雷电电磁脉冲及其防护

雷雷电电电电磁脉冲及其防磁脉冲及其防护护 1 雷电电磁脉冲的物理特性 1 物理特性从积雨云的密布到发生闪电 会 出现三种物理现象 云中静止电荷产生的静电场 产生静电感应现象 地面及各种导体会产生感应电荷 呈观静电场的作用 这种作用随着 距离的增大而迅速减小 与距离的三次方成反比 积雨云中电荷的移 动 包括闪电 会产生磁场 若磁场强度发生变化就会出现电磁感应现象 这就是感应场产生的作用 这种作用随着距离的增大而减小较快 与 距离的平方成反比 闪电发生时 会出现电磁波辐射 这种辐射场也 随距离增大而减小 但比较缓慢 它与距离的一次方成反比 除了注意 上述三种物理现象 更应密切注意雷电流的变化特性 因为雷电的破坏 作用与雷电流的峰值和波形密切相关 现代防雷装置正是根据雷电流的 物理特性设计的 其主要的物理特性是 峰值电流决定闪电的机械力 和电力的作用大小以及雷灾的危害程度 到达峰值的时间 数值愈小 冲击力愈大 在选用防雷元器件时应考虑响应速度 最大电流变化 率决定了闪电的电磁感应强弱 是电子设备防雷技术中应特别重视的参 量 因为电子设备防雷技术中主要是对感应雷的防护 半峰值时间或 到达波尾中间的时间 是指回击电流减小到峰值一半时的时间 这个时 间越长 热效应越大 容易造成元器件的损坏 也容易引起火灾 超过lO O 上s就属于热闪电了 2 雷电电磁脉冲的频谱分析雷电电磁脉冲的频 谱是研究避雷的重要依据 从频谱结构可以获得雷电电磁脉冲电压 电 流的能量在各频段的分布 根据这些资料可以估算通信设备或系统在其 频率范围内可能遭受到的雷电冲击的幅度和能量大小 并以此作为确定 避雷措施的参数 雷电流峰值比率的频率分析 雷电流峰值比率的频率分布是指在雷电流的频谱范围内 每一个频率的 电流峰值与雷电流峰值之比的频率分布 雷电流主要贫布在低频部分 随频率升高迅速递减 电波的波头越陡 高次谐波越丰富 波尾越长 低 频部分越丰富 电流峰值比率积累的频率分布 雷电流的破坏作用主要表现在对设备的过电压击穿和冲击能量过大的 热击穿 研究雷电过电压比率集中的频段 一旦设备对大地的阻抗测知 后 便可转变为通过研究雷电流峰值比率集中的频段来获得 通过研究 可见 波头越陡 受雷电影响的频率范围越宽 3 雷电电磁脉冲能量比 率积累的频率分布若负载为纯电阻 那么在同一负载上 功率只与通过 它的电流平方成正比 雷电电磁脉冲能量比率积累的频率分布表明 低 频部分增值快 频率越高增值越慢 90 以上的雷电能量都分布在十几 千赫兹以内 因此对于通信网路 只要防止十几千赫兹以内的雷电电磁 脉冲侵入 就可以把雷电电磁脉冲的90 能量抑制 即可以采用高通滤 波器来实现 2 雷电电磁脉冲的传播途径 雷电电磁脉冲传播的途径主要为传导和辐射两大类 1 传导耦合 阻 抗耦合当雷电流流经接地引下体时 因为引下体和接地线的装置都具有 电阻和电感 所以高幅值和快速变化的雷电流将在引下体上产生很高的 电位降 雷电流引起的对地电位很高 尽管高压持续时间很短 小于21us 但足以引起引下体与附近导体间的击穿放电 静电感应耦合在雷 电开始瞬间 由于静电场作用 在输电线和各类信号线上感应带电 感 应电荷迅速聚集到先导通道附近 在先导放电通道附近的各类金属物体 上也因静电场作用而感应带电 主放电开始后 由于主放电发展速度很 快 在主放电通道中正负电荷剧烈中和 附近金属物上的感应电荷不能 