铁道信号专业毕业论文（精品pdf） .pdf

毕 业 论 文 毕业设计(论文) 2 目录 第一章 铁路信号设备防雷的重要性 4 第一节 发生的有关雷击事故案例4 第二节 国家对铁路信号设备防雷的计划和方案5 第三节 信号设备防雷的重要意义6 第二章 雷电现象、 特性及参数9 第一节 雷电的概念与对信号设备危害9 第二节 遭受雷击的条件及各项参数 12 第三节 信号设备防雷的措施 15 第三章 防雷装置18 第一节 防雷装置的构成 18 第二节 防雷设备的工作原理 20 第三节 部分防雷产品 23 第四节 防雷装置的发展 24 第四章 铁路信号综合防雷整治25 第一节 铁路信号综合防雷整治25 第二节 防雷和接地装置28 第五章 专用铁路信号设备防雷32 第一节 专用铁路信号设备防雷32 总 结 辞 谢 附 录 毕业设计(论文) 3 摘 要 铁路信号设备需要适合于铁路特定要求的专用防雷保安器 铁路电源设备 专用防雷保安器应当无劣化现象、在雷击损坏时的故障模式为开路模式、必须 为可插拔结构和有较低的残压。因此不能采用可导致续流、短路空气间隙、气 体放电管等元件也不宜单独采用易于劣化的压敏电阻器与电源线并联在 t n 系统也不得采用防护效果差的所谓 3+1 模式防雷配置。 关键词防雷保安器、气体放电管续流、压敏电阻器劣化、3+1 模式 abstract: this paper introduces the special demand of lightning pro tectors for signaling equipments of railway system, and discuss how th e following current of gdt, the faulty mov and 3+1 protection mode influence signal system. key word: lightning protector, following current, faulty mov ,3+1 毕业设计(论文) 4 第一章 铁路信号设备防雷的重要性 防雷与安防是两个不同的行业但却又有着密切的关系同样保护着安全。在安防 领域防雷日益受到重视甚至在许多工程验收过程中防雷已成为必不可少的一项。此 专题的开设是为了让大家系统的了解防雷与安防的关系了解最新的防雷在安防行业的 应用。 第一节 发生的有关雷击事故案例 夏季防雷击 准备要做足 从 3 月份开始我国部分地区就迎来了暴风雨天气相关部门也发出了提醒企业、居 民注意防雷击的警示。然而因雷电造成的伤亡事故依然时有发生。雷击虽是天灾但并非 无法抵御。时至 7 月雷雨天气有增无减这就要求我们更加注意安全作足准备避免 雷击。 六月雷击伤害事故不断 雷电灾害是联合国公布的 10 种最严重的自然灾害之一也是目前中国十大自然灾害之 一。据有关部门估计全世界平均每分钟发生雷暴 2000 次全球每年因雷击造成的人员伤 亡超过 1 万人所导致的火灾、爆炸等事故时有发生严重威胁了人们的生命、财产安全 危害很大。 我国雷暴活动主要集中在每年的 4 月至 8 月。 来自中国气象局的消息据不完全统计每年 6 月份我国都有有人遭雷击身亡为 一年中同期死亡人数较多的月份。从 20 个省区统计上报的雷击死亡人数分析江西省 遭雷击死亡人数最多。 随着气温逐渐增高雷雨天气还将持续数月这就要求各地必须加强防雷工作避免 发生人员伤亡事故。 分析一下 6 月份各省区遭雷击死亡人员分布情况可以发现西北地区少于东北、 华北江南和华南地区人数明显多于北方地区其中江西死亡人数最多。这是因为西北 少雨反之东北、华北等地区多雷雨天气在防雷击工作上更是不容怠慢。 6 月份发生的主要雷击事件有 1海南省文昌市昌洒镇东群村委会的一处西瓜园工棚9 名民工因避雨躲进工棚时 遭到雷击其中2 人受雷击当场倒地死亡2 人手臂遭雷击伤势较重。 2江西萍乡市芦溪县银河镇天柱岗村13 名村民在一凉亭下避雨时遭到雷击导致 2 人死亡 6 人重伤3 人轻伤。6 月 2227 日江西省持续出现雷击死亡灾害共有 19 人死亡。 3湖南永州蓝山县竹市镇上丰头村发生雷击事件12 人被当场击晕经医院及时抢 救已全部苏醒。 4云南昆明突下雷阵雨盘龙区落索坡村的 5 位村民在盘龙江大花桥 2 段的大树下 避雨时被雷击中造成 1 死 3 伤。 这些都是人员伤亡事件雷电同样会造成很多设备设施损坏导致停电、起火等事故。 5重庆遭遇了一次长时间的瓢泼大雨。受雷电、大风影响主城 6 个供电局中沙 毕业设计(论文) 5 坪坝、杨家坪、南岸、北碚供电局共计 66 条 110 千伏、35 千伏、10 千伏输电线路均不同 程度出现了瓷瓶绝缘用被雷击穿、大风刮断电线、保险松动、损坏引发线路跳闸等情 况导致近 22 万市民出现 6-15 小时的电力中断。有的住户也出现了电视机因雷击而损坏 的情况。 而深圳市处于我国南方 也遭受雷电的侵袭。 据统计 深圳已接到多宗雷击事故报告 造成财产损失数百万元。 