防雷技術(shù)

雷電電磁感應(yīng)講義

引言

電磁兼容（EMC）是近年來(lái)發(fā)展很快并受到廣泛重視的學(xué)科領(lǐng)域。IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）對(duì)EMC的定義是：“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對(duì)該環(huán)境中任何事物產(chǎn)生不允許的電磁騷擾的能力”。電磁騷擾（EMD）定義是：任何可能引起設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或?qū)τ猩盁o(wú)生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾可能是電磁噪聲，無(wú)用信號(hào)或傳播媒介自身的變化。電磁噪聲與EMD術(shù)語(yǔ)有相似的含義，指“一種明顯不傳送信息的時(shí)變電磁現(xiàn)象，它可能與有用信號(hào)疊加或組合。”電磁騷擾源分為自然騷擾源和人為騷擾源。

典型的自然騷擾源有：

1、  雷擊電磁脈沖LEMP，又稱大氣噪聲；

2、  太陽(yáng)噪聲，太陽(yáng)黑子活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁暴；

3、  宇宙噪聲，來(lái)自銀河系；

4、  靜電放電ESD；

人為騷擾源較多，典型的有：

1、  電力網(wǎng)絡(luò)中操作過(guò)電壓SEMP；

2、  核致電磁脈沖NEMP；

3、  高壓配電系統(tǒng)對(duì)地短路造成過(guò)電壓；

其它家電、高頻設(shè)備、電力設(shè)備、內(nèi)燃機(jī)、無(wú)線電發(fā)射和接收設(shè)備、高速數(shù)字電路設(shè)備等，通過(guò)放電噪聲、接觸噪聲、過(guò)渡現(xiàn)象、反射現(xiàn)象、非功能性噪聲和無(wú)用信號(hào)等電磁騷擾的發(fā)生機(jī)理均會(huì)造成電磁干擾。

在IEC61312-1中對(duì)LEMP定義為：“作為干擾源的閃電電流和閃電電磁場(chǎng)。”GB50057-94局部修改條文定義為：“作為干擾源的直接雷擊和附近雷擊所引起的效應(yīng)。絕大多數(shù)是通過(guò)連接導(dǎo)體的干擾，如雷電流或部分雷電流，被雷電擊中的裝置的電位升高以及磁輻射干擾。”LEMP屬由于放電而產(chǎn)生的噪聲，由于雷云之間或雷云與大地之間產(chǎn)生火花放電，往往伴隨著急劇的電流、電壓的瞬時(shí)變化，即di/dt或du/dt很大。與NEMP相比LEMP的電磁場(chǎng)強(qiáng)度、陡度和破壞范圍都弱得多，但雷電這一大氣物理現(xiàn)象，每次釋放的數(shù)百兆焦?fàn)枺∕J）能量與足可影響敏感設(shè)備的毫焦?fàn)枺╩J）能量相比相差懸殊。1971年美國(guó)通用研究公司R·D希爾用仿真試驗(yàn)建立模式證明：由于雷電干擾，對(duì)無(wú)屏蔽的計(jì)算機(jī)當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm=0.07GS時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)誤動(dòng)作；當(dāng)Bd=2.4GS時(shí)，計(jì)算機(jī)設(shè)備會(huì)永久性損壞。隨著人類在1973年將1萬(wàn)個(gè)元件安置在1cm2面積上標(biāo)志著進(jìn)入信息時(shí)代，這個(gè)數(shù)值在逐漸變小。

特別是電子技術(shù)從本世紀(jì)六十年代的電子管元器件發(fā)展到八十年代大型集成電路以來(lái)，元件的耐受能量已由0.1~10J降至10―8~10―6J，因而設(shè)備損壞率驟然升高。各種設(shè)備、元件摧毀能量參見(jiàn)圖1。

一位奧地利人對(duì)其所在地區(qū)自1960年~1992年間雷擊損失保險(xiǎn)理賠件數(shù)進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在這33年中，該地區(qū)因直接雷擊造成的事故（火災(zāi)、建筑物破壞等）每年都約為100起左右，而電子設(shè)備的損壞卻由1960年的931起上升到1992年的23768起！[圖2]