以相应的速度流散 于是也将产生很高的静电感应电压 导线上的感应 电荷向两端流散 形成感应过电压波 沿着输电线 信号线窜人配电设 备 窜人信号线终端设备 造成设备和系统的损坏 为防止静电感应电 压的危害 应将建筑物的金属屋顶 高层建筑物上的各类金属物体以及 房屋内的大型金属物品 金属管道等全部良好接地 电磁感应耦合闪 电放电时 由于闪电电流有很大的峰值和变化率 即陡度很大 在放电 通道周围将激发强磁场和感应电场 使回路中产生感应电压和感应电流 如果导体有开口或间隙 此处产生的感应电压足以使空气击穿放电 金属物体上产生的感应电流会使物体局部发热 为了消除或减小感应电 压 应该将建筑物内相互靠近的金属物体进行良好的等电位连接 由电 磁感应引超的电压极易超过电子设备内的集成电路等元器件所允许的 极限值 电容耦合产生的电压闪电放电之前 积雨云附近的地面物体 所感应的电荷增加速度较慢 接地导体上的电位变化不明显 当闪电击 中地面物时 接地物体上的电荷将重新分布 这将导致电流的流动 在 接地物体的电阻两端产生电压降 这样在接地良好的物体上由电容感应 产生的电压就会很小 否则就应考虑它造成的影响 因此 在易燃物储 存场所内 不允许长时间放置不接地的金属物和导线 2 辐射耦合辐射 耦合是指雷电电磁脉冲干扰能量以电磁场的形式 通过空间耦合到接收 器上 辐射的耦合方式主要包括空间电磁波至接收天线的耦合 空间电 磁波对电缆的耦合 电缆对电缆的耦合等 闪电放电时 先导放电阶段将 出现高频和甚高频的电磁辐射 而在向上迎面流注过程 则甚低频辐射 大大增加 所有这些辐射能量 有可能耦合到各类有大量集成电路的电 气和电子在设备内 以及设备用长电缆远距离传输时造成与其他回路系 统内的耦合 因此 对这类设备的屏蔽 接地等防雷措施尤为重要 3 雷电电磁脉冲 I EMP 的防护雷电是自然界中强大脉冲能量的放电过程 是最强大的干扰源 其传播途径包括传导和辐射方式或两者的组舍 根据雷电对地面电子设备和系统的危害方式不同 对雷电电磁脉冲可以 采用不同的防护措施 1 接闪 在防雷处理过程中 首先要设法拦截雷电或吸引闪电 这个装置就是避 雷针 避雷针其实是避雷装置的接闪器 避雷装置包括接闪器 引下线 和接地体三部分组成 通常把整个避雷装置称作避雷针 避雷针和由它 发展的避雷带和笼式避雷网已成为规范化的 国内外普遍采用的主要防 雷手段 避雷针拦截或吸引雷电的过程是 当 梯级先导 接近大地时 地 表上空电场强度大增 地面突出物的上端附近达到空气临界击穿场强所 产生的 向上迎面流注 并趋向于与 下行先导 汇合 避雷装置的接闪 器高耸于被保护建筑物之上 将产生最强的向上迎面放电 最先与 先导 流注 通道汇合 从而形成主放电 因此它 捕获 了雷电 雷电流通过引 下线和接地体安全地泄人大地 2 屏蔽屏蔽是防止任何形式电磁干扰的 基本手段 屏蔽的目的是限制某一区域内部的电磁能量向外传播 以及 防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播 通常采用金属材料 作为屏蔽材料 按屏蔽的要求不同 可分别采用屏蔽室 屏蔽盒 屏蔽管 等完整的屏蔽体或金属网编织带 波导管及蜂窝结构等的非完整屏蔽体 屏蔽 3 均压 等电位 均压又称等电位连接 等电位连接就是把导体做良好的导电性连接 使 它们近似达到电位相等 为雷电流提供低阻抗的连续通道 以便使它迅 