CH 2 雷电暂态过电压及其传输

3.3暂态电位抬高及危害,在发生雷击时，强大的雷电流及其所产生的空间电磁脉冲能够通过传导、感应和耦合等方式在建筑物内电子系统中产生各种暂态过电压。,本节讨论几种常见雷电暂态过电压的产生及其对电子设备的危害机制，并介绍暂态过电压波传输过程的分析方法。,3.1暂态电位抬高,雷电流将在防雷系统中产生暂态高电位，这一暂态现象称为暂态电位抬高。,避雷针系统,如果引下线与其周围电子或电气设备之间绝缘距离不够，且设备又不与避雷针系统共地，则两者之间就会出现很高的电压并会发生放电击穿，造成所谓反击现象。反击的发生能导致电子或电气设备严重损坏，甚至危及人身安全。,地电位反击,GB50057-94第三章第二节第3.2.1条第五款“有关防反击距离要求的规定”。对于一类建筑物而言：1、独立避雷针和架空避雷线（网）的支柱及其接地装置至被保护建筑物及与其有联系的管道、电缆等金属物之间的距离应符合一定的要求，最小不小于3米；,防雷装置至被保护物的距离,1.地上部分：当hx5Ri时，Sa10.4(Ri+0.1hx)当hx5Ri时，Sa10.1(Ri+hx)2地下部分：Sel0.4Ri式中：Sa1空气中距离(m)；Se1地中距离(m)；Ri独立避雷针或架空避雷线（网）支柱处接地装置的冲击接地电阻()；hx被保护物或计算点的高度(m)。,2、架空避雷线至屋面和各种突出屋面的风放散管等物体之间的距离应符合一定的要求，最小不小于3米；,1当(h+l/2)5Ri时，Sa20.2Ri+0.03(h+l/2)2当(h+l/2)5Ri时Sa20.05Ri+0.06(h+l/2)式中Sa2避雷线(网)至被保护物的空气中距离(m)；h避雷线(网)的支柱高度(m)；l避雷线的水平长度(m)。,3、独立避雷针、架空避雷线或架空避雷网应有独立的接地装置，每一引下线的冲击接地电阻不宜大于10。土壤电阻率高的地区，可适当增大冲击接地电阻。,第3.2.2条第一款、第二款,1、金属屋面周边每隔1824m应采用引下线接地一次。现场浇制的或由预制构件组成的钢筋混凝土屋面，扎其钢筋宜绑或焊接成闭合回路，并应每隔1824m采用引下线接地一次。,2、平行敷设的管道、构架或电缆金属外皮等长金属物，其净距离小于100mm时应采用金属线跨接，跨接点的间距不应大于30m；交叉净距小于100mm时，其交叉处亦应跨接。,一根专用接地线在高频下其阻抗为：,铜导体在自由大气中的电阻和电抗,将信息系统的工作频率，专用引下线18m的R、L代入上式，阻抗高达近200，因此，当这个接地装置的阻抗即便很低（如小于1）也是毫无意义的。,在信息系统上安装电涌保护器，当电涌保护器承受雷电冲击而对地泄放时，被保护的信息系统设备绝缘承受的电涌电压为电涌保护器上的残压和其连接线上的电压将之和，即：,电涌保护器连接线的全长不宜超过0.5m。在设备所在楼层按S型或M型设接地基准点（ERP）或环形接地母排，并将其与建筑物主钢筋连接，达到局部等电位连接。,邻近未受雷击建筑物内的反击,3.2感应过电压,雷电放电能够在回路中和线路上感应出暂态过电压，其中前者属于磁场感应，后者主要属于电场感应。,1、回路感应过电压,当建筑物遭受直接雷击或建筑物附近发生雷击时，在建筑物防雷系统中流过的暂态电流或雷电放电通道中的雷电流将在建筑物内部空间产生脉冲暂态磁场，这种快速变化的磁场交链这些回路后，将在回路中感应出暂态过电压，危及与这些回路相端接的电子设备。,回路感应过电压实例,窄长感应回路,（a、b两图中绝缘击穿的情况有所不同）,3.3耦合与转移过电压,高位耦合与转移,电缆中耦合过电压,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，于是就能够通过磁耦合在芯线与金属护套以及芯线与芯线之间产生暂态过电压。