圖3是慕尼黑TELA保險(xiǎn)公司的損害分析，說(shuō)明雷害損失從1978年到1994年的17年中上升了400%。而德國(guó)法蘭克福ELELTRA保險(xiǎn)公司的統(tǒng)計(jì)說(shuō)明在1994年的災(zāi)害賠償中雷擊過(guò)電壓損失占33.8%，為第一位（圖4）。這種雷擊災(zāi)害的損失與我國(guó)近年來(lái)的情況基本相同。我國(guó)城市中的雷擊電子設(shè)備損害可占雷電災(zāi)害總損失的80%以上。鑒于上述原因，IEC61312-1

標(biāo)準(zhǔn)中“引言”稱“鑒于各種類型的電子系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、電信設(shè)備、控制系統(tǒng)等（在本標(biāo)準(zhǔn)中稱之為信息系統(tǒng)）的應(yīng)用在不斷增加，使本國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定成為必需。這樣的信息系統(tǒng)用于商業(yè)及工業(yè)的許多部門(mén)，包括高資金投入、大規(guī)模及高度復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)，對(duì)這樣的系統(tǒng)從代價(jià)和安全方面考慮非常不希望由雷電導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的停頓?！?/p>

現(xiàn)代防雷技術(shù)是一系統(tǒng)工程

現(xiàn)代防雷技術(shù)涉及到許多行業(yè)，其中有使用維護(hù)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)施工系統(tǒng)、設(shè)備生產(chǎn)制造系統(tǒng)、防雷裝置生產(chǎn)、檢測(cè)系統(tǒng)等。從技術(shù)角度上看也是一系統(tǒng)工程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)愈合理，系統(tǒng)的各個(gè)組成部分（或要素）之間的有機(jī)結(jié)合就越合理，相互之間的作用就越協(xié)調(diào)，才能使整個(gè)系統(tǒng)在總體上達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

比如防雷設(shè)計(jì)首先要從被保護(hù)物所在地理、氣象環(huán)境出發(fā)，要從被保護(hù)物的重要性和復(fù)雜性以及雷擊的后果嚴(yán)重程度出發(fā)。在設(shè)計(jì)中要考慮現(xiàn)有的保護(hù)裝置的有效利用，要與供電系統(tǒng)的型式、暴露程度，所有線纜的架設(shè)，設(shè)備自身的耐壓水平，選用防雷裝置的特性及其有機(jī)配合，以及裝設(shè)后對(duì)設(shè)備的正常工作是否產(chǎn)生不允許的影響，雷擊發(fā)生后的反應(yīng)和自復(fù)能力等等復(fù)雜的因素進(jìn)行綜合考慮，當(dāng)然，還應(yīng)考慮投資與效益的關(guān)系。

由于現(xiàn)代電子設(shè)備除受雷電干擾外，尚有大量的自然干擾源和人為干擾源，整個(gè)防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)從EMC這一主題開(kāi)始進(jìn)行。EMC有三項(xiàng)主要因素必須認(rèn)真考慮：干擾源、耦合機(jī)制和設(shè)備的EMC水平或稱抗擾性（抗擾性水平）。EMC干擾源、耦合機(jī)制和抗干擾措施綜合示意圖可參見(jiàn)圖5。

圖5 EMC干擾、耦合和抗干擾措施綜合示意圖

前面我們?cè)岬街袊?guó)電力科學(xué)研究院許穎副院長(zhǎng)的“三條防線”原則：（1）將絕大部分雷電流直接引入地中泄散；（2）阻塞侵入波沿引入線進(jìn)入設(shè)備的過(guò)電壓；（3）限制被保護(hù)物上雷電過(guò)電壓的幅值。三條防線，互相配合，各行其責(zé)，缺一不可。鑒于有人一再片面宣傳“傳統(tǒng)防雷系統(tǒng)有缺陷”，“避雷針起到引火燒身的作用，”并由此推理推薦使用“消雷器”因而有必要介紹IEC61312-1。對(duì)外部防雷裝置的功能評(píng)價(jià)。（見(jiàn)圖6）

圖6

在IEC標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)進(jìn)入建筑物的各種設(shè)施之間的雷電流分配進(jìn)行了估算，認(rèn)為全部雷電流有50%經(jīng)外部防雷裝置而安全導(dǎo)入大地，剩余的50%雷電流將平均分配到進(jìn)入建筑物的各種設(shè)施上。這也為估算電源線、信號(hào)線上的過(guò)電壓、過(guò)電流水平提供了理論依據(jù)。

