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防雷基础知识

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防雷基础知识. —— 农村远程教育工程培训 zl_man@126.com. 避雷针为什么能避雷呢?. 见雷电、雷电危害及防护技术简介第一部分.

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防雷基础知识


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Presentation Transcript
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防雷基础知识

——农村远程教育工程培训

zl_man@126.com

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避雷针为什么能避雷呢?

见雷电、雷电危害及防护技术简介第一部分

  • 有人认为,避雷针在雷雨云的感应下产生尖端放电,能中和掉雷雨云中所带的电荷,从而避免发生雷击。也有人认为,避雷针是吸引闪电电流,并把它导入地下。我们必须弄清楚哪一种说法是正确的,才能设计避雷针,有效地避免雷击。 实验测量表明,避雷针在雷雨云的电场作用下所释放的电量是微不足道的。一根避雷针的尖端放电电流一般只有几个微安,而一次中等的雷击能释放大约25~30库仑的电量。这相当于几千根避雷针在几十分钟内放电的总电量。 富兰克林指出,避雷针在雷暴期间的放电电流太小了,它的作用是把闪电引向自身,并沿着它流入大地,不让闪电电流窜到建筑物的各部分去。
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雷电危害的主要方式
  • 直接雷击的侵袭:雷电直接击中建筑物或暴露在空间的各种设备、各种架空金属线缆(如电力电缆、通信线路、网络布线等)。它可能在数微秒之内产生数万伏乃至数拾万伏的高压,产生电效应、热效应和机械力而致损设备。它的破坏作用极大,但发生的机率不太大。
  • 雷电波侵入(感应雷击的金属管线 通道):雷电虽然未直接击中建筑物或设备,但击中与本建筑物或设备相连的金属管、线,通过传导的方式经电阻性耦合将雷电波引入建筑物内,如自来水管、电源线、天馈线、信号线、航空障碍灯引线等产生的浪涌,损害与之相连接的用电设备、通信设备、计算机网络等设备乃至危害人身安全。
  • 雷击电磁脉冲干扰(简称LEMP) (感应雷击的空间通道) :雷击发生时,由于雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场,使附近导体上感应出很高的电动势,诱发强大的雷击电磁脉冲,经感性耦合、容性耦合或电磁辐射感应出几千伏到几万伏的浪涌过电压,感应高压沿线路进入设备。微电子设备的高度集成化,低工作电平和小工作电流的特点,又带来绝缘强度低,耐过电压、过电流的能力差等致命弱点。从大量受损现场的检测结果看,电子设备受感应雷袭击后,虽然元器件外观是没有明显损坏痕迹的,用仪表测量就会发现是内部已击穿,这种情况表现最为突出的是一些脆弱的集成器件、晶体管等。美国研究报告[AD-722675]指出:当雷电活动时,磁感应强度达到0.07GS时,计算机发生误动作,当磁感应强度超过2.4GS时,计算机发生永久性损坏。因而雷电所产生的雷电电磁脉冲对微电子设备将产生严重的危害。
  • 地电位反击(感应雷击的地线通道) :当设备没有采取等电位接地措施的情况下,由于各接地系统本身的接地途径不同,冲击接地电阻差异,以及在泄放雷击电流时,所通过的雷击电流存在差异,导致地电位升高和不平衡,当地电位差超过设备的抗电强度时,即引起反击,损坏设备。
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防雷系统的思路
  • 泄放是将雷电与雷电电磁脉冲的能量通过大地泄放,并且应符合层次性原则,即尽可能多、尽可能远地将多余能量在引入通信系统之前泄放入地;层次性就是按照所设立的防雷保护区分层次对雷电能量进行削弱。防雷保护区又称电磁兼容分区,是按人、物和信息系统对雷电及雷电电磁脉冲的感受强度不同把环境分成几个区域。保护区序号越高,预期的干扰能量和干扰电压越低。在现代雷电防护技术中,防雷区的设置具有重要意义,它可以指导我们进行屏蔽、接地、等电位连接等技术措施的实施。
  • 均衡就是保持系统各部分不产生足以致损的电位差。由可靠的接地系统、等电位连接用的金属导线和等电位连接器(防雷器)组成一个电位补偿系统,在瞬态现象存在的极短时间里,这个电位补偿系统可以迅速地在被保护系统所处区域内所有导电部件之间建立起一个等电位,这些导电部件也包括有源导线。通过这个完备的电位补偿系统,可以在极短时间内形成一个等电位区域,这个区域相对于远处可能存在数十千伏的电位差。重要的是在需要保护的系统所处区域内部,所有导电部件之间不存在显著的电位差。 
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防雷是综合性的系统工程