速导入大地泄流 对建筑物外的被保护区域内的金属装置要做等电位连 接 当避雷针接闪时 如果邻近的电气设备等与引下体之间的绝缘距离 不够 就会在最近距离处发生反击 为有效防止反击 必须保证引下体 与金属物之间保持最小安全距离 由于条件限制无法达到所规定的间距 都应把引下体与金属构件在室外与接地网等电位连接 对于建筑物内 部 由于建筑物开有门 窗等孑L洞 电磁辐射仍要侵入保护区内 雷电 感应电压将破坏建筑物内部的电气和电子设备 当雷电放电时 电磁辐 射将在附近导体回路上产生很高的感应电压 此电压在导体开环处将引 起空气击穿放电 因此 必须对所有金属构件做等电位连接 以消除在 建筑物内发生的反击隐患 纵横交错的各种信号传输线 发射 接收天线及其馈线等 极易遭受雷 电放电的感应作用形成感应过电压波 造成电气设备 特别是微电子设 备的损坏 一般的屏蔽措施无法消除雷电过电压的侵害 必须采取防护 措施 将过电压限制在安全的 设备能够承受的范围之内 电力和通信 部门都采取避雷器来限制雷电过电压波 将雷电流分流入地 4 接地接 地是分流和泄放直接雷击和雷电电磁脉冲能量的最有效手段 没有接地 装置或者接地不良的避雷设施 很可能对落雷点附近的电气和电子设备 造成电感性 电容性等干扰耦合 因此 防雷接地的目的就是把雷电流 通过低电阻的接地体向大地泄放 以保护建筑物 人员和设备的安全 电力 电气设备的接地装置包括避雷接地 电气安全接地 交流电流工 作接地 通信及计算机系统中的逻辑接地等 电气地 大地的电阻非常低 电容量非常大 具有吸收无限电荷仍保持电位不变的能力 适合作为 电气系统中的参考电位体 地电位 实骏证明 在距单根接地极或距一组 接地极20m外的地方 几乎已没有电阻存在 电位等于零的 电气地 称 为 地电位 逻辑地 电子设备中各级电路电流的传输 信号或极性的转 换要求有一个参考电位 用以防止外界电磁干扰信号的侵入 常称这个 电位为 逻辑地 它可以是电子设备的金属机壳 底座 印制电路板上 的地线或建筑物内的总接地端子 接地干线等 逻辑地可与大地接触 也 可以不接触 而电气地必须与大地接触 接地的作用主要是防止人身遭 受电击 设备和线路遭受破坏 预防火灾和防止雷击 防止静电损害 保 障电力系统正常运行 保证电子设备正常工作 按接地的作用分类 接 地可分为保护性接地和功能性接地两种 保护性接地包括防电击接地 防雷接地和防静电接地 防电击接地是为了防止电气设备绝缘损坏导致 击穿或产生漏电流 将设备的外露导电部分接地 也称为保护接地 防 雷接地是为了防止直击雷 雷电感应 静电感应 电磁感应的雷电波侵 入 用金属导线 体 与埋在土壤中或混凝土基础中的散流接地网连接的 接地 防静电接地是将静电荷引入大地 防止由于静电积累对人体和设 备造成危害的接地 功能性接地包括工作接地 直流接地 屏蔽接地 信 号接地 工作接地是系统运行中为了防止系统振荡和保证可靠运行的接 地 直流接地是为了确保稳定的参考电位 将电子设备中的适当金属件 作为 逻辑地 的接地 屏蔽接地是将电磁干扰源引入大地 抑制外来电 磁干扰对电子设备影响的接地 信号接地是为保证信号具有稳定的基准 电位而设置的接地 接地形式包括独立接地和共享接地 独立接地是将 需要接地的系统均分别独立地建立接地网 其优点是各个系统之间不存 在相互干扰 但特别容易被雷击 因为各独立地之间的瞬间电位差过大 独立接地已不适应现代通信技术的需要 