現(xiàn)代防雷技術(shù)

1、（一）雷電機理（一）雷電機理1、雷云的形成、雷云的形成 由于大氣的劇烈運動，引起靜電摩擦和其他電離作用，使云團內(nèi)部產(chǎn)生了大量的帶正、負電荷的帶電離子，又因空間電場力的作用，這些帶電離子定向垂直移動，使云團上部積累正電荷，下部積累負電荷（情況也可以相反），云團內(nèi)產(chǎn)生分層電荷，形成產(chǎn)生雷電的雷云。雷云的成因主要來自于大氣的運動，當雷云在天空移動時，在其下方的地面上會靜電感應(yīng)出一個帶相反電荷的地面陰影。如圖：2、尖端放電與雷擊、尖端放電與雷擊 如果有一個帶尖鋒的金屬球，讓它帶上負電，由于電荷同性相斥的作用，球體尖鋒部分的電子受到同性電荷排斥力最強，最容易被排斥而離開金屬球，這就是“尖端放電”。 地面

2、上相對較高的建筑物，有時是避雷針，就好比金屬球上的尖鋒。雷擊最容易在這些地方發(fā)生。 如圖所示:3 3、雷云放電、雷云放電著名的雷云放電理論是“長間隙放電”理論，該理論認為雷云對地放電的過程可以分為四個階段：即云中放電、對地先導、定向閃擊和回閃四個階段。具體過程是這樣的：雷云形成前，首先是云內(nèi)放電和云間放電頻繁，云中放電造成云中電荷的重新分布和電場畸變，當云中電荷密集處的電場強度達到25-30KV/cm的，就會由云團向地開始先導放電。先導放電是步進的，發(fā)展的平均速度為105106m/s，各脈沖間隔約3090s，每階段推進約50m，跳躍著逐步向下延伸，當先驅(qū)放電距地50m左右，可誘發(fā)迎面先導，通常

3、迎面先導來自地面上最突出的部分（尖端放電最易發(fā)生處），當對地先導和地面的迎面先導會合時，就形成了從云團到地面的強烈電離通道。步進放電轉(zhuǎn)為定向閃擊。定向閃擊是沿最短路徑進行的，緊接著回閃，這時出現(xiàn)極大的電流，開始雷電的主放電階段，即雷擊，在主放電中雷云與大地之間所聚集的大量電荷，通過先驅(qū)放電所開辟的狹小電離通道發(fā)生猛烈的電荷中和，放出能量，引發(fā)強烈的閃光和雷鳴。主放電的時間極短，約50100s，主放電過程是逆著先導通道發(fā)展的，速度約為光速的1/201/2，主放電電流可達數(shù)十KA，是全部雷電流的主要部分。主放電到達云端時就結(jié)束。然后殘余電荷經(jīng)過主放電通道流過來，產(chǎn)生短暫的余光。由于云中電阻較大，余

4、光階段的電流只有數(shù)百安培。持續(xù)時間0.030.15秒之間通常一次雷電過程包括34次放電。重復放電都是沿著第一次放電通路發(fā)生的。3、雷云放電、雷云放電4 4、雷電的波形及參數(shù)、雷電的波形及參數(shù)雷電波形及參數(shù)是防雷工程設(shè)計中的重要依據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)才可能正確估算電子系統(tǒng)頻帶范圍內(nèi)雷電沖擊的幅度和能量大小，進而確定避雷措施。 圖1是標準雷電流波型圖。 可以這樣描述一個雷電波，幅值為Im，波頭為T1，波長為T2的電流波， 記為T1/T2s 。 圖1是標準雷電流波型圖。 圖2標準雷電壓波形圖圖2標準雷電壓波形圖 與標準雷電流波形圖不同之處為, 圖中A點在0.3倍Vm處，且T1 =1.67T也可以這樣描述

