理，且要做到科学、可靠、实用和经济。针对感应雷瞬时能量较大的特点，根据IEC国际标准对能量逐级吸收的理论，及防护区间量级分类的原则，需要做多级防护。

防雷知识和应用

雷电是一种很常见的自然现象，伴随着巨大的轰鸣和强烈的闪光，雷击对人类的生活会造成极大的破坏。自十八世纪富兰克林著名的风筝实验以来，人们经过两百多年的研究实践，在雷电的防护方面已卓有成效。但在科学技术高度发展的今天，对防雷保护又提出了新的要求。

采用避雷针、避雷带和避雷网等可防止和减少雷电对建筑物、人身和居室造成的危害。但已有大量事实证明：在安装了这些避雷装置的室内，计算机设备、通讯网络及微电子器件在雷击时，却仍然会遭受不同程度的损害。对此，科学家通过进一步的分析，已经找到了其中的原因所在。

直接击中建筑物的雷电称之为“直击雷”。避雷针等装置可将“直击雷”产生的高电压、强电流迅速引入大地，消除雷击的影响，从而起到保护设施的作用。然而，雷击放电时在空中会产生强大的电磁场，使周围的金属导体因“电磁感应”而带上很高的电压，另一方面雷击入地点在瞬间会产生“地电位反击”，电位迅速抬高，影响其它接地设备的安全。这些由雷电引起的感应现象称为“感应雷”，同样具有强烈的破坏作用。

虽然在避雷针的保护范围内，物体可免遭直接雷击，但“感应雷”可在电力、通信、网络、*及有线电视等线缆上产生高压感应和电流“浪涌”，并通过导线引入配电间、机房、办公室和住宅等，使电源、通讯及电子设备不可避免地受到损害。因此，防止这些现代社会的雷害显得十分紧迫和必要。苏州科佳生产的NKP系列电源防雷、信号防雷产品，就能有效地防止感应雷对电气设备和电子设备各种的破坏。

“电源防雷器”并接在电力线路上，可遏制瞬态过电压和泄放浪涌电流。从总进线到用电设备端通常配置分为三级，经过逐级限压和放电，逐步消除雷电能量，保证用电设备的安全。根据不同的需要可选用“可插拔模块型”、“端子接线式”和“移动插座式”等品种。

“信号防雷器”接入信号接口后，一方面能切断雷电进入设备的通路，另一方面能迅速对大地放电，确保信号设备的正常工作。信号防雷器具有多种规格，分别可用于电话、网络、模拟通信、数字通讯、有线电视及*等设备的防雷，各种设备的输入口特别是室外引入端，均应安装信号防雷器。

选用防雷器要注意接口的形式和接地的可靠，重要场所应设置专用的接大地线，切不可将防雷接地线与避雷针接地线并接，且要尽量远离、分开入地

防雷相关

地线

防雷工程的一个重要的方面是接地以及引下线路的布线工程，整个工程的防雷效果甚至防雷器件是不是起作用都取决于此，所以应该认真的系统的研究。

电力、电子设备的接地，是保障设备安全、操作人员安全和设备正常运行的必要措施。可以认为，凡是与电网连接的所有仪器设备都应当接地；凡是电力需要到达的地方，就是接地工程需要作到的地方。由此可以我们知道，接地工程的广泛性和重要性。一方面，随着时代的进步，强功能高价值设备的广泛使用，要求提供更加可靠的接地保护；另一方面，微电子技术的推广，使得现代设备要求更低的接地电阻，还往往需要抗干扰。实践要求有更加系统的接地理论来对工程实际进行指导。根据近年来的设计施工经验，认为：

a、接地连接方式和接地参数并重；

b、以减小或消除同系统中不同性质的接地（如防雷地、工作地、外壳接地、静电地、信号地等）之间的电位差为目的，选用适当的布线方式；

c、根据地网所在地的接地电阻、土层分布等地质情况，尽量进行准确设计；

浪涌

什么是浪涌?

