第二部分 系统工程

1、 防雷工程师培训资料现代防雷技术中的内部防雷电磁兼容（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）

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

3、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RD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=0.07GS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

4、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0.110J降至108106J，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。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

5、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。进入建筑物的各种设施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

6、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L

7、EMP，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。”第一章、 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

8、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

9、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。图11 注 ：表示在不同雷电防护区界面上的等电位连接带 ：分别表示起屏蔽作用的建筑物外墙，房间或其它屏蔽体LPS ：表示外部防雷装置虚线 ：表示按滚球法计算LPS的保护范围和 ：为天面或地面的天线 ：交流配电屏（室）第二章、 屏蔽保护技术（一）屏蔽的分类：屏蔽可按原理分为静电屏蔽、电磁屏蔽和磁屏蔽三种，要求按屏蔽对象而使有不同的屏蔽材料，如低电阻金属材料、高导磁率高饱和的磁性材料等。其材料形状可分为板式、网式和薄膜式三种。对雷击电磁脉冲的屏

10、蔽具体可分建筑物屏蔽、设备屏蔽和各种线缆（包含管道）的屏蔽。建筑物的屏蔽可利用建筑物的钢筋、金属构架、金属门窗、地板等均相互连接在一起，形成一个法拉第笼，并与地网有可靠的电气连接，形成初级屏蔽网。设备的屏蔽应在对电子设备耐过电压水平调查的基础上，接LPZ施行多级屏蔽。屏蔽的效果首先取决于初级屏蔽网的衰减程度，其次取决于屏蔽层对于入射电磁波的反射损耗和吸收损耗程度。在屏蔽中要特别注意对各种“洞”的密封，除门、窗外，重点对入户的金属管道、通信线路，电力线缆入口作好屏蔽。各种线缆均要采取屏蔽措施，金属丝编织网、金属软导管、硬导管、栈桥均可用于屏蔽线缆。雷电流的“趋肤效应”可使相当大的一部分电流沿屏蔽

11、层接地端口泄入大地。在线缆的屏蔽中应注意以下四点：其一是屏蔽管线的接地：一般要求入户线在入户前应埋入地中水平距离15m以上，如条件不允许时，应尽可能加长入户屏蔽层或栈桥长度，且最少在前后两端做良好接地。测量结果表明，电线（缆）屏蔽层一端接地时可将高频干扰电压降低一个数量级，两端接地时可降低两个数量级。其二是电缆连接器的屏蔽往往会被忽视，良好的连接器当它的插头与插座配合好以后，其屏蔽效果应等于或优于所连接同等长度屏蔽电缆的屏蔽效果，最佳办法是沿电缆的周边，把屏蔽层与连接器沿周长连起来，实现沿周长360的连接，或使用尽可能短的附加连线将连接器两端电缆屏蔽相连，或利用插头的一备用芯将两端屏蔽相连。其

12、三是使用金属丝编制网屏蔽电缆，因其重量轻，使用方便而广为应用，但是在电磁波频率较高时，其波长接近编织层网孔尺寸时，波的透入将增加，因此，最好再穿一层金属管。其四光缆介质冲击击穿强度约为40KV，比同轴电缆和对称电缆（5KV左右）大的多，同时光中继站多采用当地供电，雷电沿线侵入中继设备或终端设备的几率很小，直埋光缆很少受雷击，但光缆的金属保护层或内部加固金属芯会减弱防雷效果，因此，也有必要采取屏蔽措施，并在光缆进入光端机之前将金属芯和防护金属层断开，进行等电位连接。埋地线缆也存在着直接雷击的问题，有必要时应安避雷线加以保护。 第三章、 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

13、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。（一）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

14、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。信息系统的等电位连接：各种形式的电子系统的应用在不断增加，这些系统包括计算机、通信设备、控制系统等，在国际电工委员会的标准中将它们统称为信息系统。对信息系统的外露导电部分应建立等电位连接网络，原则上一个等电位连接网络不需要连到大地，但通常所考虑的所有等电位连接网络都会有通大地的连接。其它防护技术1在中国工程建设标准化协会”建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范“CECS72：97中对布线与干扰源的最小间距做出了隔离的规定。2滤波技术，使用滤波器是由电感、电