5、一個雷電波，幅值為Vm， 波頭為T1， 波長為T2的電壓波， 記為T1/T2s 。 （二）雷電的危害（二）雷電的危害1 1、雷電熱效應(yīng)的破壞作用、雷電熱效應(yīng)的破壞作用 閃電表面上看只閃一次，實際上是一系列閃光，在閃光發(fā)生的瞬間，雷電流在極短的時間內(nèi)，以連續(xù)的、尖峰脈沖形式通過強大電流。尤其是直擊雷，它的放電電流平均達2.5萬到4.5萬安培間，大雷暴時最高達20萬安培。 如果雷電擊在樹木或建筑物件上，被雷擊的物體瞬間將產(chǎn)生大量熱能，由于雷電流很大，通過的時間又極短（50100s），根本來不及散發(fā)，以致物體內(nèi)部的水份大量變成蒸氣，并迅速膨脹，產(chǎn)生巨大的爆炸力，造成破壞。與雷電通道直接接觸的金屬因高

6、溫而熔化的可能性很大，因為通道的溫度可高大600010000，甚至更高。因此在雷電流通道上遇到易燃物質(zhì)，會引起火災。2 2、雷電沖擊波的破壞作用、雷電沖擊波的破壞作用 閃電時，由于空氣受熱急劇膨脹，產(chǎn)生一種叫“激波波前”的沖擊波。又由于龐大體積的雷云迅速放電而突然收縮，電應(yīng)力突然解除，會產(chǎn)生一種次聲波。這兩種沖擊波都會引起附近的建筑物、人、畜受到破壞和傷亡。就仿佛炸彈在附近爆炸一樣。 大電流 平均2.5至4.5萬安培,最高達20 萬安培 產(chǎn)生瞬時巨熱 6000度10000度超高溫,瞬間高溫超過 太陽表面 3 3、雷電流電動力的破壞作用、雷電流電動力的破壞作用 如果雷擊的瞬間兩根平行架設(shè)的導線的

7、電流I1 和I2 都等于100KA。兩導線的間距為50cm，計算結(jié)果表明，這兩根導線每米要受到408kg的電動力。408kg/m的力完全有可能將導線折斷。 折成銳角的導體間也受電動力作用。4 4、雷電的靜電感應(yīng)作用、雷電的靜電感應(yīng)作用當空間有帶電的雷云時，雷云下的架空導線等處會由于靜電感應(yīng)的作用而帶上相反的電荷。當閃電發(fā)生后，由于架空導線與大地間的電阻較大，導線上積累的大量電荷不能與大地的異種電荷迅速中和，這就形成了局部地區(qū)的感應(yīng)高電壓。這類高電壓在高壓架空線上可達300400KV，一般低壓架空線路可達100KV，電信線路可達4060KV，建筑物也會產(chǎn)生相當高的危險高壓。 這種過電壓對接地不良

8、的電氣系統(tǒng)有很大的破壞作用，它可以在其路徑上的任何金屬間隙中產(chǎn)生電弧打火，如果電弧打火發(fā)生于易燃場所中（如汽油庫、瓦斯廠、火藥庫等場所），會引起火災和爆炸，如果電弧打火發(fā)生在電路板上，則電路板將被破壞。4、雷電的靜電感應(yīng)作用、雷電的靜電感應(yīng)作用5 5、雷電的電磁感應(yīng)作用、雷電的電磁感應(yīng)作用 由于雷電流有極大的峰值和陡度，可能在附近空間形成強大的瞬變電磁場，一個5m5m的開口金屬管，在雷電流峰值為100KA時，距離雷擊點200m也可以感應(yīng)到1000V左右的高壓。零點幾毫米的氣體間隙就可能被擊破，發(fā)生有害火花，損壞電氣系統(tǒng)中的電氣元件。6 6、地電位變化、地電位變化 如果工作場所中各類地極是分開設(shè)