已逐渐被共享接地方式所取 代 通常所说的接地实际上就是指设备一点接地 是利用大地作为电位 基准 一点接地可以解决雷电流引起的不同接地点之间的很大电位差 还可消除公共 地 阻抗的耦合 对于干扰频率小于1MHz的频段是有效 的 当电磁脉冲干扰或信号干扰的频率增加时 一点接地存在分布电感 咆阻和电容 接地的引线长度成为主要矛盾 必须采用最短的引线直 接接至地面 使接地阻抗减至最小 形成多点接地方式 但多点接地对 低频干扰是不利的 此时可以采用混合接地方式 即一台电子设备内的 各种电路板 以最短导线与机壳连接 或者对干扰信号敏感的设备以最 短的导线与同一金属体连接 然后该金属体与其他设备再分别用金属导 线接到地网的同一点上 另一种有效的接地方式是采用环形接地网 把 接地体沿建筑物周围形成一个闭合环 这个接地网可以使得界面内的电 场分布均匀 减少跨步电压对人的危害 减少室内在雷击时由于地面梯 度大而产生对设备高压反击的危险 关于雷关于雷电电电电磁感磁感应应的介的介绍绍 雷电电磁感应讲义 引言 电磁兼容 EMC 是近年来发展很快并受到广泛重视的学科领域 IEC 国际电工委员会 对EMC的定义是 设备或系统在其电磁环境中能正常 工作 且不对该环境中任何事物产生不允许的电磁骚扰的能力 电磁骚 扰 EMD 定义是 任何可能引起设备或系统性能降低或对有生命及无生 命物质产生损害作用的电磁现象 电磁骚扰可能是电磁噪声 无用信号 或传播媒介自身的变化 电磁噪声与EMD术语有相似的含义 指 一种 明显不传送信息的时变电磁现象 它可能与有用信号叠加或组合 电磁 骚扰源分为自然骚扰源和人为骚扰源 典型的自然骚扰源有 1 雷击电磁脉冲LEMP 又称大气噪声 2 太阳噪声 太阳黑子活动时产生的磁暴 3 宇宙噪声 来自银河系 4 静电放电ESD 人为骚扰源较多 典型的有 1 电力网络中操作过电压SEMP 2 核致电磁脉冲NEMP 3 高压配电系统对地短路造成过电压 其它家电 高频设备 电力设备 内燃机 无线电发射和接收设备 高速 数字电路设备等 通过放电噪声 接触噪声 过渡现象 反射现象 非功 能性噪声和无用信号等电磁骚扰的发生机理均会造成电磁干扰 在IEC61312 1中对LEMP定义为 作为干扰源的闪电电流和闪电电磁场 GB50057 94局部修改条文定义为 作为干扰源的直接雷击和附近雷 击所引起的效应 绝大多数是通过连接导体的干扰 如雷电流或部分雷 电流 被雷电击中的装置的电位升高以及磁辐射干扰 LEMP属由于放 电而产生的噪声 由于雷云之间或雷云与大地之间产生火花放电 往往 伴随着急剧的电流 电压的瞬时变化 即di dt或du dt很大 与NEMP相比 LEMP的电磁场强度 陡度和破坏范围都弱得多 但雷电这一大气物理 现象 每次释放的数百兆焦尔 MJ 能量与足可影响敏感设备的毫焦尔 mJ 能量相比相差悬殊 1971年美国通用研究公司R D希尔用仿真试验 建立模式证明 由于雷电干扰 对无屏蔽的计算机当磁感应强度Bm 0 0 7GS时 计算机会误动作 当Bd 2 4GS时 计算机设备会永久性损坏 随 着人类在1973年将1万个元件安置在1cm2面积上标志着进入信息时代 这个数值在逐渐变小 特别是电子技术从本世纪六十年代的电子管元器件发展到八十年代大 型集成电路以来 元件的耐受能量已由0 1 10J降至10 8 10 6J 因而 设备损坏率骤然升高 各种设备 