雷电对计算机网络及机房的危害.ppt

雷电对计算机网络及机房的危害 直击雷雷电波侵入雷电电磁脉冲地电位反击传播途径网络及机房设备抗干扰分析雷电灾害实例分析 随着现代化进程的加快 特别是信息产业的迅猛发展 自动控制 通信和计算机网络等微电子设备和电子系统在气象行业内外得到日益增加的广泛应用 雷击事故带来的损失和影响也越来越大 尤其是在经济发达国家和地区 雷击造成的电子设备直接经济损失达雷电灾害总损失的80 以上 雷电灾害已成为联合国公布的10种最严重的自然灾害之一 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 爆炸等时有发生 1995年 德国一保险公司雷电灾害赔款是火灾和水灾的近10倍 高居首位 2003年8月14日 美国东北部和加拿大发生大面积停电 其原因可能是闪电击中美国纽约州北部一家电厂并引起火灾 雷电灾害被列为 电子时代的一大公害 雷电灾害 也是目前中国十大自然灾害之一 据统计 我国有21个省 区 市雷暴日在50天以上 最多的可达134天 雷暴给人们生活带来了极大的安全隐患 尤其是近年来 中国社会经济 信息技术特别是计算机网络技术发展迅速 城市高层建筑日益增多 雷电危害造成的损失也越来越大 仅1998年和1999年两年的统计 中国因雷击造成的直接经济损失达百万元以上的有38起 每年因雷电灾害伤亡的人员约为3000 5000人 造成的财产损失在70 100亿元左右 我国的雷电灾害损失80 以上涉及电子 通讯和配电系统 如 2000年8月18日12时56分 一次闪电造成上海证劵交易所卫星地面站机房遭雷击 致使股票交易行情传输中断54分钟 总之雷电可以通过各种途径危害地面的物体和人畜 雷电事故 既造成巨大的经济损失 也给社会带来难以估量的间接损失 对社会影响很大 归纳起来 雷电的危害如图3 1所示 它包括直接雷击的危害和雷击电磁脉冲的危害 第一节直击雷的危害 一 直击雷又叫直接雷击当雷云较低 且周围又没有带异性电荷的云层 则雷云就会通过距离其最近的物体以波速向大地放电 这就是直接雷击 二 雷电流的热效应及其危害在雷云对地放电时 强大的雷电流从雷击点注入被击物体 由于雷电流幅值高达数十至数百千安 其热效应可以在雷击点局部范围内产生高达6000 10000 C 甚至更高的温度 能够使金属熔化 树木 草堆引燃 当雷电波侵入建筑物内低压供配电线路时 可以将线路熔断 这些由雷电流的巨大能量使被击物体燃烧或金属材料熔化的现象都属于典型的雷电流的热效应破坏作用 如果防护不当 就会造成灾害 1 雷击点处的热量现代建筑 高层 金属结构 兼作防雷装置 引导雷电流 雷电流作用 对金属物体的破坏作用必须考虑 雷击金属物时 雷电放电通道直接与金属物接触 在雷击点产生的热量可以通过在雷电流持续时间内的积分来计算 即 3 1 式中W 热量 J UAR 金属物体上雷击点处电弧压降 其经验值取为20 30V i 从雷击点注入金属物体的雷电流 A 上式中 考虑到UAR近似取为常数 并代入电荷表达式式式中Q 电荷量 C 由上式可知 在雷击点处产生的热量与雷电放电通道注入的电荷量成正比 雷云对地放电具有随机性 雷击时放电通道注入地面被击物体的电荷量也是个随机量 其概率分布如图3 3所示 图3 3注入电荷的概率分布量 全部雷击过程 仅首次雷击1 正雷 2 负雷 雷电流热效应的计算由于雷电流的作用时间很短 在计算 3 2 雷击点处的温升以及雷电流通过金属物体所产生的温升时 均可以忽略散热的影响 于是雷击点处的温度升高可表示为式中 T 温升 m 金属物体质量 比热 J 当温升值过高时 就会造成金属的熔化 由试验和理论计算 可估计出注入单位电荷作用下几种常用金属的熔化体积当量为 铝 12mm3 c 铜 5 4mm3 c 钢 4 4mm3 c 在通常情况下 雷电流幅值虽然很高 但其作用时间却很短 只能产生局部瞬时的高温 使雷击点处局部小面积的金属发生熔化 对于大面积的金属物体 雷电流热效应的熔化能力是相当有限的 如果金属屋面和金属罐等大型物体的钢板壁厚超过4mm时 则可直接承受雷击 