在GB50057-94局部條文修訂條文（征求意見(jiàn)稿）中特別指出：“一個(gè)信息系統(tǒng)可能設(shè)于這樣的建筑物內(nèi)，該建筑物按本規(guī)范第二章的規(guī)定不屬于任何一類防雷建筑物，即不需要防直擊雷，在這種情況下，當(dāng)信息系統(tǒng)按本節(jié)第6.1.1條的規(guī)定（注：是否需要防LEMP，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)合理考慮，對(duì)投資與間接損失分析）需要防LEMP時(shí)，該建筑物宜按第三類防雷建筑物采取防雷措施。”

電磁耦合過(guò)程

IEC61312-1附錄D關(guān)于雷電電磁耦合過(guò)程的全文如下：

D．1耦合機(jī)理：

為了實(shí)用目的同時(shí)為了使用帶有集總參數(shù)的等效電路來(lái)進(jìn)行研究，將耦合過(guò)程分為電阻性耦合、磁場(chǎng)耦合、電場(chǎng)耦合是有好處的。由于直接雷擊而對(duì)信息系統(tǒng)的瞬態(tài)耦合可起因于下列不同的機(jī)理：

·         電阻性耦合(例如：由于接地電阻或電纜屏蔽層電阻引起的耦合)。

·         磁場(chǎng)耦合(例如：由于裝置構(gòu)成的環(huán)路或連接線的電感引起的耦合)。

·         電場(chǎng)耦合(例如：由于桿狀天線引起的耦合)。

由建筑物內(nèi)設(shè)備引起的電場(chǎng)耦合通常比磁場(chǎng)耦合小。耦合受以下因素影響：

·         接地

·         等電位連接

·         屏蔽

·         金屬導(dǎo)體的走向與布局

D．2電阻性耦合：

當(dāng)建筑物遭到雷擊時(shí)，入地的雷電流通常在防雷裝置與遠(yuǎn)處大地之間產(chǎn)生幾百 KV量級(jí)的電壓，此電壓值取決于接地電阻值。這是與建筑物有等電位連接并接至遠(yuǎn)處大地的外來(lái)導(dǎo)體(如電線)，有局部雷電流流過(guò)的原因。電纜屏蔽層流過(guò)的局部雷電流導(dǎo)致在內(nèi)部芯線與屏蔽層間產(chǎn)生電壓。

D．3磁場(chǎng)耦合：

雷電流不論其在導(dǎo)體中流過(guò)或在雷電通道中流過(guò)，都產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在遠(yuǎn)至100米的范圍內(nèi)，其強(qiáng)度正比于電流隨時(shí)間的變化速率。磁場(chǎng)強(qiáng)度H(t)是與傳導(dǎo)雷電流i單一長(zhǎng)直通路中心間的距離r成反比。

H(t)=i(t)／2πr

某些情況下可應(yīng)用這一公式作簡(jiǎn)單的估算，但在大多數(shù)情況下應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)作詳細(xì)的分析。在磁場(chǎng)與導(dǎo)體有關(guān)聯(lián)的地方，它就在環(huán)路(由這些導(dǎo)體構(gòu)成)中產(chǎn)生與dH/dt成正比的電壓。這就稱之為磁感應(yīng)。

D．4電場(chǎng)耦合：

在形成主放電之前的瞬間必須考慮在整個(gè)雷擊區(qū)(由雷擊點(diǎn)起最遠(yuǎn)大約100米范圍)內(nèi)達(dá)到空氣擊穿放電場(chǎng)強(qiáng)(在500KV／m的范圍內(nèi))的各個(gè)場(chǎng)強(qiáng)。主放電形成后，就必須考慮電場(chǎng)的衰減消失以及電場(chǎng)變化率，其值在500（KVm）/μs范圍內(nèi)。

雷電流電磁耦合過(guò)程分析

做為干擾源的雷電電流和雷擊電磁場(chǎng)主要是通過(guò)路和場(chǎng)二種形式耦合干擾信息系統(tǒng)的電子設(shè)備的。

其一、通過(guò)導(dǎo)線傳導(dǎo)，即通過(guò)設(shè)備的信號(hào)線、控制線、電源線等侵入設(shè)備，統(tǒng)稱傳導(dǎo)干擾。