元件摧毁能量参见图1 一位奥地利人对其所在地区自1960年 1992年间雷击损失保险理赔件数 进行过统计 发现在这33年中 该地区因直接雷击造成的事故 火灾 建 筑物破坏等 每年都约为100起左右 而电子设备的损坏却由1960年的93 1起上升到1992年的23768起 图2 图3是慕尼黑TELA保险公司的损害分析 说明雷害损失从1978年到1994 年的17年中上升了400 而德国法兰克福ELELTRA保险公司的统计说 明在1994年的灾害赔偿中雷击过电压损失占33 8 为第一位 图4 这 种雷击灾害的损失与我国近年来的情况基本相同 我国城市中的雷击电 子设备损害可占雷电灾害总损失的80 以上 鉴于上述原因 IEC61312 1 标准中 引言 称 鉴于各种类型的电子系统 包括计算机 电信设备 控 制系统等 在本标准中称之为信息系统 的应用在不断增加 使本国际标 准的制定成为必需 这样的信息系统用于商业及工业的许多部门 包括 高资金投入 大规模及高度复杂的工业控制系统 对这样的系统从代价 和安全方面考虑非常不希望由雷电导致系统运转的停顿 现代防雷技术是一系统工程 现代防雷技术涉及到许多行业 其中有使用维护系统 设计施工系统 设备生产制造系统 防雷装置生产 检测系统等 从技术角度上看也是 一系统工程 系统结构愈合理 系统的各个组成部分 或要素 之间的有 机结合就越合理 相互之间的作用就越协调 才能使整个系统在总体上 达到最佳的运行状态 比如防雷设计首先要从被保护物所在地理 气象环境出发 要从被保护 物的重要性和复杂性以及雷击的后果严重程度出发 在设计中要考虑现 有的保护装置的有效利用 要与供电系统的型式 暴露程度 所有线缆 的架设 设备自身的耐压水平 选用防雷装置的特性及其有机配合 以 及装设后对设备的正常工作是否产生不允许的影响 雷击发生后的反应 和自复能力等等复杂的因素进行综合考虑 当然 还应考虑投资与效益 的关系 由于现代电子设备除受雷电干扰外 尚有大量的自然干扰源和人为干扰 源 整个防护系统应从EMC这一主题开始进行 EMC有三项主要因素必 须认真考虑 干扰源 耦合机制和设备的EMC水平或称抗扰性 抗扰性水 平 EMC干扰源 耦合机制和抗干扰措施综合示意图可参见图5 图5 EMC干扰 耦合和抗干扰措施综合示意图 前面我们曾提到中国电力科学研究院许颖副院长的 三条防线 原则 1 将绝大部分雷电流直接引入地中泄散 2 阻塞侵入波沿引入线进入设 备的过电压 3 限制被保护物上雷电过电压的幅值 三条防线 互相配 合 各行其责 缺一不可 鉴于有人一再片面宣传 传统防雷系统有缺陷 避雷针起到引火烧身的作用 并由此推理推荐使用 消雷器 因而有 必要介绍IEC61312 1 对外部防雷装置的功能评价 见图6 图6 在IEC标准中对进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配进行了估算 认为全部雷电流有50 经外部防雷装置而安全导入大地 剩余的50 雷 电流将平均分配到进入建筑物的各种设施上 这也为估算电源线 信号 线上的过电压 过电流水平提供了理论依据 在GB50057 94局部条文修订条文 征求意见稿 中特别指出 一个信息 系统可能设于这样的建筑物内 该建筑物按本规范第二章的规定不属于 任何一类防雷建筑物 即不需要防直击雷 在这种情况下 当信息系统 按本节第6 1 1条的规定 