据统计仅在 2004 年和 2005 年我国发生雷电灾害 19918 起伤亡人数达 3157 人 直接经济损失数十亿元是仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害之后名列第三的气象灾害。雷 电作为我国最严重的三大气象灾害之一给人们带来的损失是不可忽视的无论是煤矿、 化工、电力、建筑还是人们生活、森林防火都会受到夏季雷电的侵害。要保证安全 就要从细节抓起。 近日温家宝总理做出了“提醒各地有关部门加强防雷工作”的重要批示。 从以往的案例可以看出雷电灾害主要原因是因为缺少避雷措施和设备以及避雷知识 导致出现人员伤亡事故。所以就必须从以下两个方面入手来避免雷电灾害。 1、各地须加强防雷工作。尽可能在各类建筑物上安装相应的防雷设备特别是野外的 简易建筑物等更要安装防雷设施。各企业单位要严格执行有关防雷法规通过正规机构来 检测、完善本单位的防雷设施切莫贪图省事和便宜请不法机构来检测和完善防雷设施。 2、加强防雷宣传。在雷雨天气里人不宜在开阔地活动不能到草棚、金属棚中、树 下等地避雨以免遭直接雷击和感应雷击雷雨天不宜靠近建筑物的外墙以及使用电器设 备。如果有单位或居民遭遇雷击意外后应该及时上报气象部门不可瞒报。 而气象部门作为为大家服务的单位也应该做到以下几点 一、是要加强雷电灾害的监测预测工作。 二、是要加强有针对性的服务。雷电灾害多发在农村、山区等偏远地区要将有关雷 电服务信息及时、有效传递到有关人员的手中同时加强对各级政府及有关部门的服务。 三、是要有针对性的加强防雷的管理工作。四是进一步加强雷电轨道的建设。 第二节 国家对铁路信号设备防雷的计划和方案 全国铁路开展信号设备防雷专项整治工作 针对汛期雷雨季节雷害极易发生、直接影响铁路运输安全的严峻现实铁路部门积极 建立防雷责任制切实提高防雷工作标准同时开展信号设备防雷专项整治做好应急处 置工作尽最大努力确保铁路运输生产安全。 据悉进入汛期由雷击造成设备故障影响铁路运输安全的现象较多。仅 6 月份全 路因雷击造成信号设备故障 147 件故障延时 117 个小时。 提高信号设备防雷标准是减少雷害发生的根本。今年铁道部在原有铁路防雷标准 基础上发布了铁路信号设备电磁兼容及雷电电磁脉冲防护实施意见。意见吸取 了我国铁路信号防雷工作多年来的经验并借鉴了国外铁路信号设备防雷方法包含地网 设置、屏蔽设置等综合防护技术措施大大提高了信号设备防雷标准进一步增强了设备 防雷的可操作性。同时意见还规定了防雷设计与施工资质管理、施工验收、质量责 任、雷害处理、产品采购、检查测试等维护与管理方面的内容基本形成了信号设备雷电 综合防护框架。目前铁道部已经发布了信号设计规范正在抓紧制定铁路防雷、 电磁兼容及接地工程技术规范努力提高信号设备防雷的设计和建设水平进一步减少 雷害发生。 毕业设计(论文) 6 雷害发生的重点地区是微电子设备和微电子设备集中的区段。为防止汛期雷害损坏信 号设备铁道部将防雷工作列入今年专项整治内容拨出专款用于六大干线 1078 个站场和 其他干线上 829 个计算机联锁站场的防雷整治。目前铁路六大干线所有车站和其他线路 计算机联锁车站防雷整治工作正在紧张进行内容包括雷击防护、机房屏蔽、地线整治、 加装防雷保安器等。 针对意见中提出的因防雷设施维护或管理不当造成信号设备发生雷害必须列管理 单位责任的规定铁路部门将继续建立防雷逐级负责制和雷害应急预案明确雷电防护装 置的设计、施工、维护和管理等单位及人员的责任做到铁路局、电务段逐级负责尽最 大限度减少雷害对铁路运输生产的影响。 第三节 信号设备防雷的重要意义 防雷与安防是两个不同的行业但却又有着密切的关系同样保护着安全。在安防 领域防雷日益受到重视甚至在许多工程验收过程中防雷已成为必不可少的一项。此 专题的开设是为了让大家系统的了解防雷与安防的关系了解最新的防雷在安防行业的 应用。 现代的安防监控产品均系微电子化产品这些监控设备具有高密度、高速度、低电压 和低功耗等特性。其对各种诸如雷电过电压、电力系统操作过电压、静电放电、电磁辐射 等电磁干扰非常敏感这就使得监控系统设备极易遭受雷击/过电压破坏其后果可能会使 整个监控系统运行失灵并造成难以估计的经济损失和安全方面的风险。为了能够准确、 有效地提供安防监控系统的防雷解决方案我们首先应准确了解安防监控系统的系统构成 进而准确分析安防监控系统遭受雷击损害的主要原因以及可能的雷击过电压的入侵途径。 在此基础上选用合适的防雷保护装置研究和探讨信号、电源线路的合理布放明确屏 蔽及接地方式方可给出准确的、系统的防雷解决方案。有效提高安防监控系统的抗雷击 过电压干扰能力优化系统的整体防雷水平。 北京某地监控系统室外摄像机防雷工程。其闭路监控系统由前端摄像机、视频矩阵 和控制键盘等终端设备及信号传输线路三部分组成。前端摄像机中设有 8 台室外摄像机 全部为室外一体化球形摄像机。其中 4 台在主楼顶层其余 4 台均匀分布在外围广场的 8 根高杆灯柱上。灯柱分布在主体楼四周每个灯柱均采用单独接地体就地接地。