浪涌被称为瞬态过电，是电路中出现的一种短暂的电流、电压波动,在电路中通常持续约百万分之一秒。220伏电路系统中持续瞬间(百万分之一秒)的 5,000或10,000伏的电压波动，即为浪涌或瞬态过电。

浪涌的来源：简单而言，来自两个方面：外部浪涌和内部浪涌。

来自外部的浪涌：

最主要的来源是雷电。当云层中有电荷集蓄，云层下的地表集蓄了极性相反的等量电荷时，便发生了雷电放电，云层和地面间的电荷电位高达若干百万伏，发生雷击时,以若干千安计的电流通过雷击放电，经过所有的设备和大地返回云层，从而完成了电的通路。不幸的是，通路常常是取道重要或贵重的设备。如果雷电击中了附近的电力线，部分电流将沿线进入建筑物，这股巨大的电流就会直接扰乱或破坏计算机和其它敏感的电气设备,其速度之快,全程只需百万分之一秒。

外部浪涌的另一个来源是电力公司的公用电网开关在电力线上产生的过电压。

来自内部的浪涌：

88％的浪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、复印机和其它感应性负荷。

浪涌对计算机和其它敏感电气设备的危害：

计算机技术发展至今，多层、超规模的集层芯片，电路密集，趋向是集成度更高、元器件间隙更小、导线更细。几年前，一平方厘米的计算机芯片有

2,000个晶体管而现在的奔腾机则超过10,000,000个。从而增加了计算机受浪涌损坏的概率。

由于计算机的设计和结构决定了它应在特定的电压范围内工作。当浪涌超出计算机能承受的水平时，计算机将出现数据乱码，芯片被损坏，部件提前老化，这些症状包括：出乎预料的数据错误，接收/输送数据的失败，丢失文档，工作失常，经常需要维修，原因不明的故障和硬件问题等等。

雷电浪涌远远超出了计算机和其它电气设备所能承受的水平，绝大多数情况下，造成计算机和其它电器设备的当即毁坏，或数据的永远丢失。即使是一个20马力的小型感应式发动机的启动或关闭也会产生3,000－5,000伏的浪涌，使和它共用同一配电箱的计算机在每一次浪涌中都会受到损坏或干扰，这种浪涌的次数非常频繁。

浪涌会损坏那些电气设备？

含有微处理器的电气设备极易受到浪涌的损坏，这包括计算机和计算机的辅助设备、程序控制器、PLC、传真机、电话、留言机等；程控交换机、广播电视发送机、微波中继设备；家电行业的产品包括电视、音响、微波炉、录像机、洗衣机、烘干机和电冰箱等。美国的调查数据表明，在保修期内出现问题的电气产品中，有63％是由于浪涌造成的。

浪涌的来源:

浪涌可来自电气装置外部，也可来自电气装置内部，即来自电气装置内的电器设备。

来自外部的浪涌这种浪涌由雷电或公用电网开关的投切引起，这两类有害的电源扰*计算机和微机信息处理系统的工作，引起停工或永久性设备损坏。

当云层上有电荷储蓄，云层下表面产生极性相反的等量电荷时，将引起雷电放电。其后的情况就象一个大电池组或一个大电容器的放电那样，云层和地面间的电荷电位高达若干百万伏。发生雷击时以若干千安没计的电流通过雷击放电，经过所有设备和大地返回云层，从而完成电的通路。不幸的是这个雷电通路常常取道重要或贵重的设备。浪涌防护的关键概念是给雷电感应电流提供一个通向大地的短捷有效的通路。这样雷浪涌流将从设备外分流。

所示为设备处雷电流减少的情况。大的雷击电流值常被例举应用，其实它发生的可能性很小。

来自内部的浪涌，来自内部的浪涌是经常发生的，诸如来自空调机、空压机、电弧焊机、电泵、电梯、开关电源和其它一些感性负荷的浪涌。例如一台20hp的感应电动机（线电压230V，4级，Y结线）在最大转矩时每相具有约39J的储存能量，当其标称方根值电流被截断时，它将产生瞬态过电压。它经常发生，和它自同一配电箱供电的其它负荷将因此易受损坏或工作失常。

不要以为电气装置电源进线上的过电压防护器可以保护电气设备不受内部浪涌的危害。它不能，它只能对沿电源线进入电气装置的外部浪涌进行防范，因大容量的进线防护器距内部浪涌发生处的距离太远。浪涌是微秒量级的异常大电流脉冲。它可使电子设备受到瞬态过电的破坏。每年半导体器件的集成化都在提高，元件的间距在减小，半导体的厚度在变薄。这使得电子设备受到瞬态过电破坏的可能性越来越大。如果一个浪涌导致的瞬态过电压超过一个电子设备的承受能力，那么这个设备或者被完全破坏，或者寿命大大缩短。