注 是否需要防LEMP 应从经济合理考虑 对 投资与间接损失分析 需要防LEMP时 该建筑物宜按第三类防雷建筑物 采取防雷措施 电磁耦合过程 IEC61312 1附录D关于雷电电磁耦合过程的全文如下 D 1耦合机理 为了实用目的同时为了使用带有集总参数的等效电路来进行研究 将耦 合过程分为电阻性耦合 磁场耦合 电场耦合是有好处的 由于直接雷 击而对信息系统的瞬态耦合可起因于下列不同的机理 电阻性耦合 例如 由于接地电阻或电缆屏蔽层电阻引起的耦合 磁场耦合 例如 由于装置构成的环路或连接线的电感引起的耦合 电场耦合 例如 由于杆状天线引起的耦合 由建筑物内设备引起的电场耦合通常比磁场耦合小 耦合受以下因素影 响 接地 等电位连接 屏蔽 金属导体的走向与布局 D 2电阻性耦合 当建筑物遭到雷击时 入地的雷电流通常在防雷装置与远处大地之间产 生几百 KV量级的电压 此电压值取决于接地电阻值 这是与建筑物有 等电位连接并接至远处大地的外来导体 如电线 有局部雷电流流过的 原因 电缆屏蔽层流过的局部雷电流导致在内部芯线与屏蔽层间产生电 压 D 3磁场耦合 雷电流不论其在导体中流过或在雷电通道中流过 都产生磁场 该磁场 在远至100米的范围内 其强度正比于电流随时间的变化速率 磁场强度 H t 是与传导雷电流i单一长直通路中心间的距离r成反比 H t i t 2 r 某些情况下可应用这一公式作简单的估算 但在大多数情况下应对磁场 作详细的分析 在磁场与导体有关联的地方 它就在环路 由这些导体构 成 中产生与dH dt成正比的电压 这就称之为磁感应 D 4电场耦合 在形成主放电之前的瞬间必须考虑在整个雷击区 由雷击点起最远大约1 00米范围 内达到空气击穿放电场强 在500KV m的范围内 的各个场强 主放电形成后 就必须考虑电场的衰减消失以及电场变化率 其值在5 00 KVm s范围内 雷电流电磁耦合过程分析 做为干扰源的雷电电流和雷击电磁场主要是通过路和场二种形式耦合 干扰信息系统的电子设备的 其一 通过导线传导 即通过设备的信号线 控制线 电源线等侵入设备 统称传导干扰 其二 雷击周围空间存在的电场和磁场 会对邻近设备产生干扰 叫近 场耦合干扰 当雷击能量以电磁波的形式向远处传输 从而干扰远处的 设备时 称为远场辐射干扰 这两种形式可称为辐射干扰 即通过场的 干扰 1 电流耦合 当雷闪击在接闪器 或建筑物的金属构件 上 虽然接闪器 引下线和接 地装置的阻值很小 但由于雷电流幅值大 陡度 di dt 大 会在瞬间使引 下线和接地装置的电位骤升上百千伏 对远处大地一零电位而言 如图 7所示 当di dt 100KA s时 在图中所示的回路上产生的感应电压Ust 2 00KV 同理 当有屏蔽层的电缆流过雷电流时 di dt和屏蔽金属层的电 阻也会使芯线与屏蔽层间产生感应电压 在有相当高的电位差的引下线与建筑物内金属线缆之间 在屏蔽电缆的 外皮与芯线之间 在不同的接地装置之间均有可能发生放电现象 这种 现象称为闪络 跳击或反击 2 磁场耦合和电场耦合 雷电通道中 或接闪器 引下线的导体中 的雷电流产生的电场和磁场会 在闭合环路中产生感应电压 从而对环路 及环路中的设备产生干扰 在 场的干扰中可分为近场 感应场 和远场 辐射场 当干扰源与设备的间 距r相对于干扰信号的波长 很大 r 2 时 干扰源的性质表现为辐射 干扰源 其场的性质是辐射电磁场 