室外球机 采用 75 欧视频同轴电缆与中控室视频矩阵相连球机控制线采用两芯屏蔽双绞线每 4 台球机以总线方式连接。所有室外导线均通过预埋地下的 pvc 管路走线。灯柱采用就地接 地接地电阻 1 欧左右满足单独接地小于 4 欧姆的规范要求。避雷器接地端与灯柱子 接地牌相连。 该系统在 2006 年经历了一场强雷暴天气雷暴过后发现安装在灯柱上的 4 台室外球机 全部被雷击损坏。检查发现连接球机的控制线绝缘层已发黑硬化无法再使用。部分视频 避雷器上有击穿痕迹。 从现场环境、避雷器的痕迹以及控制线的损坏情况看这次雷害电流强度很大应该 是一次直击雷的破坏事故。 雷害成因分析 事故发生后某地请我公司为其原有系统进行了雷击分析并为其提出整改意见。导致多 台球机被雷击损坏的根本原因是不同的信号端之间的不共地导致雷直击时在两端产生不 等的地电位而引起设备和线路的损坏。另外原设计施工方案也有以下的一些缺陷 避雷器与室外球机之间的距离过长导致防雷保护效果不佳 关键的控制信号线上没有设置避雷器导致连串的设备损坏 毕业设计(论文) 7 引入中控室设备处信号线没有设置避雷器也会导致中控设备被入侵浪涌损坏。 预埋管采用非金属 pvc 管导致雷击时埋地信号线路屏蔽层与外地产生形成大电位 差造成线路损坏。 对雷害的整改措施 由上可见若采取的防雷措施不合理或考虑不严密防雷就不能起到效果。为了完善 该系统的防雷性能应按以下措施对原防雷系统进行改进 室外球机处的改进措施 室外球机应分别装设单相电源防雷器、视频防雷器控制线防雷器。建议采用专为摄 像机保护设计的专用的一体化避雷器。 室外球机端的避雷器应尽量靠近球机安装从防雷器到球机的线路长度包括接地 线越短越好。 球机的金属外罩、信号线屏蔽层、金属蛇管、电源变压器金属外皮等应与灯柱金属 外壳或者灯柱的接地线形成可靠电气通路保证接地良好。 机房处的改进措施 从外引入的视频线及控制线在接入设备前必须安装相应的信号防雷器防雷器的接 地引线应尽量短。 埋地进入机房的信号金属导线金属管与带屏蔽导线的金属屏蔽层应在引入室内 处进行就地接地与大楼的统一接地网形成良好电气通路接地电阻必须小于 1 欧。 其他接地措施 条件允许时室外通讯线路应考虑穿金属管埋地敷设金属管两端应接地全长应保 持电气连接。 当室外摄像机采用就地接地时接地电阻值越小越好应尽量把接地电阻降到 1 欧 姆以下。 条件允许时应采用埋设截面足够大的扁铁或钢筋将室外摄像机接地与中控室接 地网连通以实现共地。 当室外摄像机接地条件不能满足要求时应采用光纤通讯以避免因金属导线跨越 两个地网而引起的过电压。 防雷设备从类型上看大体可以分为电源防雷器、电源保护插座、天馈线保护器、信 号防雷器、防雷测试工具、测量和控制系统防雷器、地极保护器。 电源防雷器分为 b、c、d 三级。依据 iec国际电工委员会标准的分区防雷、多级保 护的理论b 级防雷属于第一级防雷器可应用于建筑物内的主配电柜上c 级属第二级防 雷器应用于建筑物的分路配电柜中d 级属第三级防雷器应用于重要设备的前端对设 备进行精细保护。 通信线信号防雷器在产品的设计上依据 iec 61644 的要求分为 b、c、f 三级。b 级base protection基本保护级粗保护级c 级combination protection综合 保护级f 级medium&fine protection中等/精细保护级。 优点种类型号多防护齐全。 缺点产品价格相对较高。 在安防行业除了要选用合格的防雷产品外系统地良好接地和施工的合理规范也是 做好防雷的必要条件。 所有防雷保护系统均应有可靠、有效的接地。接地系统亦是防雷保护的必要组成部分 之一。 安防监控系统前端、终端设备均应有良好的防雷接地相应接地系统应符合规范要求。 一般独立于监控机房所在建筑物的前端设备均须设有独立接地。但在此需要特别指出的是 毕业设计(论文) 8 无论前端还是终端设备的接地系统如果距离小于 20 米的情况两个接地系统之间应做等 电位连接。 施工时沿墙敷设应注意的问题 许多布线人员因对防雷知识了解有限或者图简单方便习惯于将户外走线线路与 建筑物避雷带、引下线相互捆绑。方便了工程施工与美观的同时也带来了较大的防雷安 全隐患。这一点是值得重视和注意的。为减小雷害风险任何导线/金属线路均应尽可能避 免与直击雷防护系统平行捆扎而应依有关规范要求合理布线。 目前安防工程防雷系统设计原则一般依据如下 雷击破坏途径 cctv 电视监控系统如果遭受雷击将可能由以下几种途径对系统产生破坏。 直击雷雷电直接击在露天的摄像机上造成设备损坏雷电直接击在架空线缆上造 成线缆熔断。 雷电波侵入cctv 的电源线、信号传输或进入监控室的金属管线遭到雷击或被雷电 感应时雷电波沿这些金属导线侵入设备造成电位差使设备损坏。 雷电感应当雷击中避雷针时在引下线周围会产生很强的瞬变电磁场。处在电磁场 中的监控设备和传输线路会感应出较大的电动势。这种现象叫电磁感应。 当有带电的雷云出现时在雷云下面的建筑物和传输线路上都会感应出与雷云相反的 电荷。这种感应电荷在低压架空线路。 