9、置的，那么當雷擊時，會引起某個雷擊點附近地極電位的劇增，形成這個地極與其他地極間的電位差U，進而引起不同地極系統(tǒng)之間的電位不平衡，產(chǎn)生有害過電壓，壓差達到一定的數(shù)值時，由地極向上形成反擊電流，會擊穿或損壞電子設(shè)備。7 7、雷電反擊和引入高電位、雷電反擊和引入高電位 閃電時，接閃裝置（包括接閃器、接地引下線和接地體）在接閃瞬間與大地間存在很高的電壓，這種高壓能引起與大地相連的其它金屬物品的閃擊，這就是雷電反擊。雷電反擊會使室內(nèi)人或物受到雷電直接傷害。 雷電引入高電位是指雷電流沿輸電線，通信電纜，接收天線等通道竄入室內(nèi)，發(fā)生閃擊而造成雷擊事故。二、直擊雷與感應(yīng)雷概念二、直擊雷與感應(yīng)雷概念1、直擊雷

10、與感應(yīng)雷的區(qū)別、直擊雷與感應(yīng)雷的區(qū)別在雷電防護領(lǐng)域，我們一般將雷電直接擊中建筑物，傳輸線路、計算機設(shè)備并經(jīng)設(shè)備入地的雷擊現(xiàn)象稱為直擊雷。這種雷擊形成的放電電流高達數(shù)百千安（我國工程計算中采用平均60KA的數(shù)值），電壓則達百萬伏以上，它的破壞作用極大，但發(fā)生的機率不太大。 真正對電子設(shè)備造成危害的是感應(yīng)雷，感應(yīng)雷產(chǎn)生與兩種機制有關(guān)，一種是雷云靜電場對地面物的“靜電感應(yīng)”作用。另一種是閃電引發(fā)的強大“電磁感應(yīng)”作用。無論是“靜電感應(yīng)”或是“電磁感應(yīng)”，都能在地面線路上感應(yīng)出過電壓、過電流，經(jīng)傳輸通道進入計算機等電子設(shè)備，感應(yīng)雷通常產(chǎn)生1萬伏左右的瞬變過電壓，過電壓峰值一般在1000A左右，這對耐壓

11、程度才數(shù)百伏甚至數(shù)十伏的電子設(shè)備的破壞作用很大。由于感應(yīng)雷發(fā)生的機率很高，使得電子時代雷擊事故頻繁發(fā)生。 一個一個30KA30KA的雷擊所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓：的雷擊所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓： Vj=2.2(Ln1000/a1/2)di/dt10-6(kv/m) 式中：a雷電流引線與被感應(yīng)體間的平均距離； di/dt+30/2.6=11.5kA/s 與雷電流引線平行的導體上感應(yīng)電壓與雷電流引線平行的導體上感應(yīng)電壓VjVj值列表如下值列表如下: :a(m) 10 100 200 300 400 500Vj(Kv/m) 9.5 4.2 2.5 1.6 0.9 0.2由此表見，一個30KA的中等雷擊，其引下線內(nèi)數(shù)

12、百米范圍，都是感應(yīng)雷的破壞對象。2、直擊雷的防范原理、直擊雷的防范原理 防范直擊雷采用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)作為接閃器，引下線使雷電流沿固定路徑向地極傳導，最后通過良好的接地裝置迅速而安全的將雷電流導入大地。雷電流由人指定的路徑入地，對建筑物等該防物體起到一定的保護作用。 如圖A所示防范直擊雷時，要同時作好接閃、分流、接地、均壓等工作。三、電子時代的防雷問題三、電子時代的防雷問題1、電子時代雷擊事故增多、電子時代雷擊事故增多三、電子時代的防雷問題三、電子時代的防雷問題1、電子時代雷擊事故增多、電子時代雷擊事故增多感應(yīng)雷使電子時代的雷擊事故的發(fā)生機會大大增加，它能引起一萬伏左右的雷電電磁