其特点是电场和磁场同时存在 它 们的比值 电磁波的波阻抗 Z E H 377 当r 2 时为传导干扰源 其场的性质表现为传导干扰源 其场的性质主要表现为电场或主要表现 为磁场 视干扰源的性质而定 高电压 电流小的源 其场主要为电场 Z 377 电压低 电流大的源 其场主要表现为磁场 磁场的Z 377 电场或磁场都属于近场 感应场 似稳态场 准稳态场 其干扰频率一 般都比较低 当空气击穿放电的电场强度值在500KV m范围时 在从雷击点至100m 的范围内 可能受电场影响耦合产生过电压 虽然此时雷击主放电尚未 发生 在雷击发生之后 雷电电场衰减消失 这时电场的变化率在500 k V m s范围内仍起耦合作用 3 电容耦合 电场耦合 任何两块金属之间都存在着电容 其间距越大 电容越小 金属块的尺寸 越大 电容越大 雷电电场可通过场的形式 如上一节所述 耦合干扰设 备 也可以通过流经的导体构成骚扰源电路干扰接收线路 由电容耦合 在接收电路上产生的电压U2与雷电流流过的电路上电压U1关系式如下 U2 Z2 Xcm Z2 U1 说明电场耦合量随频率升高而增加 4 横向干扰 线间 骚扰电流在导线上传输时有共模方式和差模方式两种方式 IEC把在一 组有效导体中任意两导体之间的电压称为差模电压或对称电压 也叫为 横向电压 如图10所示的VL或VQ 差模电压是由差模电流流过而产生 的 而差模电流则可能因雷击造成在不同导体 如相线 中性线 流过大 小相同 方向相反的电流 此外 当一次雷击过程中有多次闪击时它们 有大小和发生先后的区别 因此在不同的导体上也可能产生电位差而侵 入设备 这种横向干扰又称错相位雷击 相对于横向干扰的另一种形式 为纵向干扰 又称共模干扰或不对称电压 是指某一导体和所规定的参 比点之间 往往是大地或与大地连接的机架 出现的相量电压的平均值 也可以说共模干扰是出现于导线与地之间的干扰 常是因地电位升高引 起的 综上分析 雷电可能闪击到建筑物上 除部分雷电流沿接地装置泄散外 尚有部分雷电流可沿进入建筑物的各种金属管线侵入 在高压输电线 路上发生雷击时 线路上产生的过电压也会沿线路传送 直到变压器的 低压侧 造成设备的损坏 此外 可能通过各种耦合机制使设备误动作 或损坏 雷电防护区 按EMC原理将建筑物按需要防护的空间由表及里划分为不同的雷电防 护区 LPZ 有如下实际意义 可以计算出各LPZ内空间雷击电磁脉冲的强度 以确认是否需采 取进一步的屏蔽措施 可以确定等电位连接的位置 一般是各LPZ区交界处 可以确定在不同LPZ交界处选用电涌保护器的具体指标 可以选定敏感电子设备的安全放置位置 可以确定在不同LPZ交界处等电位连接导体的最小芯线截面 IEC61312 1将LPZ分为以下各区 LPZ 0A 直击雷非防护区 本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走 全部雷电流 本区内的电磁场没有衰减 属完全暴露的未设防区 LPZ 0B 直击雷防护区 本区内的各物体很少遭到直接雷击 但本区内 电磁场没有衰减 属充分暴露的直击雷防护区 本区一般在外部防雷装 置接闪器保护范围之内 从理论上本区不可能遭受直击雷 而事实上有 这种可能 LPZ 1 第一屏蔽防护区 本区内的各物体不可能遭到直接雷击 在本区 内所有导电部件上的雷电流比LPZ 0区内的电流进一步减小 本区内的 电磁场因屏蔽措施而有所衰减 