毕业设计(论文) 9 第二章 雷电现象、特性及参数 现代防雷保护包括外部防雷保护(建筑物或设施的直击雷防护)和内部防雷保护(雷电 电磁脉冲的防护)两部份外部防雷系统主要是为了保护建筑物免受直接雷击引起火灾事故 及人身安全事故而内部防雷系统则是防止雷电波侵入、雷击感应过电压以及系统操作过 电压侵入设备造成的毁坏这是外部防雷系统无法保证的。 第一节 雷电的概念与对信号设备危害 雷电的产生 雷电是自然界中一种常见的放电现象。关于雷电的产生有多种解释理论通常我们认 为由于大气中热空气上升与高空冷空气产生摩擦从而形成了带有正负电荷的小水滴。 当正负电荷累积达到一定的电荷值时会在带有不同极性的云团之间以及云团对地之间形 成强大的电场从而产生云团对云团和云团对地的放电过程这就是通常所说的闪电和响 雷。 具体来说冰晶的摩擦、雨滴的破碎、水滴的冻结、云体的碰撞等均可使云粒子起电。 一般云的顶部带正电底部带负电两种极性不同的电荷会使云的内部或云与地之间形成 强电场瞬间剧烈放电爆发出强大的电火花也就是我们看到的闪电。在闪电通道中电 流极强温度可骤升至 2 万摄氏度气压突增空气剧烈膨胀人们便会听到爆炸似的声 波振荡这就是雷声。 而对我们生活产生影响的主要是近地的云团对地的放电。经统计近地云团大多是 负电荷其场强最大可达 20kv/m。 雷电的危害 雷暴可以使铁路信号系统设备损坏或失效影响列车运行的正常秩序同时带来较大 的直接和间接经济损失。由雷暴造成的自然灾害被称为雷害。导致铁路信号系统雷害的有 雷电直击或称直击雷和雷电感应或称感应雷。雷电直击是雷云直接通过地面物体 放电并产生电效应、热效应和信号系统设备雷害的主要原因。雷电感应是雷电放电的强大 毕业设计(论文) 10 电磁场在邻近铁路信号系统导线或系统设备内产生的电磁感应脉冲该电磁感应脉冲产生 的过电压和过电流幅值并不太高但由于现代铁路信号系统设备采用了大量微电子设备 微电子设备耐过电压和过电流的能力很低雷电感应引起的电磁感应脉冲可以造成雷害。 雷电感应发生概率较大一般雷电直击点周围半径 1km 左右都会产生雷电电磁脉冲。雷电 感应是铁路信号设备防护的重点因此铁路信号防雷设备主要用来防止雷电感应造成的 雷害。 雷电具有很大的破坏力和多种破坏作用。雷电对物体的危害性可归纳为直接雷击、雷 电副作用、雷电波引入、反击四种形式其破坏作用主要表现为放电时所显示的各种物理 效应和作用。 (一) 电效应 落地雷具有数万甚至数十万、数千万伏特的冲击电压足以烧毁电力系统的发电机、 变压器、断路器等设备及电气线路引起绝缘击穿而发生短路从而影响信号设备的正常 使用。 (二) 热效应 落地雷的电流一般为几十至几千安培有的峰值电流高达数万安培至 10 万安培。当这 种强大的“雷击电流”通过导体时在极短的时间内转换为大量的热能。雷击点的热能通 常为 5002000j严重时能够击穿信号电缆造成混线故障而影响行车。 (三) 机械效应 雷电效应将使物质和各种结构缝隙里的气体剧烈膨胀同时使水分蒸发其他物质分 解为气体这就造成雷击物内部出现强大的机械压力致使雷击物遭受严重破坏。 (四) 静电效应 雷云放电云与大地的电场消失但金属物上的感生电荷却不能立即逸散产生很高 的对地静电感应电压。静电感应电压往往高达几万伏特可以击穿数十厘米的空气间隙而 发生火花放电。 (五) 电磁感应 具有很高电压和很大电流发生时间极短的雷电在它周围空间将产生强大的交变磁 场。处于这一磁场中的导体感生出较大的电动势还会在闭合回路的导体中产生感应电流 如果导体中有的地方接触电阻较大时就会局部发热或发生火花放电。 (六) 雷电波侵入 当雷击架电力线路、金属管路时产生的冲击电压使雷电波沿着线路或管道迅速传播 当侵入建筑物内时可造成分配电装置和电气线路绝缘击穿而产生短路。此种雷电灾害占 整个雷电灾害的 50%70%以上。 (七) 反击 当建筑物或构筑物防雷装置等遭受雷击时其内外的电气线路、金属管道等可具有很 高的电压如其间距较近时可产生火花放电这种现象叫做反击。反击可能引起电气绝 缘破坏金属管路烧穿等。 雷电的概念 在雷雨季节里常会出现强烈的光和声这就是人们常见的雷电。雷电是一种大气中 放电的现象虽然放电作用时间短但放电时产生数万伏至数十万伏冲击电压放电电流 可达几十到几十万安培电弧温度也可达几千度以上对建筑群中高耸的建筑物及尖形物、 空旷区内孤立物体以及特别潮湿的建筑物、屋顶内金属结构的建筑物及露天放置的金属设 备等有很大威胁可能引起倒塌。起火等事故。特别是在华南地区年雷暴日常会达到 80 天甚至更多频繁的雷击会造成生命和财产的巨大损失。由于暖湿空气的剧烈运动天空 中的云层可以带电。带异性电荷的雷云间会发生云间放电天空中雷云会对大地放电以 毕业设计(论文) 11 达到中和云层中电荷的目的。带电雷云放电这一极普通的自然现象即为雷暴。雷暴的本质 是电现象因此雷暴又称雷电。中国是一个多雷暴的国家大部分地区年平均雷暴日在 40 以上广东、广西、福建、云南、海南等地平均雷暴日在 80 左右有的地方雷暴日还可达 100 以上。雷电从发生到结束作用时间极短一般仅若干微秒是一种瞬态现象。