即可用于接受直击雷电流 在建筑物遭受雷击后 雷电流会沿建筑体内各种金属导体通路流入大地 由于金属体自身存在着电阻 雷电流流过它们时也会产生热量 这种热量可表示为 3 3 式中R 金属式中R 金属导体电阻 i 雷电流 A 在防雷分析中 常用单位欧姆热量这一参数 其表达式为式中W R 单位欧姆热量 J W 由于雷电流具有随机性 W R也是个随机量 图3 3给出了它的概率分布 图3 3W R的概率分布1 正雷 2 负雷 实际上 当雷电流流过建筑体内的金属物体 如各种结构钢筋或铝合金导条等 时 所产生的热效应温升常不足以使这些导体熔化 这是因为从雷击点经过分流后 流过各导体通路的雷电流将减小 而导体通路的尺寸又较大 但如果雷电流侵入建筑物内电气或电子线路时 往往会使它们熔断 因为这些线路的导体截面较小 难以耐受雷电流的热效应 另外 从式 3 3 还可以看出 严重的热效应还会出现在雷电流通路上有较高电阻的地方 特别是那些引流导体之间的接触不良处 在这些地方常可能出现金属熔化 有时甚至出现熔体飞溅 这种飞溅熔体产生的火花对存储易燃易爆物品的建筑物来说 是极具危害性的 2 雷电流的电效应及其危害 雷电的直接破坏作用除了热效应外 还有电效应和冲击波 在雷云对地放电时 这种效应与热效应一样 均能被击物体造成严重损害 但从危害的方式来看 与前者有所不同 主要是不是雷击时 雷电流通过载流导体产生电动力的破坏作用 下面将讨论雷电流的电效应的产生机理及其破坏作用 由电磁学可知 在载流导体周围的空间存在着磁场 而在磁场中的载流导体又会受到电磁力的作用 图3 5给出两根载有相同方向雷电流的长直导体 导体A上的电流在其周围空间产生磁场 而导体B在这一磁场中将受到一个电磁力的作用 其方向垂直指向导体A 同样 导体B上的电流也会在其周围空间产生磁场 得处在该磁场中的载流导体A也受到一个电磁力的作用 其方向垂直指向导体B 于是 在这两根平行载流导体之间就存在着电磁力的相互作用 这种作用力称为电动力 图3 5两根平行导体之间的电动力作用 按安培定律 不难推导出图3 5所示两根长直平行载流导体之间的电动 3 4 力计算公式 图3 5两根平行导体之间的电动力作用间的电动力作用式中i1 i2 两根平行导体上的电流 kA d 导体之间的距离 m F 单位长度导体的电动力 kg m 由图3 5可见 在电动力作用下 两根导体之间将相互吸引 有靠拢的趋势 同理 如果i1与i2反向 则两根导体在电动力的作用下就会相互排斥 有分离的趋势 因此 在雷电流的作用下 载流导体就有可能会变形 甚至会被折断 图3 6载有雷电流的弯曲导体受力示意 图3 7引下线的走线方式 a 正确 b 不正确 另外 对于同一根载有雷电流的弯曲导体或金属个构件 如图3 6所示 其中AP段的电流i所产生的磁场可使PB段受到电动力的作用 同样PB段电流i所产生的磁场也会使AP段受到电动力的作用 当这种电动力足够大时 就可能会使导体或构件受到破坏 由安培定律可知 凡含有拐弯部分的载流导体或金属构件 其拐弯部分都将受到电动力的作用 拐弯处的夹角越小 受到的电动的作用 拐弯处的夹角越小 受到的电动力就越大 所以当拐弯夹角为锐角时 所受到的电动力相对较大 而当拐弯处的夹角为钝角时 所受到的电动力相对较小 因此 在防雷设计与施工中 避雷引下线的走线方式应尽可能走直线路径 在必须拐弯的情况下 应采取钝角并带圆弧向下走线 而应避免采用锐角或绕直角向下走线 如图3 7所示 当避雷引下线非要走锐角路径不可时 应在线路的锐角拐弯处采取牢固的机械固定措施 以防被电动力拉动 图3 8是一飞机被雷击坏的例子 3 雷击产生的内压力和冲击波效应及其危害 雷电的机械效应所产生的破坏作用主要表现为两种形式 一是雷电流注入树木或建筑构件时在它们内部产生的内压力 二是雷电流的冲击波效应 在雷云对地放电时 这两种效应亦能对地面被击物体造成严重损害 1 雷击产生的内压力及其危害 在被击物体内部产生内压力是雷电流机械效应破坏作用的一种表现形式 由于雷电流幅值很高 且作用时间又很短 当雷击于树木或建筑构件时 在它们的内部将瞬时地产生大量热量 