   雷电的侵袭是无孔不入的,因此防雷是综合性的系统工程,所采取的技术措施也是多方面的。任何单一的防护措施,其效果都是有限的。这些防护措施和技术可概括为:三个部分(外部防护、过渡防护、内部防护)和五项技术(拦截、屏蔽、均压、分流和接地)。不同部分和各项技术都有其重要作用,相互之间紧密联系,不能将它们割裂开来,也不存在替代性。

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雷电防护系统的组成部分
  • 外部防护,主要解决对建筑物外部空间如何截雷,把雷电流向大地中泄放的问题。由接闪器、引下线、接地体组成,可将绝大部分雷电能量直接导入地下泄放。
  • 过渡防护,由合理的屏蔽、接地、布线组成,可减少或阻塞通过各入侵通道引入的感应。应采用有效屏蔽,重复接地等办法,避免架空导线直接进入建筑物楼内和机房设备,尽可能埋地缆进入,并用金属导管屏蔽,屏蔽金属管在进入建筑物或机房前重复接地,最大限度衰减从各种导线上引入雷电高电压。
  • 内部防护,内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的电子设备(或室外独立电子设备)加装过压保护装置,在设备受到过电压侵袭时,防雷保护装置能快速动作泄放能量,从而保护设备免受损坏。由均压等电位连接、过电压保护组成,可均衡系统电位,限制过电压幅值。
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内部防护(1)电源防雷
  • 电源防雷系统主要是为了防止雷电波通过电源线路而对计算机及相关设备造成危害。为避免高电压经过避雷器对地泄放后的残压过大,或因更大的雷电流在击毁避雷器后继续毁坏后续设备,以及防止线缆遭受二次感应,应采取分级保护、逐级泄流原则。一是在大楼电源的总进线处安装放电电流较大的首级电源避雷器,二是在重要楼层或重要设备电源的进线处加装次级或末级电源避雷器。为了确保遭受雷击时,高电压首先经过首级电源避雷器,然后再经过次级或末级电源避雷器,首级电源避雷器和次级电源避雷器之间的距离要大于5-15米,如果两者间距不够,可采用带线圈(退耦)的防雷箱,这样可以避免次级或末级电源避雷器首先遭受雷击而损坏。
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内部防护(2)信号防雷
  • 由于雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量,因此要求网络通信设备(包括消防报警设备、视频监控设备、计算机网络设备等)能够承受较高能量的瞬时冲击,而目前大部分通信设备由于电子元器件的高度集成化而致耐过压、耐过流水平下降,通信设备在雷电波冲击下遭受过电压而损坏的现象越来越多,其后果是可能造成整个通信系统的运行中断,消防系统失灵等。  对通信系统进行防雷保护,选取适当保护装置非常重要,应充分考虑防雷产品与通信系统匹配。通信接口避雷器考虑的主要因素如下:  ●线路上可能感应的浪涌形式(例如波形、时间参数和最大峰值);●接口电路模拟雷电冲击击穿电压临界指标;●保护对象在正常工作状态下的数据信号电平;●保护装置在模拟雷电冲击下的残压参数指标;●保护装置的耐冲击能力;●系统的工作频率;●保护对象的接口方式;●工作电压。
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内部防护(3)等电位连接
  • 等电位连接的目的,在于减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差,防止雷电反击。将机房内的主机金属外壳,UPS及电池箱金属外壳、金属地板框架、金属门框架、设施管路、电缆桥架、铝合金窗的等电位连接,并以最短的线路连到最近的等电位连接带或其它已做了等电位连接的金属物上,且各导电物之间的尽量附加多次相互连接。
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防雷的常见问题
  • 安装了避雷装置的建筑物是否就万无一失不遭雷击了呢?那不一定。有些高大建筑物虽安装了避雷装置,但因接地线断裂等原因而“有形无用”了。可见要确保避雷装置发挥效能,不但要正确设计、正确安装,还要经常保养,使它经常处于良好状态。
  • 电力布线不规范,有些重要的计算机中心竟然没有分开的保护地极,在接地施工时往往采用零线和地线合一的方式进行操作,这又给设备受雷击损坏增加机会。通过阻性耦合方式产生高达6000伏的瞬间电压经中线及地线破坏设备。
  • 架空的信号线或网络线几乎没有考虑防雷问题,很容易受到感应雷袭击。
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防雷的常见问题
  • 传统避雷针的副作用产生二次感应雷击效应。   当雷电直接击在避雷针、避雷带上时,由于雷电流幅值大,波头陡度高,在雷电流的通道附近形成一个很强的感应电磁场。这强大的感应电磁场将直接感应在电源线或网络通信设备上,形成感应过电压侵入到网络系统中,损坏网络设备。高强度(30KA雷电流)雷电放电可以对距离雷击点1KM范围内网络系统产生电磁感应作用,造成系统设备损坏。据统计,这种感应雷击占计算机雷击事故的70%以上。
  • 在现代防雷工程设计中,应该兼顾建筑物内部的过压防护。
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基于综合防护的七点防雷措施