人们将瞬 态现象称为浪涌surge雷电又被称为雷浪涌。雷电的危害一般分为两类一是雷直接 击在建筑物上发生热效应作用和电动力作用二是雷电的二次作用即雷电流产生的静电 感应和电磁感应。因此我们要作好防雷措施。 因此安装在铁路信号系统内的信号防雷设备必须保证信号系统的正常工作在雷电电 磁脉冲侵入时应能及时限制雷电压和将雷电流引导入地。 雷电引起的雷击是夏季常见的一种自然现象。雷电对于人类的危害一般分为 3 种直 击雷、雷电波侵入和感应雷击。直击雷是指雷电直接击中建筑、树木、大地、防雷装置或 人体直接雷击声光并发咄咄逼人老幼皆知雷电波侵入是指雷电对架空线路和金属 管线作用雷电波可能沿着这些管线侵入屋内危及人身安全或损坏设备而感应雷击悄 悄发生不易察觉后果严重直接雷击与感应雷击破坏的对象不同直击雷主要击坏放 电通路上的建筑物、输电线击死击伤人畜等感应雷主要破坏电子设备。最近我油田近 百起电脑上网用户、电视机遭受雷击事件就是感应雷击、雷电波侵入所造成的。专家提 醒感应雷击正呈明显上升趋势80%的雷击事故都是由它引起的但目前人们对这种隐性 雷电灾害的认识比较差不少人没有意识到要防护该怎么防护。特别是不少住宅小区 基本属于防雷工作的盲区。以往认为建筑物上只要安装了避雷针就能避免雷击的传统防 雷观念要改变城镇防雷重点应在防止“感应雷击”上。 感应雷击是由于雷雨云的静电感应或放电时的电磁感应作用使建筑物上的金属物件 如管道、钢筋、电线、反应装置等感应出与雷雨云电荷相反的电荷造成放电所引起。 一台电子设备招引感应雷击的通道主要有 3 条1、天线、馈线引入2、电源线路引入3、 信号线路引入。 对于建筑物中电子设备群体来说引入感应雷的通道主要有 6 条 1、建筑物中一切电子设备的天线、馈线、电源线、信号线、接地线都是建筑物的进雷 通道 2、出入建筑物中各种电源线路及建筑物内部“长”距离信号线路 3、具有公共接地的建筑物中的一切金属管道在直接雷电流流经其上时其周围产生 的磁场涡流在金属表面感应出来的雷电冲击波 4、雷电放电时在金属表面感应出来的雷电冲击波 5、直接雷击落雷点建筑物的雷电高位冲击 6、直接雷击落雷点建筑物的雷电反冲电流。这种电流可通过相邻建筑物的接地线路进 入其电子设备使电子设备的机壳和机芯之间产生放电现象而损坏。 自然界每年都有几百万次闪电。雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的 十种自然灾害之一。最新统计资料表明雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。 全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。据不完全统计我国每年因雷击以及 雷击负效应造成的人员伤亡达 30004000 人财产损失在 50 亿元到 100 亿元人民币。 雷电灾害所涉及的范围几乎遍布各行各业。现代电子技术的高速发展带来的负效应 之一就是其抗雷击浪涌能力的降低。以大规模集成电路为核心组件的测量、监控、保护、 通信、计算机网络等先进电子设备广泛运用于电力、航空、国防、通信、广电、金融、交 通、石化、医疗以及其它现代生活的各个领域以大型 cmos 集成元件组成的这些电子设备 普遍存在着对暂态过电压、过电流耐受能力较弱的缺点暂态过电压不仅会造成电子设备 产生误操作也会造成更大的直接经济损失和广泛的社会影响。 毕业设计(论文) 12 雷击造成的危害主要有四种 1直击雷 带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象称为直击雷。它的破坏力十分巨 大若不能迅速将其泻放入大地将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严 重的破坏或损害火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁甚至危及人畜的生命安全。 2雷电波侵入 雷电不直接放电在建筑和设备本身而是对布放在建筑物外部的线缆放电。线缆上的 雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散侵入并危及室内电子设备和自动化控制等 各个系统。因此往往在听到雷声之前我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。 3感应过电压 雷击在设备设施或线路的附近发生或闪电不直接对地放电只在云层与云层之间发 生放电现象。闪电释放电荷并在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过 电压。 雷击放电于具有避雷设施的建筑物时雷电波沿着建筑物顶部接闪器避雷带、避雷 线、避雷网或避雷针、引下线泄放到大地的过程中会在引下线周围形成强大的瞬变磁 场轻则造成电子设备受到干扰数据丢失产生误动作或暂时瘫痪严重时可引起元器 件击穿及电路板烧毁使整个系统陷于瘫痪。 