本区一般指在钢筋结构的建筑物内 LPZ 2 第二屏蔽防护区 为了进一步减小导电部件上的雷电流和电磁场 而引入的后续雷电保护区 LPZ n 第n屏蔽防护区 需要进一步减小雷击电磁脉冲以保护敏感度水 平高的设备的后续雷电保护区 对一座建筑物 可以分为若干个雷电防护区 见图11 此图分析了LPZ的 划分并指出了做等电位连接的位置 等电位连接和共用接地系统 在防雷装置的设置上人们往往比较注意外部防雷装置和内部的电涌保 护 容易忽视等电位连接在雷电防护的重要作用 有时还特意设置单独 的接地装置 单独的引下线 还错误的提出 共网不共线 分类接地网 不串不共用 一点接地法 的口号 一方面给设计施工增加了难度和增大 了开支 另一方面违背了等电位的基本原理 会给被保护设备以及人身 安全造成潜在的威胁 1 基本概念 防雷等电位连接 是将分开的导电装置各部分用等电位连接导体或 电涌保护器 SPD 做等电位连接 它包括在内部防雷装置中 其目的是减 小建筑物金属构件与设备之间或设备与设备之间由雷电流产生的电位 差 防雷等电位连接区别于电气安全的等电位连接 最主要是将不能直 接连接的带电体通过电涌保护器做等电位连接 等电位连接网络 是对一个系统的外露各导电部分做等电位连接的 各导体所组成的网络 共用接地系统 是一建筑物接至接地装置的所有互相连接的金属装 置 包括外部防雷装置 并且是一个低电感的网形接地系统 接地基准点 是一系统的等电位连接网络与共用接地系统之间唯一 的一点连接点 电电磁干磁干扰扰 电电磁干磁干扰扰的的频谱频谱分布 分布 信息化社会的电磁环境异常复杂 而且愈来愈复杂 电磁干扰分布在整个 电磁波频谱 如果按最常见的干扰的频谱来划分 则可粗略分为以下几个 频段 工工频频干干扰扰 频率50 60Hz左右 主要是输 配电系统以及电力牵引系统所产生的电 磁场辐射 甚低频干扰 30KHz以下的干扰辐射 雷电 核爆炸以及地震所产生的电 磁脉冲 其能量主要分布在这一频段 长波信号干扰 频率范围10KHz 300KHz 包括高压直流输电谐波干扰 交流输电谐波干扰及交流电气铁道的谐波干扰等 射频 视频干扰 频谱在300KHz 300MHz 工业医疗设备 ISM 输电 线电晕放电 高 压设备和电力牵引系统的火花放电以及内燃机 电动机 家用电器 照 明电器等都在此范围 微波干扰 频率从300MHz 300KHz 包括高频 超高频 极高频干扰 核电磁脉冲干扰 频率由KHz直到接近直流 范围很宽 IEMI 从信号类型来看 电磁环境的电磁干扰可以分为有两大类 一是宽频带的 一是窄频带的 从能量传输的方式来看 也有两种方式 一是辐射式的 另 外一种是传导型的 窄频带攻击信号波形差不多是单一频率 一般相对于 中心频率的频带宽度小于1 在一定的时间 一般是微秒的量级 间隔 内辐射 最有可能受到影响的设备频率大致在0 3 3GHz之间 当然 在这 个频率范围之外的设备工作性能也可以遭到影响 特别是有谐振的系统 这类电磁辐射也可能有调制 一般称这种辐射为大功率微波辐射 HPM 这个名词也包括微波以外的辐射 宽频带发射一般是时域上的脉冲 并且是重复式的 宽带辐射的能量分布 在一个很宽广的频带上 例如 超带宽脉冲 UWB 一般上升时间为0 1纳 秒 下降时间在1纳秒左右 因此能量分布在一个非常宽广的频谱上 窄频带干扰信号的能量集中在单一的频率 很容易产生出每米几百千伏 的场强