①选取适宜的接闪方式:雷电能量有50%可直接流入大地,还有50%的能量将通过各种感应方式,平均流入外露的各电气通道(如电源线、信号线和金属管道等)。②安全引导雷电入地:作好雷击电流引下工作,避免雷击电流旁向闪击,最大限度的消除雷电流对电子设备的感应作用。③完善的共地措施:首先是由降阻剂、接地棒和铜带的配合使用,达到更低的地电阻。然后利用地极间的瞬态连接技术,达到电源地、防雷地、保护地和信号地之间的电位平衡,形成共地系统,防止雷电通过接地系统对设备的反击。减少感应雷击对弱电设备的感应损坏。④对重要的电子系统构造“等电位”电位浮岛:在对电子设备的电源、数据、通讯及信号线路进行感应雷防护时,使用直接电气联结或避雷器进行等电位连接,形成水涨船高式的等电位浮岛,雷电侵入时,整个系统的电位同时升降。其目的是防止强大雷电流流经之处的局部高电位与周围设备发生雷电反击(旁侧闪络放电),同时可消除因地电位骤然升高而产生的“地电位反击”事故。⑤迅速分流雷电流:把通过各种线路引入电子系统的雷击电流,通过精心安装的分流系统,安全迅速的分流入地,降低系统的高电压,高速箝位电压达到安全值。⑥全面屏蔽:出入室线路作全面屏蔽,以减轻雷电电磁脉冲的浪涌侵害。⑦定期检测防雷装置:邀请权威检测部门作定期检测。发现问题,及时整改

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防雷设计时引入保护区概念

  从空间上看,雷电作用的区域可以人为的划分成几个不同的保护区:0级防雷区(LPZ0)、1级防雷区(LPZ1)、2级防雷区(LPZ2)等等最外层是0级防雷区(LPZ0),此区域是雷电可以直接击中的区域,危险性最高,越往里,遇受直击雷的危险程度降低。防雷保护区的界面由钢筋混凝土墙等构成的屏蔽层形成。电气通道或穿墙金属管路往往穿越各界面,将雷电电磁脉冲导入其它防雷区域。

LPZ0A──易造受直接雷击,因而可能必须传导全部的雷电流。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)。 LPZ0B──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)。 LPZ1──不易造受直接雷击,但LEMP*比LPZ0B区有衰减(例如钢筋水泥框架结构大楼内部)。 LPZ2──后续防雷区2,较LPZ1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)。 LPZ3──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)。