4系统内部操作过电压因断路器的操作、电力重负荷以及感性负荷的投入和切除、 系统短路故障等系统内部状态的变化而使系统参数发生改变引起的电力系统内部电磁能 量转化从而产生内部过电压即操作过电压。 操作过电压的幅值虽小但发生的概率却远远大于雷电感应过电压。实验证明无论 是感应过电压还是内部操作过电压均为暂态过电压或称瞬时过电压最终以电气浪 涌的方式危及电子设备包括破坏印刷电路印制线、元件和绝缘过早老化寿命缩短、破坏 数据库或使软件误操作使一些控制元件失控。 5地电位反击 如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施接地网的地电位会在数微秒之内被 抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分流向供电系统或各 种网络信号系统或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统从 而反击破坏或损害电子设备。同时在未实行等电位连接的导线回路中可能诱发高电位 而产生火花放电的危险。 第二节 遭受雷击的条件及各项参数 雷击强度的定义和统计 1、电强度 ng 定义一个地区的雷电强度是以雷暴日 td 来计算的。 雷暴日在一个地区在一天内只要听到一个雷声就算一个雷暴日。 雷电强度的划分 td15 天少雷区 td40 天多雷区 td90 天强雷区。 如 杭州地区为 39 天海南为 130 天。 雷电强度经验公式 ng=0.024(td )1.3 2、雷电强度概率 p 我国对 td40 天的地区统计lgp=-i / 108。如果 i=100ka则 p=12%。表明我国是 一个多雷击灾害的地区。 毕业设计(论文) 13 我国雷电流幅值的概率曲线如下 在雷雨季节里常会出现强烈的光和声这就是人们常见的雷电。雷电是一种大气中 放电的现象虽然放电作用时间短但放电时产生数万伏至数十万伏冲击电压放电电流 可达几十到几十万安培电弧温度也可达几千度以上对建筑群中高耸的建筑物及尖形物、 空旷区内孤立物体以及特别潮湿的建筑物、屋顶内金属结构的建筑物及露天放置的金属设 备等有很大威胁可能引起倒塌。起火等事故。特别是在华南地区年雷暴日常会达到 80 天甚至更多频繁的雷击会造成生命和财产的巨大损失。雷电的危害一般分为两类一是 雷直接击在建筑物上发生热效应作用和电动力作用二是雷电的二次作用即雷电流产生 的静电感应和电磁感应。因此我们要作好防雷措施。 灾危险性 1雷电流高压效应会产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击电压如此巨大的电压瞬间 冲击电气设备足以击穿绝缘使设备发生短路导致燃烧、爆炸等直接灾害。 2雷电流高热效应会放出几十至上千安的强大电流并产生大量热能在雷击点的热 量会很高可导致金属熔化引发火灾和爆炸。 3雷电流机械效应主要表现为被雷击物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂等现象导致财 产损失和人员伤亡。 4。雷电流静电感应可使被击物导体感生出与雷电性质相反的大量电荷当雷电消失来 不及流散时即会产生很高电压发生放电现象从而导致火灾。 5雷电流电磁感应会在雷击点周围产生强大的交变电磁场其感生出的电流可引起变 电器局部过热而导致火灾。 6雷电波的侵入和防雷装置上的高电压对建筑物的反击作用也会引起配电装置或电气 线路断路而燃烧导致火灾。 雷电保护区域的划分 根据 iec61312-1 防雷分区的定义将需要保护和控制雷击电磁环境的建筑物空间从 外部对内部划分为多个不同的雷电防护区域lpz以规定各部分 lpz 空间内的雷电电磁 脉冲lemp的强度变化的严重程度以便采取不同的防护措施。如附图所示对于一个 保护对象从电磁兼容的角度出发可由外到内分为几级保护区域建筑物外部是直接雷 击的区域在这个区域内的设备最容易遭受损害危险性最高是暴露区域称为 0 区。 毕业设计(论文) 14 而 0 区内的各类物体都可能遭到直接雷击且电磁场没有衰减属于完全暴露的不设防的 直击雷防护区域称为 lpz0a 区各类建筑物如天线、热泵机组很少遭到直接雷击但本 区电磁场没有衰减属于充分暴露的直击雷防护区域称为 lpz0b 区。建筑物内部及电气设 备不可能遭到直接雷击流经各类设备导体的电流比 lpz0b 区进一步减少由于建筑物的 屏蔽措施其建筑物内部设备的金属外壳所处的位置为非暴露区可将其称为 lpz1 区、 lpz2 区越往内部危险程度越低雷电过电压主要是沿线引入。保护区的界面通过外部 的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等构成的屏蔽层而形成的电气通道以及金 属管道等则通过这些界面。 1、 保护区域的划分 雷电保护区 lpzoa 该区内的各物体都可能遭受直接雷击同时在该区内雷电产生的电磁场能自由传播 没有衰减。 