在短时间内热量来不及散发出去 以致使这些内部的水分被大量蒸发成水蒸气 并迅速膨胀 产生巨大的内压力 这种内压力是一种爆炸力 能够使被击树木劈裂和使建筑构件崩塌 有关这类现象 国内外均时有报道 图3 9a b 是最近 2005年7月 在江苏扬州市石塔附近文昌中路拍摄的两长照片 据扬州老人介绍 路中间绿化带中的一棵百年古银杏树是在抗日战争时期被雷击 从地面起树身被雷击为两半 但没有引起燃烧 显然这是雷击产生的内压力对这棵古树的损害 图3 9a被雷击劈裂树的全貌 图3 9b被雷击裂树的一半 这棵古树至今还活着 成为美化环境 供人们观赏一个景观 图3 9a被雷击劈裂树的全貌 图3 9b被雷击裂树的一半 这棵古树至今还活着 成为美化环境 供人们观赏一个景观 图3 10是另外为两棵树被雷击劈裂和折断的典型实例 2 雷击产生的冲击波效应及其危害 雷云对地放电过程中的回击阶段 放电通道中既有强烈的空气游离又有强烈的异性电荷中和 通道中瞬时温度非常高 这使得通道周围的空气急剧膨胀 以超声波速度向四周扩散 从而形成冲击波 同时 通道外围附近的冷空气被严重压缩 在冲击波波前到达的地方 空气的密度 气压和温度都会突然增大 产生剧烈振动 这种冲击波与爆炸时产生的冲击波是类似的 可以使其附近的建筑物 人 畜受到破坏或伤害 冲击波向外传播的速度远大于声速 但很快就会衰减 转化为声波 于是人们就能够听到雷鸣声 冲击波的强度与回击时雷电流的大小有关 其破坏作用与波阵面气压和环境大气压有关 图3 11建筑物的崩塌 第二节雷电波侵入 一 直接雷击过电压直接雷击放电电流可达几十至几百千安 由于被击物与大地之间都有一定的电阻 雷电电流通过被击物泄入大地时 必然在这个电阻上产生极大的电压降 这种因直接雷击而在物体上产生电压升高的现象就被称为直接雷击过电压 二 雷电直接袭击架空线路的方式 电气设备遭雷击主要是通过架空电力线路或通信线路传入的 因而架空线路是雷电侵入的重要渠道 雷电直接袭击架空线路主要有三种方式 即 远点雷击 近点雷击和错相位雷击 1 远点雷击 由于我国的电压基本波形是每秒50Hz的正弦波形曲线 在电力线上形成每秒50次的交变磁场 如遇到雷雨天气时 在雷电未击穿大气时 将呈现出高压电场形式 根据电学基本原理 磁场与电场之间是相互共存可逆变化的 那么 雷电高压电场通过静电吸收原理 向大地方向运动 假设电力线杆有5米高 那么在相对湿度25 时 要击穿5米空气 需要15 106V雷击高压 3000V mm 如果在相对湿度95 下雨时 击穿5米空气需要5 106V雷击高压 1000V mm 电力线上的交变磁场对雷云的吸引小于大地的静电吸引 如果 雷云击穿5米空气入地 需要很高的电压 雷电首先击在电力线上 并从电力线的负载保护地线入地释放 这样就击穿了设备 2 近点雷击 所谓近点雷击 实际上是雷电袭击建筑物避雷针 从而引起的雷电电磁脉冲的问题 雷电打在建筑物避雷装置上 由于避雷针与引下线的电感的作用 最多只能将50 的电流引入大地 IEC 国际电工委员会 1312定义 余下的电流将通过电力线屏蔽槽 水管 暖气管 金属门窗等与地面有连接接的金属物质联合引雷 但也只引下少部分雷电流 余下总电流的25 流窜至建筑物内的UPS输入输出的电源线 局域网线等 击穿小型机和局域网端 最终由逻辑地线处下泄入大地 对设备而言 部分雷电流将由UPS的输入电源线对机房保护地线进行L PE N PE泄放 UPS输出L PE 逻辑地 N PE 泄放 小型机L PE 泄放 局域网线对逻辑地线等进行泄放 最终结果 将击穿UPS输出对地线和输入对地线端 小型机电源对逻辑地线 网络数据线对逻辑地线 3 错相位雷击 一个高能量的雷击在一条架空线上 一个低能量的雷击在另一条架空线上 线线之间产生一个压差 从而侵入设备造成雷电的二次雷击称错位雷击 第三节雷击电磁脉冲的危害 一 雷电的静电感应及其危害雷电的静电感应与电磁感应作用属于雷电的间接破坏作用 由雷电的静电感应与电磁感应所产生的暂态过电压比以上所述的直接破坏作用具有更大的危害范围 它能够损坏建筑物内的信息系统和电气设备 