其二、雷擊周?chē)臻g存在的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)鄰近設(shè)備產(chǎn)生干擾，叫近場(chǎng)耦合干擾。當(dāng)雷擊能量以電磁波的形式向遠(yuǎn)處傳輸，從而干擾遠(yuǎn)處的設(shè)備時(shí)，稱為遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾。這兩種形式可稱為輻射干擾，即通過(guò)場(chǎng)的干擾。

1．電流耦合：

當(dāng)雷閃擊在接閃器（或建筑物的金屬構(gòu)件）上，雖然接閃器、引下線和接地裝置的阻值很小，但由于雷電流幅值大，陡度（di/dt）大，會(huì)在瞬間使引下線和接地裝置的電位驟升上百千伏（對(duì)遠(yuǎn)處大地一零電位而言）。如圖7所示，當(dāng)di/dt=100KA/μs時(shí)，在圖中所示的回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓Ust=200KV。同理，當(dāng)有屏蔽層的電纜流過(guò)雷電流時(shí)，di/dt和屏蔽金屬層的電阻也會(huì)使芯線與屏蔽層間產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

在有相當(dāng)高的電位差的引下線與建筑物內(nèi)金屬線纜之間、在屏蔽電纜的外皮與芯線之間、在不同的接地裝置之間均有可能發(fā)生放電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為閃絡(luò)，跳擊或反擊。

2．磁場(chǎng)耦合和電場(chǎng)耦合：

雷電通道中（或接閃器、引下線的導(dǎo)體中）的雷電流產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)在閉合環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而對(duì)環(huán)路（及環(huán)路中的設(shè)備產(chǎn)生干擾。在場(chǎng)的干擾中可分為近場(chǎng)（感應(yīng)場(chǎng)）和遠(yuǎn)場(chǎng)（輻射場(chǎng)）當(dāng)干擾源與設(shè)備的間距r相對(duì)于干擾信號(hào)的波長(zhǎng)λ很大（r＞λ/2π）時(shí)，干擾源的性質(zhì)表現(xiàn)為輻射干擾源，其場(chǎng)的性質(zhì)是輻射電磁場(chǎng)，其特點(diǎn)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)存在，它們的比值（電磁波的波阻抗）Z=E/H=377Ω。當(dāng)r＜λ/2π時(shí)為傳導(dǎo)干擾源，其場(chǎng)的性質(zhì)表現(xiàn)為傳導(dǎo)干擾源，其場(chǎng)的性質(zhì)主要表現(xiàn)為電場(chǎng)或主要表現(xiàn)為磁場(chǎng)，視干擾源的性質(zhì)而定。高電壓，電流小的源，其場(chǎng)主要為電場(chǎng)、Z＞377Ω；電壓低，電流大的源，其場(chǎng)主要表現(xiàn)為磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的Z＜377Ω。電場(chǎng)或磁場(chǎng)都屬于近場(chǎng)（感應(yīng)場(chǎng)、似穩(wěn)態(tài)場(chǎng)、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)場(chǎng)），其干擾頻率一般都比較低。

當(dāng)空氣擊穿放電的電場(chǎng)強(qiáng)度值在500KV/m范圍時(shí)，在從雷擊點(diǎn)至100m的范圍內(nèi)，可能受電場(chǎng)影響耦合產(chǎn)生過(guò)電壓，雖然此時(shí)雷擊主放電尚未發(fā)生。在雷擊發(fā)生之后，雷電電場(chǎng)衰減消失，這時(shí)電場(chǎng)的變化率在500（kV/m）/μs范圍內(nèi)仍起耦合作用。

3．電容耦合：（電場(chǎng)耦合）

任何兩塊金屬之間都存在著電容，其間距越大，電容越小；金屬塊的尺寸越大，電容越大。雷電電場(chǎng)可通過(guò)場(chǎng)的形式（如上一節(jié)所述）耦合干擾設(shè)備。也可以通過(guò)流經(jīng)的導(dǎo)體構(gòu)成騷擾源電路干擾接收線路。由電容耦合在接收電路上產(chǎn)生的電壓U2與雷電流流過(guò)的電路上電壓U1關(guān)系式如下：