雷电是导致浪涌最明显的原因，雷电击中输电线路会导致巨大的经济损失。每一次电力公司切换负载而引起的浪涌都缩短各种计算机、通讯设备、仪器仪表和PLC的寿命。另外，大型电机设备、电梯、发电机、空调、制冷设备等也会引发浪涌。UPS 也可被浪涌摧毁。

建筑物顶部的避雷针在直击雷时可将大部分的放电分流入地，避免建筑物的燃烧和爆炸。UPS不间断电源是处理电压的严重下降。二者非常有用，但都不能保护计算机免受浪涌的破坏，而且UPS本身集中很多微处理器，也可被浪涌摧毁。

雷电的破坏

雷电的破坏主要是由于云层间或云和大地之间以及云和空气间的电位差达到一定程度（25—30kV/cm）时，所发生的猛烈放电现象。

通常雷击有三种形式，直击雷、感应雷、球形雷。直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象。感应雷是当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，地面某些范围由于散流电阻大，出现局部高电压，或在直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压、而发生闪击现象的二次雷。球形雷是球状闪电的现象。

3.1 直击雷破坏

当雷电直接击在建筑物上，强大的雷电流使建（构）筑物水份受热汽化膨胀，从而产生很大的机械力，导致建筑物燃烧或爆炸。另外，当雷电击中接闪器，电流沿引下线向大地泻放时，这时对地电位升高，有可能向临近的物体跳击，称为雷电“反击”，从而造成火灾或人身伤亡。

3.2 感应雷破坏

感应雷破坏也称为二次破坏。它分为静电感应雷和电磁感应雷两种。由于雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性。

3.2.1静电感应雷

带有大量负电荷的雷云所产生的电场将会在金属导线上感应出被电场束缚的正电荷。当雷云对地放电或云间放电时，云层中的负电荷在一瞬间消失了（严格说是大大减弱），那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚，在电势能的作用下，这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击。易燃易爆场所、计算机及其场地的防静电问题，应特别重视。

3.2.2电磁感应雷

雷击发生在供电线路附近，或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场，此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上。由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了，对用电设备造成极大危害。因此，避雷针引下线通体要有良好的导电性，接地体一定要处于低阻抗状态。

3.3 雷电波引入的破坏

当雷电接近架空管线时，高压冲击波会沿架空管线侵入室内，造成高电流引入，这样可能引起设备损坏或人身伤亡事故。如果附近有可燃物，容易酿成火灾。

雷电的产生

人们通常把发生闪电的云称为雷雨云,其实有几种云都与闪电有关,如层积云、雨层云、积云、积雨云，最重要的则是积雨云，一般专业书中讲的雷雨云就是指积雨云。

云的形成过程是空气中的水汽经由各种原因达到饱和或过饱和状态而发生凝结的过程。使空气中水汽达到饱和是形成云的一个必要条件，其主要方式有：

（1）水汽含量不变，空气降温冷却；

（2）温度不变，增加水汽含量；

（3）既增加水汽含量，又降低温度。

但对云的形成来说，降温过程是最主要的过程。而降温冷却过程中又以上升运动而引起的降温冷却作用最为普遍。积雨云就是一种在强烈垂直对流过程中形成的云。由于地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层，所以白天地面温度升高较多，夏日这种升温更为明显，所以近地面的大气的温度由于热传导和热辐射也跟着升高，气体温度升高必然膨胀，密度减小，压强也随着降低　，根据力学原理它就要上升，上方的空气层密度相对说来就较大，就要下沉。热气流在上升过程中膨胀降压，同时与高空低温空气进行热交换，于是上升气团中的水汽凝结而出现雾滴，就形成了云。在强对流过程中，云中的雾滴进一步降温，变成过冷水滴、冰晶或雪花，并随高度逐渐增多。在冻结高度（-10摄氏度），由于过冷水大量冻结而释放潜热，使云顶突然向上发展，达到对流层顶附近后向水平方向铺展，形成云砧，是积雨云的显著特征。积雨云形成过程中，在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在云的不同部位积聚。当电荷积聚到一定程度，就会在云与云之间或云与地之间发生放电，也就是人们平常所说的"闪电"。

雷电以其巨大的破坏力给人类、社会带来了惨重的灾难，尤其是近几年来，雷电灾害频繁发生，对国民经济。造成的危害日趋严重。我们应当加强防雷意识，与气象部门积极合作，做好预防工作，将雷害损失降到最低限度。

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