13、脈沖，這種脈沖的波型為突峰型，持續(xù)時間在50納秒之間。時間短而電壓高，從而形成危害性很大的浪涌過電壓。因為隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們運用計算機系統(tǒng)、自控設(shè)備和通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量和規(guī)模都在不斷擴大，這些敏感的電子設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化。目前普遍使用的微機的CPU芯片最多集成有750萬個晶體管，每兩個晶體管之間的距離（這個距離稱為線寬），目前在0.18微米至0.25微米之間，其耐流程度在毫安級。這就使得設(shè)備的耐過壓/過流水平很低，而雷電電磁脈沖引起的浪涌電壓，一般都在萬伏左右，最小的雷電脈沖引起的電壓級別也在千伏左右。此種過壓會沿各種不同的線路通道引入電子設(shè)備，它可能引起整個系統(tǒng)運行中斷，造成

14、難以估算的巨額經(jīng)濟損失。雷電電磁脈沖引起的浪涌過電壓已成為電子時代的一大公害。 據(jù)德國Wurttembergische保險公司統(tǒng)計，1994年間，在全部各種災害造成的損害中，感應(yīng)雷擊造成的損害占全部災害損失的33.8%。我國也有許多這方面的統(tǒng)計資料，從各種資料中可以看出，計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、集線器最容易遇到感應(yīng)雷傷害。2、微電子設(shè)備的耐雷能力有限、微電子設(shè)備的耐雷能力有限感應(yīng)雷的頻譜雖然很寬，但從能量積累分布來看，大多集中在低頻段，如10/700s沖擊波，總能量95%以上分布在3KHZ頻率以下,而1.2/50s沖擊波，大約總能量90%以上分布在18KHZ頻率以下。這類波形對工作在

15、低頻和直流狀態(tài)的電子設(shè)備危害極大,當輸入至集成電路任一端口上的能量達到10-6焦耳左右時，集成電路芯片便會遭到永久性破壞，磁場強度超過2.4高斯時，計算機的CPU將永久性損壞，當磁場強度超過0.07高斯時會引起計算機失效。 某權(quán)威機構(gòu)對計算機通信接口中常用的集成電路芯片，用10/700s波形作了沖擊試驗，結(jié)果見下表： 集成電路型號 施加沖擊位置 沖擊耐壓平均值 MC1488P 輸出端 60V MC1489P 輸出端 22V J274 輸出端對地 32V J274 輸出端子之間 50V J275 輸出端子對地 31V J275 輸出端子之間 30V TIL117 二極管反向 90V TIL117

16、 三極管反向 25V 可以說，一方面微電子設(shè)備的耐雷能力很弱，另一方面感應(yīng)雷引入通道增多。因此，電子時代的防雷問題日益突出。 3、避雷針增加感應(yīng)雷機會、避雷針增加感應(yīng)雷機會 當雷擊發(fā)生時，由避雷針、引下線、均壓環(huán)和接地引下裝置組成的外部防雷裝置確實有效的抵御了雷擊對建筑物結(jié)構(gòu)的直接破壞，同時均布的避雷引下線與均壓環(huán)也起到了一個稀疏的法拉第網(wǎng)籠的作用，保證了建筑物內(nèi)人員不致因跨步電壓升高導致觸電死亡。但同時也增加了感應(yīng)雷機會，對設(shè)置在建筑物內(nèi)的電子系統(tǒng)造成損壞。 這是因為避雷針接閃后，強大的雷擊電流沿引下線入地過程中，由于雷電流陡度di/dt的作用，會在雷電流引下路徑上產(chǎn)生一個強大的瞬變磁場，處