U2= Z2/(Xcm+Z2)*U1，說(shuō)明電場(chǎng)耦合量隨頻率升高而增加。

4．橫向干擾（線間）

騷擾電流在導(dǎo)線上傳輸時(shí)有共模方式和差模方式兩種方式。IEC把在一組有效導(dǎo)體中任意兩導(dǎo)體之間的電壓稱為差模電壓或?qū)ΨQ電壓，也叫為橫向電壓，如圖10所示的VL或VQ。差模電壓是由差模電流流過(guò)而產(chǎn)生的，而差模電流則可能因雷擊造成在不同導(dǎo)體（如相線、中性線）流過(guò)大小相同，方向相反的電流。此外，當(dāng)一次雷擊過(guò)程中有多次閃擊時(shí)它們有大小和發(fā)生先后的區(qū)別，因此在不同的導(dǎo)體上也可能產(chǎn)生電位差而侵入設(shè)備，這種橫向干擾又稱錯(cuò)相位雷擊。相對(duì)于橫向干擾的另一種形式為縱向干擾，又稱共模干擾或不對(duì)稱電壓，是指某一導(dǎo)體和所規(guī)定的參比點(diǎn)之間（往往是大地或與大地連接的機(jī)架）出現(xiàn)的相量電壓的平均值，也可以說(shuō)共模干擾是出現(xiàn)于導(dǎo)線與地之間的干擾，常是因地電位升高引起的。

綜上分析，雷電可能閃擊到建筑物上，除部分雷電流沿接地裝置泄散外，尚有部分雷電流可沿進(jìn)入建筑物的各種金屬管線侵入。在高壓輸電線路上發(fā)生雷擊時(shí)，線路上產(chǎn)生的過(guò)電壓也會(huì)沿線路傳送，直到變壓器的低壓側(cè)，造成設(shè)備的損壞。此外，可能通過(guò)各種耦合機(jī)制使設(shè)備誤動(dòng)作或損壞。

雷電防護(hù)區(qū)

按EMC原理將建筑物按需要防護(hù)的空間由表及里劃分為不同的雷電防護(hù)區(qū)（LPZ），有如下實(shí)際意義：

·         可以計(jì)算出各LPZ內(nèi)空間雷擊電磁脈沖的強(qiáng)度，以確認(rèn)是否需采取進(jìn)一步的屏蔽措施。

·         可以確定等電位連接的位置（一般是各LPZ區(qū)交界處）。

·         可以確定在不同LPZ交界處選用電涌保護(hù)器的具體指標(biāo)。

·         可以選定敏感電子設(shè)備的安全放置位置。

·         可以確定在不同LPZ交界處等電位連接導(dǎo)體的最小芯線截面。

IEC61312-1將LPZ分為以下各區(qū)：

LPZ 0A：直擊雷非防護(hù)區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭到直接雷擊和導(dǎo)走全部雷電流，本區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)沒(méi)有衰減，屬完全暴露的未設(shè)防區(qū)。

LPZ 0B：直擊雷防護(hù)區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體很少遭到直接雷擊，但本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)沒(méi)有衰減，屬充分暴露的直擊雷防護(hù)區(qū)。（本區(qū)一般在外部防雷裝置接閃器保護(hù)范圍之內(nèi)，從理論上本區(qū)不可能遭受直擊雷，而事實(shí)上有這種可能）

LPZ 1：第一屏蔽防護(hù)區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，在本區(qū)內(nèi)所有導(dǎo)電部件上的雷電流比LPZ 0區(qū)內(nèi)的電流進(jìn)一步減小。本區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)因屏蔽措施而有所衰減。（本區(qū)一般指在鋼筋結(jié)構(gòu)的建筑物內(nèi)）

LPZ 2：第二屏蔽防護(hù)區(qū)：為了進(jìn)一步減小導(dǎo)電部件上的雷電流和電磁場(chǎng)而引入的后續(xù)雷電保護(hù)區(qū)。

LPZ n：第n屏蔽防護(hù)區(qū)：需要進(jìn)一步減小雷擊電磁脈沖以保護(hù)敏感度水平高的設(shè)備的后續(xù)雷電保護(hù)區(qū)。

對(duì)一座建筑物，可以分為若干個(gè)雷電防護(hù)區(qū)，見(jiàn)圖11，此圖分析了LPZ的劃分并指出了做等電位連接的位置。