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将一个需保护空间划分为几个防雷区
  • 根据保护区概念的要求,我们将每一个工程分为外部避雷工程和内部防雷系统。由避雷针或避雷带、避雷网、引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要用于防范LPZ0区的雷害(即保护建筑物免受雷灾)。对于LPZ1区以内的地方,构筑内部防雷系统,其目的在于防范感应雷侵入室内毁坏电子设备。为了实现内部避雷,需将进出室内的电缆、金属管道等作电气连接,不能直接连接的地方用避雷器做等电位连接。
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雷电的分级防护技术
  • 我们通常采用三种元件来抑制雷电引发的浪涌过压,它们是:气体放电管(Gas Tube)、瞬态抑制二极管(SAD—Silicone Avalanche Diode)和金属氧化物压敏电阻(MOV—Metal Oxide Varistor)。但由于雷电引发的过压/过流的数量级很大,以上任何一种元件都不能单独胜任防雷要求,所以我们实行有效的分级防护措施,以达到合理的防雷要求。
  • 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。   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...)   既然雷电对线路的感应和地电位反击是造成设备损坏的最重要的原因,那么就应该在线路中加装设备对瞬态过电流、过电压进行有效的抑制,这种设备被称为避雷器、称浪涌抑制器、防雷保安器等。由于雷电感应主要是通过供电线路和各种信号线破坏设备的,因此对计算机信息系统的防雷保护主要是合理地加装电源和信号避雷器,并进行合理的等电位连接。
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雷击电磁脉冲防护措施
  • (1)大楼通过建筑物主钢筋,上端与接闪器,下端与地网连接,中间与各层均压网或环形均压带连接,对进入建筑物的各种金属管线实施均压等电位连接,具有特殊要求的各种不同地线进行等电位处理。 (2)对计算机通信网络系统在建筑物楼内的布线和接地方式要求:通信电缆以及地线的布放应尽量集中在建筑物的中部。通信电缆线槽以及地线线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁,并与之保持较长的距离,通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能位于距离建筑物立柱或横梁较远的位置。 (3)根据雷电保护区的划分要求,建筑物大楼外部是直接雷击区域;建筑物内部及计算机房所处的位置为非暴露区,越往内部,危险程度越低。雷电过电压对内部电子设备的损害主要是沿线路引入。保护区的界面由外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成的屏敝层形成。电气通道以及金属管等金属构件,穿过各级雷电保护区时必须在每一穿过点做等电位连接。 (4)进入建筑物大楼的电源线和通讯线应在LPZ0与LPZ1、LPZ1与LPZ2区交界处、以及终端设备的前端,根据IEC1312--雷电电磁脉冲防护标准,安装上电源类SPD,以及通讯网络类SPD(瞬态过电压保护器)。SPD是用以防护电子设备因受雷电闪击及其它干扰造成传导电涌过电压危害的有效手段。
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农远工程设计电源防雷为SPD一级

据统计,打雷时,雷电波从电源线侵入将设备击坏的概率高达70-80%,因而,对电源系统要重点防范。电涌保护器(SPD,俗称避雷器)都是并接在电源线上,平常呈高阻状态,它的启动电压高于电源电压,一旦雷电波从电源线感应进来,超过SPD的启动电压,它就会在纳秒级的时间内导通,将雷电波引入大地,而不致窜入设备将设备击坏,而后,又很快恢复到高阻状态,由于SPD的响应时间极快,它既不影响设备正常供电,又能保护设备不被雷击。

方案设计:在配电箱的供电回路并联安装一套单相两摸块SPD作为电源系统的防雷保护。

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馈线    SPD浪涌保护器     接收设备馈线    SPD浪涌保护器     接收设备

农远工程信号系统防雷
  • 防雷设备是为保护卫星天线的同轴浪涌保护器, 属于天馈保护器系列的产品。馈线的防雷:高频头输出电缆,宜穿金属管或紧贴防雷引下线,沿金属天线杆塔体引下。金属管道与电缆外层屏蔽网,应分别与塔杆金属体或避雷针引下线及建筑物的避雷引下线间有良好的电气连接。