甚至造成人员伤亡 因此 在防雷设计中 一直受到关注 1 在有金属顶建筑物上的静电感应 在建筑物顶部金属体上的静电感应城镇的建筑物区域 常可以见到一些顶部大面积金属体的建筑物 例如半球形铜壳装饰成的圆顶楼 用铜材或铁皮包装屋顶的建筑物 当这种建筑物上空有雷云生成并向下发展下行先导时 由于雷云和先导通道中电荷的感应作用 在建筑物顶部的金属体上将出现反极性的感应电荷 如图3 12所示 在该图中示出的是常见的负雷云对地放电 雷云及下行先导通道中的电荷为负 而在建筑物金属屋顶上感应出的电荷为正 这些感应正电荷在屋顶上的聚集速度取决于先导发展的速度 因为先导发展的速度约比回击速度小100倍 所以在先导发展阶段 金属屋顶上有足够的时间来聚集大量正电荷 图3 11金属屋顶上的静电感应 这些正电荷受到先导通道中负电荷的束缚 不能自由运动 当先导发展到附近地面时 回击过程便开始 先导通道中携带的负电荷将被地面上的正电荷自上而下地迅速中和 伴随着负电荷的消失 金属屋顶上的正电荷将失去束缚 变为自由电荷 但由于屋顶金属体与地之间的电荷流散路径上存在着数值可观的电阻 这些被释放的正电荷不能以与回击发展同样的速度来消散 在回击后的短时间内 可以近似认为金属体上仍有大量正电荷存在 于是金属体与地之间将构成一个电容器 金属体对地将具有一个高电位 它可用下式来表示 3 5 式中 金属体电位 Q 金属体上的电荷 C 金属体对地电容 上式中的实际是金属体上感应电压的最大值 随后 金属体上正电荷将通过建筑结构中的路径向地流散 设该流散路径的电阻为R 这种电荷流散过程本质上是一个一阶RC电路的零输入响应过程 因此建筑物金属屋顶的对地电压u将按以下规律变化 3 6 如果建筑物金属屋顶或顶部金属对地绝缘 则在静电感应所引起的高电压作用下 金属体对其下方的某些接地物体将会造成火花放电 导致设备和人员的损坏和伤亡 还可能会引发火灾 如果顶部金属体的接地引下线在某个部位断开或电阻过大 则在这些部位也将出现高电压 造成局部火花放电 危及建筑物内设备与人员的安全 很明显 要减小雷电静电感应的危害程度 就必须设法减少在建筑物顶部金属体上的感应电荷 这就需要将金属体良好地接地 以尽可能快地将感应电荷泄放入地 2 在架空线路上的静电感应 在各种架空线路上 同样会因雷云对地放电而产生静电感应电荷 现仍以常见的负雷云对地放电为例 来说明架空线路上感应电荷和高电压的产生机理 图3 12架空线上感应过电压的形成 a 回击前 b 回击后 如图3 12 a 所示 当雷云下行负先导向地面发展时 先导通道携带的负电荷将在最靠近其前端的一段导线上感应出正电荷 在先导尚未到达地面 即回击尚未发生时 这些正电荷将受到先导通道中负电荷的束缚 成为不能自由运动的束缚电荷 图3 12架空线上感应过电压的形成 a 回击前 b 回击后 而此时导线上与正束缚电荷相应的负电荷则被排斥向两侧运动 经线路的泄漏电导和电网的中性点进入大地 先导到达地面时 回击就发生 如图3 12 b 所示 原先导通道中的负电荷被迅速中和 这就消除了对导线上正电荷的束缚 这些失去束缚的正电荷将向两侧运动 形成过电压波 其波速接近于光速 由于回击的平均速度很快 导线上正电荷被释放的时间也很短 所以过电压波的幅值是很高的 实际上 在回击过程中 伴随着回击电流的出现 该电流所产生的暂态脉冲磁场将部分地交链于由导线 杆塔和大地构成的回路 在回路中产生感应电压 但由于回击通道在空间上近似与导线垂直 两者之间的互感很小 这种磁场感应电压远比静电感应电压小 因此在总的过电压中 静电感应分量占主要地位 在工程上 过电压的幅值可按下式来估算 3 7 上式中的具有电阻量纲 与回击速度关系不大 感应过电压波向导线两侧传播 当它沿线路进入建筑物内时 将会对建筑物内的信息系统和电气设备造成损坏 这种沿线路进入建筑物内的感应过电压波常称为雷电侵入波 它是一种典型的雷电暂态过电压 对信息系统中的电子和微电子设备极具危害性 在防雷设计中需要采取专门的措施加以防护 3 雷电的电磁感应及其危害 雷电通道和防雷保护系统的导线上的雷电流 