17、在這個瞬變磁場作用范圍內(nèi)的所有用電器、信號線、電源及它們的傳輸線路都因相對地切割了這個瞬變磁場而感應(yīng)高電壓。在雷擊路徑數(shù)百米范圍內(nèi)的電子設(shè)備均有遭受感應(yīng)高壓損壞的可能。 所以建筑物防雷設(shè)置反而增加了感應(yīng)雷機會。增加了電子系統(tǒng)受雷擊的可能性。在現(xiàn)代防雷工程設(shè)計過程中，應(yīng)該兼顧建筑物內(nèi)部的過壓防護。 4、雷電打擊電子系統(tǒng)的形式、雷電打擊電子系統(tǒng)的形式 雷電入侵電子系統(tǒng)主要有三種形式。 第一種是直擊雷直接擊中線路，雷電沿線路直接入侵設(shè)備。在雷雨期間，閃電直接落在電源入室線路和通訊線路上，這種情況在高山通訊站、天線發(fā)射臺、農(nóng)村空曠區(qū)較常發(fā)生，其雷擊的能量非常大，可使導線熔化，設(shè)備炸裂。第二種是感應(yīng)雷引

18、發(fā)的雷電電磁脈沖（簡稱LEMP），雷擊時在閃電通道幾公里范圍內(nèi)，通過靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)的形式，在各種線路導線中感應(yīng)出幾千伏到幾萬伏的浪涌過電壓，感應(yīng)高壓沿線路進入設(shè)備，這種情況發(fā)生的機會非常大。特別是在城市，各種線路分布密度大，幾乎每次雷擊都有成片地區(qū)產(chǎn)生感應(yīng)高電壓（感應(yīng)雷），此感應(yīng)雷損壞設(shè)備的現(xiàn)象最常見。雖然感應(yīng)雷能量比直擊雷要小得多，但其事故率直接上升。從大量受損現(xiàn)場的檢測結(jié)果看，電子設(shè)備受感應(yīng)雷襲擊后，雖然元器件外觀是沒有明顯損壞痕跡的，用儀表測量就會發(fā)現(xiàn)是內(nèi)部已擊穿，這種情況表現(xiàn)最為突出的是一些脆弱的集成器件、晶體管等。第三種是建筑物避雷針接閃后，數(shù)萬安的雷電流在泄入大地的同時，引發(fā)建

19、筑物附近地電位急劇上升，又通過各種接地通道反擊設(shè)備，造成計算機系統(tǒng)等電子設(shè)備的損壞，這種情況相對前兩種情況為少，但它對設(shè)備損害最為嚴重。目前，我國防范雷電過壓侵害的任務(wù)更加嚴峻。原因首先是由于我國電力布線不規(guī)范，有些重要的計算機中心竟然沒有分開的保護地極，在接地施工時往往采用零線和地線合一的方式進行操作，這又給設(shè)備受雷擊損壞增加機會。第二是架空的信號線或網(wǎng)絡(luò)線幾乎沒有考慮防雷問題，很容易受到感應(yīng)雷襲擊。第三個原因是有些設(shè)備雖然標稱加裝了防雷措施，實際上僅僅是在設(shè)備內(nèi)部加了一些壓敏電阻或放電管。在防雷設(shè)計時，沒有考慮分級防范。防雷能力很有限，一旦遭受量級稍大的感應(yīng)雷擊，往往被擊毀。第四個原因雖與

20、雷電無關(guān)，但也會造成與雷擊相似的損毀后果，當開或關(guān)電路上的電感性或電容性的負載、地極斷路、電源電路短路時，都能產(chǎn)生很高的過壓，產(chǎn)生浪涌脈沖損壞設(shè)備，這種短路電壓雖然起因不同于雷擊過壓，但防范方法及過壓性質(zhì)是一樣的 5、電子系統(tǒng)的防雷原則、電子系統(tǒng)的防雷原則從以上分析可知，雷電大多是從建筑物外部的各種線路通道進入建筑物內(nèi)部的，這些線路通道包括由室外接入的電源線、信號線和通信線路等。對計算機等電子系統(tǒng)的防雷原理就是：一方面應(yīng)注意引出和引入線的屏蔽接地處理，另一方面應(yīng)在雷電通道出入口處安裝相應(yīng)的防雷器件。 電子系統(tǒng)在作防雷設(shè)計應(yīng)滿足以下原則電子系統(tǒng)在作防雷設(shè)計應(yīng)滿足以下原則防雷保護器件在線路中應(yīng)不影