雷电保护区 lpzob 该区内的各种物体在接闪器保护范围内不会遭受直接雷击但该区内的雷电电磁场 因没有屏蔽装置雷电产生的电磁场也能自由传播没有衰减。 雷电保护区 lpzii=12. 当需要进一步减少雷电流和电磁场时应引入后续防雷区并按照需要保护的系统所 需求的环境选择后续防雷区的要求条件。 保护区域 不同保护级别防雷器的安装位置 雷害影响 b 级 (首级) c 级 (次级) d 级 (末级) 遭受直击雷 磁场 传播衰减 oa 区 接闪器保 护范围外 可能 没有 ob 区 接闪器保 护范围内 不会 没有 1 区 0 区与 1 区间的 界面 不会 有 i 区 (=2,3,) 1 区与 i 区 间的界面 重要设备 前端 不会 进一步 衰减 2、 雷器分级保护原理 iec61312 定义了防雷的保护分区根据保护分区的要求需要在每个分区的交界处安 装相对应的防雷器在 lpzob 区与 lpz1 区的交界处安装 b 级(即首级)防雷器在 lpz1 区 与 lpz2 区的交界处安装 c 级(即次级)防雷器在 lpz2 区内的设备前端安装 d 级(即末级) 防雷器。其工作原理是利用分级的防雷器层层泄放雷电或感应过电压逐级减低浪涌 电压从而保护用户端设备。 vde 0675 对 b、c、d 三级防雷器保护水平的要求如下 毕业设计(论文) 15 防雷器 保护水平 防雷器安装等级 级电源防雷器 6kv 级电源防雷器 4kv 级电源防雷器 2.5kv 级电源防雷器 1.5kv 级防雷器一般采用具有较大通电流的防雷器可以将较大的雷电流泄放入地达到 限流的目的同时将危险过电压减小到一定的程度。 、级防雷采用具有较低残压的防雷器可以将线路中剩余的雷电流泄放入地达 到限压的效果使过电压减小到设备能承受的水平。 第三节 信号设备防雷的措施 雷电防护措施 1、雷害 1、直接雷直接侵入设备或与设备相关联的传输线上的雷电。但袭击信号设备的 概率很小。 2、感应雷由于电磁感应作用在电气设备上感应出的雷电压在设备中流过感 应电流。 其又分为纵向和横向感应雷两种。 感应雷发生机率高 袭击信号的次数相当频繁。 2、雷电侵入信号设备的主要途径 1由交流电源侵入 雷电冲击波侵入高压电线路传至高压变压器若未装设避雷器 或其失效容易侵入低压设备。 2、轨道电路 轨道电路用钢轨作为传输线它一般高出地面容易遭雷击。 3、由电缆侵入 铁路信号的室内、室外设备通过电缆连接起来雷电从电缆侵入 并传输至室内设备。 3、纵向电压和横向电压 纵向电压指导线或设备对地电压每条导线上的折射电压或反射电压。 横向电压指两 导线间的电位差。 这两种电压对人身安全和信号设备的正常运行都会带来极大的危害。纵 向过电压将使设备绝缘闪络、击穿甚至起火。横向过电压回击穿、烧毁信号设备尤其是 电子器件。 4、信号设备的防雷 1信号设备的防雷要求 在有雷电活动的地区交流电源外线、电子设备、轨道检 查装置、遥信遥控设备等与外线连接的信号设备必须装设防雷装置。 不同雷电活动地区 应采取相应的防雷措施。 2信号设备雷电防护的原则 防雷装置和被防护设备之间绝缘应匹配将雷电感应 电压限制到被保护的冲击耐压水平以下。正常情况下防雷装置不应影响被防护设备的工 作受雷电干扰时应保证信号设备不得错误动作。 采用多级防护时各级防护元件应配 置合理。 3信号设备防雷元件的安装和设备的要求 外部防护用防雷元件宜安装在线路终端。 安装应牢固可靠便于检测集中安装。 综合防雷措施 现代防雷保护包括外部防雷保护(建筑物或设施的直击雷防护)和内部防雷保护(雷电 毕业设计(论文) 16 电磁脉冲的防护)两部份外部防雷系统主要是为了保护建筑物免受直接雷击引起火灾事故 及人身安全事故而内部防雷系统则是防止雷电波侵入、雷击感应过电压以及系统操作过 电压侵入设备造成的毁坏这是外部防雷系统无法保证的。 防雷是一个很复杂的问题不可能依靠一、二种先进的防雷设备和防雷措施就能完全 消除雷击过电压和感应过电压的影响必须针对雷害入侵途径对各类可能产生雷击的因 素进行排除采用综合防治接闪、均压、屏蔽、接地、分流保护才能将雷害减 少到最低限度。 1、接 闪 接闪装置就是我们常说的避雷针、避雷带、避雷线或避雷网接闪就是让在一定程度 范围内出现的闪电放电不能任意地选择放电通道而只能按照人们事先设计的防雷系统的 规定通道将雷电能量泄放到大地中去。 、均 压 接闪装置在接闪雷电时引下线立即产生高电位会对防雷系统周围的尚处于地电位 的导体产生旁侧闪络并使其电位升高进而对人员和设备构成危害。为了减少这种闪络 危险最简单的办法是采用均压环将处于地电位的导体等电位连接起来一直到接地装 置。室内的金属设施、电气装置和电子设备如果其与防雷系统的导体特别是接闪装置 的距离达不到规定的安全要求时则应该用较粗的导线把它们与防雷系统进行等电位连接。 这样在闪电电流通过时室内的所有设施立即形成一个“等电位岛”保证导电部件之间 不产生有害的电位差不发生旁侧闪络放电。完善的等电位连接还可以防止闪电电流入地 造成的地电位升高所产生的反击。 