在接地系统的冲击接地电阻上产生电压降 同时也会在建筑物内部导线形成的环路感应出浪涌电压和电流 特别是由于雷击的磁干扰辐射 周围区域的雷击在设备环路上感应出浪涌电压和电流 如果雷击架空电线时 在电源进线上就有传导的出浪涌电压和电流 与上一节陈述的雷云在架空导线上的静电感应有区别 但不论那种形式在架空电线上感应出浪涌电压和电流 其传导形式是相同的 由于电磁干扰的辐射 云间闪电在电力线和其他大范围的导线系统上也会产生传导的浪涌电压和电流 根据建筑物防雷设计规范GB5700 94估算 雷击时 全部雷电流的50 流入建筑物的接地系统 另外50 ia 分配于引入建筑物的各种外来导电物 电力线 通信线等设施 如图3 13 流入每一设施的电流i 等于ia n n为若上述各导体的个数 流经无屏蔽或者没有穿图3 13进入建筑物各种设施之间的雷电流分配金属管的电缆芯线的电流ib等于ib m m为芯线数 在PeterHasse的 低压系统防雷保护 中提到了各外部导体和导线分担的雷电流ii取决于外部导体和导线的数量 其等效接地电阻和接地系统的等效接地电阻 即 3 8 式中Z为接地系统的等效接地电阻 Zi为外部导体和导线的等效接地电阻 n为外部导体和导线的总数 I为按保护等级确定的雷电流 雷击防雷系统虽然有分流 在每一分支导体或导线上雷电流减小了 但雷电流具有很大的幅值和波头上升陡度 能在所流过的路径周围产生很强的暂态脉冲磁场 根据电磁感应定律 这种快速变化的脉冲磁场交链导体回路时 能在回路中感应出电动势 产生过电压和过电流 在现代建筑物内 通常布置和铺设着各种电源线 信号线和金属管道 如供水管 供热管和供气管等 这些线路和管道常常会在建筑物内的不同空间构成导体回路或回环 如图3 14a中阴影部分所示 图3 14感应回路所端接的电子设备损坏示意图 a 金属管形成的回路 b 天馈线形成的回路 脉冲磁场在回路中感应出电压大小与回路尺寸 雷电流波头陡度以及回路与载流导体之间的距离有关 载流导体产生的脉冲磁场对其附近回路的电磁感应作用可用两者之间的互感系数来表征 借助于互感系数 回路中的 3 9 感应电压可表示为式中u1 回路感应电压 V M 互感系数 H ic 分支导体上流过的雷电流 A 图3 15回路感应过电压损坏端接电子设备 从雷电流波形特征来看 其波头部分的变化率远大于其波尾部分 所以在考虑雷电流的电磁感应危害性时 一般只考虑 3 10 雷电流波头部分的变化率 即波头陡度 并将取为波头的平均陡度 于是回路中感应电压的幅值可表示为式中U1 回路感应电压幅值 V Ic 分支导体上流过的雷电流幅值 A f 雷电流波头时间 s 在一般情况下 要精确计算各种空间位置上的回路与载雷电流分支导体之间的互感系数往往是相当困难的 为此在工程上常采用一些近似公式 这里将给出其中两种在防雷设计中较为常用的互感系数公式 对于图3 16所示的情况 载流导体为感应回路的一部分 当 a1 a2 r时 载流导体与感应回路之间的互感系数为式中M 互感系数 H a1 a2 感应回路的宽和长 m 对于如图3 16所示的情况 载流导体与感应回路分离 两者之间的互感系数可近似表示为 3 12 式中a1 a2 感应回路的宽和长 m a3 载流导体与感应回路之间的距离 m 图3 16载流导体为感应回路的一部分 在近似确定互感系数后 按式 3 10 即可估算出感应回路开口处感应电压幅值 再由空气击穿电场强度的临界值就能进一步估算出开口处不发生击穿的最短距离为 3 13 式中dmin 开口处不发生击穿的最短距离 m EL 电感降压的空气击穿场强 其值按本章第三节的式 3 17 确定 图3 17载流导体与感应回路分离 在上式中 波头时间可取为苛刻情况下的数值0 25 s 即后续雷击的雷电流波头时间 在实际场合下 如果回路的开口距离小于dmin 则开口处的空气就会在回路感应过电压作用下发生击穿 出现火花放电 这将可能引燃或引爆附近的易燃易爆品 从而产生灾害 当感应回路不开口或开口被击穿时 在感应过电压作用下 闭合回路中将出现电流 对于图3 16和图3 17的两种情况 假设此时开口处已闭合 