21、響被保護設(shè)備的正常工作。防雷器件應(yīng)有較高的承受沖擊能力，殘壓應(yīng)足夠小。防雷設(shè)計時應(yīng)符合“均一分一屏一地”原則?！熬笔蔷鶋旱入娢?；“分” 是逐級分別泄流；“屏”是加強屏蔽；“地”是規(guī)范的接地系統(tǒng)。 四、現(xiàn)代防雷技術(shù)四、現(xiàn)代防雷技術(shù) 現(xiàn)代防雷的技術(shù)原則強調(diào)全方位防護、綜合治理、重點解決，把防雷看作是一個系統(tǒng)工程。這是因為雷電的危害作用無孔不入，在整個空間范圍內(nèi)侵襲電子設(shè)備，防范難度很大。我公司從多年的防雷實踐過程中，總結(jié)出了一套切實可行的綜合防雷措施，應(yīng)用于各項工程中，已取得了很好的防雷效果。1、基于綜合防護的七點防雷措施、基于綜合防護的七點防雷措施 每一個綜合防雷系統(tǒng)，應(yīng)該包括三部直擊雷防護、

22、感應(yīng)雷引發(fā)的過壓抑制及接地等三個子系統(tǒng)。按照上述的原則要求，綜合多年的實踐經(jīng)驗，借鑒國內(nèi)外的技術(shù)精華，我公司逐漸成熟了一套“綜合防雷技術(shù)”。它主要包括以下七個要點： 綜合防雷系統(tǒng)綜合防雷系統(tǒng)七點防雷措施七點防雷措施：選取適宜的接閃方式 根據(jù)德國專家的計算，雷電能量有50%可直接流入大地，還有50%的 能量將通過各種感應(yīng)方式，平均流入外露的各電氣通道（如電源線、信號線和金屬管道等）。我們將根據(jù)實際情況，決定采取避雷針主動接閃，這是采用“躲”的辦法，僅用避雷帶、避雷網(wǎng)或避雷線，降低防區(qū)高設(shè)，爭取用躲的辦法，少接閃。減少雷電的電磁效應(yīng)。：安全引導雷電入地完全依照國家的有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，作好雷擊電流引

23、下工作，避免雷擊電流旁向閃擊，最大限度的消除雷電流對電子設(shè)備的感應(yīng)作用。：完善的共地措施首先是由降阻劑、接地棒和銅帶的配合使用，達到更低的地電阻。然后利用地極間的瞬態(tài)連接技術(shù)，達到電源地、防雷地、保護地和信號地之間的電位平衡，形成共地系統(tǒng)，防止雷電通過接地系統(tǒng)對設(shè)備的反擊，在有條件的施工場所，堅持“一點接地”技術(shù)。減少感應(yīng)雷擊對弱電設(shè)備的感應(yīng)損壞。：對重要的電子系統(tǒng)構(gòu)造“等電位”電位浮島在對電子設(shè)備的電源、數(shù)據(jù)、通訊及信號線路進行感應(yīng)雷防護時，使用直接電氣聯(lián)結(jié)或避雷器進行等電位連接，形成水漲船高式的等電位浮島，雷電侵入時，整個系統(tǒng)的電位同時升降。其目的是防止強大雷電流流經(jīng)之處的局部高電位與周圍設(shè)備發(fā)生雷電反擊（旁側(cè)閃絡(luò)放電），同時可消除因地電位驟然升高而產(chǎn)生的“地電位反擊”事故。：迅速分流雷電流把通過各種線路引入電子系統(tǒng)的雷擊電流，通過精心安裝的分流系統(tǒng)，安全迅速的分流入地，降低系統(tǒng)的高電壓，高速箝位電壓達到安全值。：全面屏蔽出入室線路作全面屏蔽，以減輕雷電電磁脈沖的浪涌侵害。：定期檢測防雷裝置邀請“北京市避雷安全裝置檢測中心”作定期檢測。發(fā)現(xiàn)問題，及時向