为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差就特别需要实行等电位连接电源线、信 号线、金属管道等都要通过过压保护器进行等电位连接各个内层保护区的界面处同样要 依此进行局部等电位连接并最后与等电位连接母排相连。 毕业设计(论文) 17 3、屏 蔽 屏蔽就是利用金属网、箔、壳或管子等导体把需要保护的对象包围起来使雷电电磁 脉冲波入侵的通道全部截断。所有的屏蔽套、壳等均需要接地。 屏蔽是防止雷电电磁脉冲辐射对电子设备影响的最有效方法。 4、接 地 接地就是让已经内入防雷系统的闪电电流顺利地流入大地而不能让雷电能量集中在 防雷系统的某处对被保护物体产生破坏作用良好的接地才能有效地泄放雷电能量降低 引下线上的电压避免发生反击。 过去有些规范要求电子设备单独接地目的是防止电网中杂散电流或暂态电流干扰设 备的正常工作。90 年代以前部队的通信导航装备以电子管器件为主采用模拟通信方式 模拟通信对干扰特别敏感为了抗干扰所以都采取电源与通信接地分开的办法。现在 防雷工程领域不提倡单独接地。在 iec 标准和 itu 相关标准中都不提倡单独接地美国标 准 ieeestd1100-1992 更尖锐地指出 不建议采用任何一种所谓分开的、 独立的、 计算机的、 电子的或其它这类不正确的大地接地体作为设备接地导体的一个连接点。防雷接地是防雷 系统中最基础的环节也是防雷安装验收规范中最基本的安全要求。接地不好所有防雷 措施的防雷效果都不能发挥出来。 5、分流保护 这是现代防雷技术迅猛发展的重点是保护各种电子设备或电气系统的关键措施。 所谓分流就是在一切从室外来的导体包括电力电源线、数据线、电话线或天馈线等 信号线 与防雷接地装置或接地线之间并联一种适当的避雷器 spd当直击雷或雷击效应在 线路上产生的过电压波沿这些导线进入室内或设备时避雷器的电阻突然降到低值近于 短路状态雷电电流就由此处分流入地了。雷电流在分流之后仍会有少部份沿导线进入 设备这对于一些不耐高压的微电子设备来说是很危险的所以对于这类设备在导线进入 机壳前应进行多级分流即不少于三级防雷保护。 现在避雷器的研究与发展也超出了分流的范围。有些避雷器可直接串联在信号线或 天线的馈线上它们能让有用信号顺畅通过而对雷电过压波进行阻隔。 采用分流这一防雷措施时应特别注意避雷器性能参数的选择因为附加设施的安装 或多或少地会影响系统的性能。比如信号避雷器的接入应不影响系统的传输速率天馈避 雷器在通带内的损耗要尽量小若使用在定向设备上不能导致定位误差。 、躲 避 在建筑物基建选址时就应该躲开多雷区或易遭雷击的地点以免日后增大防雷工程 的开支和费用。 当雷电发生时关闭设备拔掉电源插头。 毕业设计(论文) 18 第三章 防雷装置 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因此必须在网络通信口处加装必要的防雷保护装置以确保网络通 信系统的安全运行。 第一节 防雷装置的构成 1防雷装置 防雷装置由接闪器、引下线和接地体三部分组成其作用是防止直接雷击或将雷电流 引入大地以保证人身及建构筑物安全。 接闪器包括避雷针、避雷线、避雷网、避雷带、避雷器等是直接接受雷击的金属部 分。避雷针一般设在高层建筑物的顶端和烟囱上保护建筑物兔受直接雷击避雷线常用 来架设在高压架空输电线路上以保护架空线路免受直接雷击也可用来保护较长的单层 建构筑物。避雷网和避雷带普遍用来保护建筑物免受直接雷击和感应雷。 引下线是避雷保护装置的中段部分。上接接闪器下接接地装置。一般敷设在建筑物 的外墙并经最短线路接地。每座建筑物的引下线一般不少于两根。 接地装置包括埋设在地下的接地线和接地体在腐蚀性较强的土壤中应采取镀锌等 防腐措施或加大截面。 避雷器是防止雷电过电压侵袭配电和其他电气设备的保护装置。避雷器安装在被保护 设备的引入端其上端接在架空输电线路上下端接地。其中阀型避雷器是保护变、配电 装置常用的一种避雷装置管型避雷器一般是用于线路上保护间隙是最简单最经济的防 雷装置俗称简单避雷器一般安装在线路的进户处用来保护电度表等设备。 2防雷装置在工业与民用建构筑物上的具体应用. 1 业建筑按防雷要求的划分 第一类工业建筑指凡建筑物中制造、使用或储存大量的爆炸性物质因电火花而引起 爆炸会造成巨大破坏和人员伤亡者o 区或 10 区爆炸危险场所。 第二类工业建筑是指凡建筑物中制造、使用或储存爆炸性物质但电火花不易引起爆 炸或不致造成巨大破坏和人身伤亡者区或 11 区爆炸危险场所。 第三类工业建筑物是根据雷击后对工业生产的影响并结合当地气象、地形、地质及 周围环境等因素建筑物体计算雷击次数 n0.01 的 2 区爆炸危险场所根据建筑物体计 算雷击次数 n0.05并结合当地雷击情况确定需要防雷的建筑物多雷地区较重要的建 筑物高度在 15 米及 15 米以上的烟囱、水塔等孤立高耸建筑物每年平均雷暴日天数不 超过 15 天的地区高度可限为 20 米。 2民用建筑物按防雷要求划分 第一类是指国家级重点文物保护的建筑物具有特别重要用途的建筑物、建