分支载流导体中的电流与闭合回路中的电流之间将满足以下关系 3 14 式中in 闭合感应回路中的电流 A L 回路的自感系数 H 上式中 闭合感应回路的自感系数由下式来计算 在r a1 a2情况下 在闭合感应回路中出现电流后 如果回路中某个部位的接触不良 则可能在此处产生严重的局部发热 有可能引发易燃易爆品的燃烧或爆炸等事故 如果回路中各部分导体接触良好 则回路中的电阻就小 在感应过电压作用下就会产生过电流 过电流的热效应可能会使回路导体受到被损害 4 雷电流在信号线上的耦合 雷电流产生的暂态脉冲磁场在建筑物内的导体回路中感应出过电压和过电流是通过阻性耦合 感性耦合和容性耦合感应出过电压和过电流来影响设备 1 阻性耦合在由雷击引起的暂态过程中 暂态过电压和过电流常常可以通过信号或电源等线路耦合或转移到电子设备上 造成电子设备的损坏 为了说明这一情况 先来看一个例子 如图3 18所示 图3 18过电压阻性耦合转移 当雷击楼1防雷系统时 雷电流将流过楼1的接地电阻Rg1将引起楼1的地电位以及与这个地相连的设备1外壳电位抬高 其值可以高达100Kv 此时的信号线尚处于零电位 于是在设备1外壳与信号线之间将出现暂态过电压 并会使这里的绝缘击穿 击穿发生后 信号线在设备1端的电位将抬高 这个电位抬高将沿信号线传输到楼2中的设备2端 由于设备2外壳是与楼2接地相连 与设备1外壳接地分离 因此这时的设备2外壳也可视为零电位 则信号线与设备2外壳之间也被击穿 这种通过线路两端绝缘依次击穿来向电子设备转移暂态高电位是一种典型的阻性耦合过电压情况 该浪涌电流的幅值 其峰值可能达到kA 取决与欧姆电阻Rg1和Rg1的相对值 2 感性耦合 如前所述 金属回路通过雷电流通道或雷电流导线的感应场而感应过电压 分雷电流在多芯电缆中流动时 芯线与电缆的金属屏蔽层之间产生的电压称纵向电压U1 施加在所连接的设备输入端与接地外壳的绝缘上 出现在芯线之间的电压 称横向电压U2 给所连接的设备的输入电路施压 如果分雷电流i2已知 那么纵向电压可根据电缆的藕合阻抗计算 下面是几个例子 图3 19多芯线缆过电压感性耦合和转移 如图3 19 当楼 防雷系统遭受雷击后 由于分流作用 较大部分雷电流 将沿楼1的接地体入地 而较小部分雷电流 2则经过设备1外壳 电缆金属护套 设备2外套和楼2的接地体入地 2在电缆的金属护套上流过时 所产生的磁链将完全交链电缆芯线 于是能够通过磁耦合在芯线与金属护套 纵向电压 以及芯线与芯线之间 横向电压 产生暂态过电压 芯线与金属护套之间的暂态过电压能够损坏设备1和设备2的输入和输出端对地绝缘 而芯线与芯线之间的暂态过电压则可以损坏设备1和设备2的输入或输出电路 电缆中芯线与金属护套之间的暂态过电压峰值可按下式来计算 U2m I2m Rr式中U2m为过电压峰值 I2m为金属护套中雷电流的峰值 Rr为金属护套与芯线转移电阻 它与护套的屏蔽性能有关 一般由试验来确定 耦合过电压还会发生在地下电缆中 许多通信电缆常埋设在地下 当雷击与电缆附近的地面时 在雷击点与电缆之间将会产生电弧 电弧又会烧伤距雷击点近处的电缆外层绝缘 使部分雷电流从这一绝缘烧伤部位进入电缆的金属护套层 并向电缆左右两侧传输 如图3 20 a 所示 图3 20地下电缆中耦合过电压 在金属护套中流过的雷电流一方面可直接在电缆的芯线与护套及芯线与芯线之间偶合出暂态过电压分量 另一方面 由于护套自身有电阻 它还会在沿电缆长度方向产生一个暂态梯度分布 在护套与土壤之间产生一定的暂态电位差 如图3 20 b 所示 当沿电缆长度方向上某一点 如A点 处的金属护套与土壤之间的电位差超过电缆外层绝缘强度时 外层绝缘就会被击穿 在护套中流动的雷电流将从这一点进入土壤 并使该点处护套与土壤等电位 一般地说 在电缆的长度方向上会出现一系这样的击穿点 不断地将金属护套中的雷电流分流进土壤 这一暂态分流过程将会在电缆芯线上耦合出另一个暂态过电压分量 这些暂态过电压分量向电缆两端传输 能够将电缆两端连接的电子设备损坏 a 信号线之间的回路 b 信号线与地之间的回路图3 