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=I2mRr上式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。,地下电缆中耦合过电压,3.4共模量与差模量,1、共模与差模电压和电流,定义共模与差模电压的示意电路,用共模与差模电压表示的电路,共模与差模电流示意图,2、产生共模暂态过电压的实例,跨接两座楼的通讯系统,由芯线构成的感应回路,实际出现在电子系统中的雷电暂态过电压大部分表现为共模形式，只有少数表现为差模形式。比较典型的差模过电压情况常出现在多芯电缆中，当雷电流在电缆的金属护套上流过时，它所产生的暂态磁场交链由芯线构成的回路，在芯线之间感应出差模过电压。配备在电子系统中的暂态过电压保护装置在抑制共模过电压时，由于各个保护元件之间的动作分散性，也会将共模过电压转化为差模过电压。,3.5暂态过电压波的传输,由于雷电暂态过电压变化速度快，其波形频谱中含有丰富的高频分量，对于这种波过程不宜采用传统的集总参数电路方法来处理，而需要应用分布参数电路理论来分析。,一、均匀传输线方程,典型结构的传输线,电流在这些均匀导线中流动时有以下特点：电流在导线的电阻中流过将产生沿线的电压降；同时又在导线周围产生变化的磁场，该变化磁场沿全线产生感生电压（电感电压降），所以导线间的电压是连续变化的。,两根导线（在上图d中，可将大地看成是另一根导线）构成电容，在导线之间有位移电流流过，又由于导线之间的媒质不是完全的绝缘体，导线之间还有泄漏电流存在。于是在沿线的不同地方，导线中的电流将是不同的。,均匀传输线,均匀传输线电路模型,基尔霍夫电流定律,基尔霍夫电压定律,忽略电阻RO和电导GO,（1）,（2）,将方程（1）对x求偏导，将方程（2）对t求偏导,以上方程就是无损线的波动方程，其通解可表示为：,在以上两式中，称为波速度，Z称为波阻抗，它们分别表示为：,二、波的折射和反射,当线路突然改变时，波将在参数突变的边界处发生折射和反射。运用波动方程的通解表达式，再加上线路上出现参数突变处的边界条件，可以对折射和反射波进行计算。,不同波阻抗的两条线路串联,将,代入上式：,三种特殊情况(重点）,1、线路末端开路u=2，u=1，i=0，i=-1，折射与反射波形如下图所示：,线路末端开路时的折射与反射波形,线路1中反射波与来波叠加，抬高了线路1中的电压。,2、线路末端短路u=0，u=-1，i=2，I=1，折射与反射波形如下图所示：,线路末端短路的折射与反射波形,在线路1中反射波与来波大小相等，方向相反，相互抵消。,3、线路末端接有电阻R=Z1u=1，u=0，i=1，i=0，在这种情况下电压和电流波均无反射现象,线路末端电阻R=Z1时的折射波形,这相当于线路1在A节点后继续延伸，形成均匀传输线情况，这种情况常称为阻抗匹配，并在电子与电子技术中得到广泛应用。,三、波通过串联电感和旁边并联电容,雷电暂态过电压和过电流波在通过串联电感或者旁边并联电容时所发生的折、反射，对于保护装置的保护特性有重要影响。,集总参数等值电路,含串联电感接线及其等值电路,波通过电感后的折射波电压可以表示为：,反射波电压为：,波通过电感应时的折射和反射,含并联电容的接线及其等值电路,等值电路回路方程为：,波旁过电容时产生的折射波电压为：,反射波电压为：,波旁过电容时的折和反射,结论：,波通过串联电感和旁边并联电容时都会使折射波陡度降低，但这两种情况下所产生反射波符号是相反的。波通过串联电感时将产生正的反射波电压，使电感前的