21通信线路的感应回路 图3 21给出了两个典型的实例 在图3 21 a 中 一对信号线连接着两座建筑物内的电子设备 实现这两座建筑物之间的信号通信 这对信号线通过其两端所端接的电子设备输入或输出电路构成一个窄长的回路 当建筑物1 或建筑物2 遭受雷击时 在其防雷装置中流过的雷电流所产生的暂态脉冲磁场将会交链这一窄长回路 在回路中感应出过电压 使电子设备1和2的输入或输出电路受损坏 在图3 21 b 中 连接两座建筑物内电子设备的一条信号线通过其两端的接地路径与大地构成一个窄长回路 雷击时由雷电流产生的暂态脉冲磁场在该回路中将感应出过电压 并能将信号线两端电子设备1和2的对地的绝缘击穿 在回路中产生过电流 损坏电子设备1和2 近些年来 随着信息处理技术的广泛应用 大量电子设备正普遍地进入各种建筑物内 建筑物之间的信息交换与传递也日趋增强 这就使得雷电脉冲磁场的危害性变得越来越严重 雷电流不仅能产生脉冲磁场 而且也能产生脉冲电场 并能以电磁波的形式直接辐射到电子设备中去 使电子设备受到干扰或被损坏 3 容性耦合 如果雷击大地或接闪器 由于接地电阻Rg上的电位差 雷电通道或接闪器升至很高电压 约100kV 与周围相比 如图3 22所示 设备1与设备2之间的信号线与这种雷电通道或接闪器容性耦合 耦合电容被充电 引起 注入 电流 约10A 通过设备1和设备2的绝缘流入大地 图3 22过电压阻性耦合转移容性耦合 第三节暂态电位抬高及危害 从18世纪50年代富兰克林发明避雷针到20世纪60年代 在建筑物顶部安装避雷针 线 带 网保护建筑物不受雷击 是延用了200多年的唯一的雷电防护技术 然而 随着现代化电子科学的迅速发展 依据近30年来国内外对雷电闪击过程的研究和雷击事件造成的灾害损失的统计分析 已经清楚地表明 在雷电闪击过程中 沿着接闪器的引下线和雷电闪击的通道产生的雷电瞬态过电压也会通过电源线 信号线等线路传输和电磁场感应等方式严重地危害通信 监控 计算机等现代化信息系统 因此雷电防护技术也随之由单一的直击雷的防护扩大为直击雷和感应雷的现代化的综合防雷技术 由直接雷击在建筑物防雷装置中各个部位上产生的暂态电位升高现象 对于建筑物内的设备与人员颇具危害性 暂态高电位能够产生很大的暂态电位差 造成对设备的间接雷击 它也能够产生过大的跨步电压和接触电压 对人身安全构成威胁 在防雷设计中 暂态电位升高一直是一个倍受重视的问题 由于对暂态电位升高现象的详细分析计算要涉及到许多较为复杂的内容 本节从基本机理上来讨论这一问题 一 暂态电位升高与雷电反击 由电路原理可知 暂态电流流过电阻与电感串联支路时 将会在该支路上产生压降 支路的总压降中含电阻上压降分量和电感上压降分量 在建筑物遭受雷击时 雷电流沿防雷装置中各分支导体流动 经接地体汇入大地 从工程近似的角度 可以把分支导体看成是具有分布电感和电阻的电路 把接地体等值地看做是集中电阻 即接地电阻 于是雷电流流过防雷装置中各分支导体和接地体时 将会在分支导体的电感 电阻和接地电阻上产生压降 使防雷装置中各个部位的对地电位都有不同程度的升高 由于雷电流持续时间很短 这种电位升高现象所持续的时间也很短 所以称为暂态电位升高 为了便于分析防雷装置中的暂态电位升高现象 先来介绍一下建筑物防雷装置的基本结构 一般地说 防雷装置包括三个基本环节 即接闪器 引下线和接地体 如图3 23所示 接闪器是受雷环节 用于在发生雷击时直接接受雷电流 常用作接闪器的有避雷针 避雷线 避雷网 避雷带以及具有足够厚度的金属屋面等 引下线是引导雷电流的环节 将雷电流从接闪器引导 分流 到接地体 它常敷设在建筑物墙壁上或设置在建筑体内 接地体是泄散雷电流的环节 它埋在地下的土壤中或设置在混凝土基础中 把引下线导入的雷电流散进大地 常见的接地体有接地线 接地棒和基础接地网等 图3 23建筑物防雷装置结构示意 图3 24绘出了一座建筑物的简单防雷装置 当接闪器受雷接闪时 雷电流将沿接闪器注入防雷装置 并经引下线和接地体汇入大地 在此雷电流的传输过程中 防雷装置中任意一点A处的暂态电位可表示为式中UA A点对真实地的暂态电位 kV di dt 雷电流波头时间变化率 kA s i 雷电流 kA Rg 接地体的冲击接地电阻 L0 引下线单位长度电感 H mh A点到接地体的长度 m 由上式可知 防雷装置中任意一点暂态电位的幅值取决于由雷电流幅值与冲击接地电阻所决定的电阻压降和由雷电流波头陡度与引下线电感所决定的电感压降 研究表明 电阻压降和电感压降使空气击穿的电场强度是有差异的 电阻压降的空气击穿场强可近似取为500kV m 而电感压降的空气击穿场强E则与雷电流的波头时间有关 它们之间的关系为 3 16 式中EL 电感压降的空气击穿场强 kV m f 雷电流波头时间 S 防雷装置暂态电位升高使得它的各个部位与周围不共地的金属体之间出现暂态电位差 例如在图3 25中 引下线附近有一条金属管道 该管道不与防雷装置的接地体连接 当建筑物遭受雷击时 引下线上A点与管道上的B点之间将出现暂态电位差UAB 在UAB作用下 如果A B两点之间的间隙距离d满足下式 则引下线与金属管道之间的空气间隙将被击穿 使管道也带上高电位 像这样由暂态电位升高使防雷装置中的某些部位与周围金属体之间发生空气间隙击穿的现象称为雷电反击 在发生反击后 被反击的金属体带上高电位 它又有可能继续对其周围的其他金属体反击 从而可能引发多个金属体之间的一系列反击 导致严重的设备损坏和人员伤亡 图3 25防雷装置中的暂态电位抬高 在许多情况下 暂态高电位还可以从雷击处通过一定的渠道传递到较远的地方去 在那里再引起反击 损坏设备 如图3 26所示 在该图中 两座建筑物的接地通过金属管道相连 当其中一座建筑物遭受雷击后 雷电流在该建筑物的接地体接地电阻上将产生暂态压降 并使该建筑物内接地母线的暂态电位升高 由于金属管道与该接地母线相连 它也将带上高电位于是它将作为传递渠道将高电位传递到另一座建筑物内 使得该处的接地母线 与金属管道相连 也带上高电位 导致与接地母线相连的线路很容易对其邻近的电源线或通信线发生反击 造成用电设备和通信设备的损坏 图3 26暂态高电位的传递 暂态电位的抬高往往也会对一些进出屏蔽室的电源线或信号线发生反击 如图3 27所示 在该图中 出于抗电磁干扰的目的 将某些重要电子设备安置在由致密金属网编制的封闭的屏蔽室法拉第笼 内 屏蔽室与建筑物接地系统可靠连接 为了让室内电子设备信号线与远处电子设备进行信号传输 在屏蔽体上开出小孔 供信号线进出 在发生直接雷击时 雷电流流过屏蔽室接地连线的寄生电感和接地电阻后 将产生很高的暂态压降 使屏蔽室的暂态电位被抬高 而来自远处的信号线此时尚处于零电位 则在小孔处 屏蔽体与信号线之间将出现很高的电位差 这种电位差是流过冲击接地电阻和屏蔽体的雷电流造成的 常规测量线和传递信息的信号线仅能耐受数百伏的冲击电压 这一高电压很容易将两者间气隙击穿 使信号线上也带上高电位 该电位将会直接损坏室内的电子设备 它也将沿信号线传输到远处线路终端 侵害终端处的电子设备 图3 27屏蔽室开孔处的反击 二 跨步电压与接触电压 暂态电位升高不仅对信息系统和电气设备造成危害 而且也能对人身安全造成威胁 在发生雷击时 雷电流经接地体散入大地 将在周围土壤中产生电压降 使附近地面上不同地点之间出现电位差 如果人站在这块具有不均匀电位分布的地面上 则在人的两脚之间就存在着一定的电压 如图3 28所示 在工程上 常将人跨一步的步长取为0 8m 并把把这一距离两端的电位差称为跨步电压 跨步电压的大小直接关系到地面上行走人员的安全 是防雷图3 28跨步电压与接触电压 与接地设计中必须要考虑的一个重要安全指标 它与多种因素有关 如接地体深度 土壤结构 土壤电阻率 雷电流幅值与波头陡度等 在土壤电阻率小的地方 接地体周围的暂态电位分布曲线比较平滑 跨步电压较小 而在土壤电阻率大的地方 接地体周围的暂态电位分布曲线比较陡翘 跨步电压较大 由图3 28还可看到 越靠近接地体的地方 跨步电压越大 当跨步电压超过允许值时 就会造成人员伤亡 暂态电位升高不仅会通过跨步电压来威胁人身安全 而且还会通过人体接触防雷装置或与其相连的金属体而对人身构成危害