信号防雷接地防雷设备研究分析

雷电防护设备及防护原理铁道科学研究院通信信号研究所.内容提要一、防雷器件的工作原理及性能（一）气体放电管（二）晶闸管（固体放电管）（三）压敏电阻（四）瞬态二极管（五）防雷变压器（六）滤波器二、防雷设备的组成及防护原理（一）电源防雷设备（二）通信信号防雷设备（三）计算机信息系统防雷设备三、防雷产品.一、防雷器件的工作原理及性能（一）气体放电管 气体放电管的定义：它是一种陶瓷或玻璃封装的、内充低压气体放电介质的、密封于一个或一个以上放电间隙中的短路型保护器件，一般分两电极和三电极两种结构。其作用是用以保护设备和设备操作人员免遭高电压冲击的过电压保护元件。 密闭气室内的放电介质：填充气体为惰性气体（氩、氖等）；或其他气体（氢等）。.气体放电管的结构.1.气体放电管的工作原理1）工作原理 根据气体在外界电场的作用下，随着外界电场的增强，当极间的电场强度超过气体的击穿强度时，将产生气体的放电现象，使原来为绝缘的气体骤变为导电体（绝缘击穿）,从而限制了极间的电压，使与放电管并联的其它器件得到保护。

2）气体放电电压-电流测量模型及特性曲线.气体放电电压－电流测量模型图.气体放电电压－电流特性曲线. 从气体放电管的放电机理可以知道，气体放电管的点火电压除了与气体的压力和电极间的距离具有一定的函数关系外，它还与气体的成分比例，电极材料（包括涂敷处理）,电极形状（包括曲率半径、光洁度），外加电压波形（包括直流、交流、频率、脉冲）和照射等因素有着密切关系。因此，控制上述各种影响气体放电广点火电压的因素，就可以制作各种规格的放电管系列产品。

.放电电压与响应时间的关系.2.气体放电管的制造工艺

陶瓷放电管的零部件主要是陶瓷件（瓷管）和金属件（L电极、E电极、管帽、银铜焊帽）两种。 以陶瓷放电管为例简要说明如下：.气体放电管制造工艺流程框图.3.气体放电管的分类与结构

1）根据放电管的管体材料

（1）玻璃放电管 ―使用部门：通信（广泛应用在①通信设备长途线路的进局线终端保安器；②进局电缆、介入电缆与架空明线相连接的分线箱保安器）和铁路信号 ―受限特性（耐流能力）导致在实际应用中不单独使用：与熔断器和/或火花间隙配合（2）金属陶瓷放电管 具有优越的性能，广泛应用于铁路信号设备的雷电防护。. 2）根据气体放电管的结构 （1）二极放电管：由纯铁电极、镍铬钴合金管帽、银铜焊帽和陶瓷管构成 （2）三极放电管：另外增加一个镍铬钴合金圆筒作接地电极.4.气体放电管的特点

体积小、功率（通流容量）大、使用寿命长、冲击放电延时短、绝缘电阻高、极间电容很小、遮光性能好、受环境影响小等等。陶瓷三极放电管还具有良好的对称性，克服了二极放电管由于线-地间点火时刻和遮断时间的不一致所造成的线间电压。提高了对设备的防护效果。.5.相关术语和技术指标

1）名词术语

◆击穿：放电管的间隙在一定电压作用下,管内气体被电离,从高阻抗绝缘状态瞬变到低阻抗导通状态,亦称“点火”。

◆击穿电压：在放电管极间施加的致使放电管放电间隙开始发生击穿时刻的电压。

.

◆直流击穿电压：在放电管极间施加缓慢上升的致使放电管放电间隙发生击穿时刻的直流电压，亦称直流点火电压。

◆标称直流击穿电压：放电管直流击穿电压的额定值，由制造厂家给定。

◆冲击击穿电压：对放电管施加一定上升速率的单次冲击电压，致使放电管击穿时刻的电压值。◆横向电压：具有一个以上间隙的气体放电管，当放电电流通过时，出现在连接通信回路的电极间电压。.◆过保持电压：在特定电路条件下，放电管经冲击放电后，出现在连接通信回路的电极间的电压。

◆续流遮断时间：在特定电路条件下，放电管经冲击放电后，从低阻抗导通状态恢复到高阻抗绝缘状态所需要的时间。

◆放电电流：放电管击穿后通过放电间隙的电流。

◆交流放电电流：通过放电管放电间隙的交流电流（有效值）。.◆标称电流：标称电流是放电管交流放电电流的额定值。

◆冲击放电电流：通过放电管的冲击电流峰值。

◆续流：放电管击穿放电而引起线路工作电源产生并继续流经放电管的电流。

2）技术参数 见相应的参考资料。.6.气体放电管的应用及注意的问题

金属陶瓷放电管是广泛应用于邮电通信、铁路信号、广播电视、计算机、家用电器、仪表等领域的过电压保护器件，是目前最为理想的过电压防雷保护器件。 1）气体放电管的保护方式 二极放电管与三极放电管保护方式的比较（参见图）.二极放电管保护方式接线图.二极放电管外观图之1.

◆放电管F1、F2点火时刻和遮断时间的离散性→时间差→线间横向电压。

◆三极放电管具有良好的对称性→同时放电→抑制线间电压→提高防护效果。.三极放电管保护方式接线图.

2）值得注意的几个问题 （1）放电管的续流

a.续流的产生 放电管在外加冲击电压作用下，当放 电管被击穿后，随同放电电流通过的过程及 随后，放电管还流过来自电源或回路的工作 电流，称为放电管的续流。.二极放电管续流示意图.三极放电管续流示意图.

b.续流的危害 影响放电管电极间绝缘的恢复，产生 过热负荷，缩短放电管使用寿命，最终导致 放电管损坏。

c.防止续流的措施 在电源或设备的回路接入电阻，或者 在放电管的分路接入非线形电阻器，以保证 其能够可靠地灭弧。. （2）标称电压和耐流能力的选择

a.直流点火电压标称值的选择 保证可靠地避免放电管在没有外界过 电压侵入时不应由于回路的工作电压而造 成放电管的频繁地工作。 ①直流工作回路：依据经验公式

.

②交流工作回路： 在上面两个公式中：a为工作回路电压 波动系数上限值，一般取1.15；b为安全系 数，一般取1.25；c为放电管直流点火电压 标称值的允许偏差的下限值，一般取0.85 或0.80。.

b.放电管耐流能力的选择 应考虑：大气中雷电放电感应所引起的冲击电流幅值；电力线的感应所引起的交流电流有效值。 一般情况下：电源为10kA、20kA和40kA；通信为3kA、5kA。

一般：V标称≥

1.8Vc（直流回路）；

V标称≥

2.54Vrms（交流回路）。.

1）试验条件 放电管的电气性能试验应在规定的试验大气条件下进行：

a.温度：15～35℃ b.相对湿度：45～75% C.气压：86～106kPa

2）电气特性试验项目 绝缘电阻、极间电容、直流点火电压、冲击7.气体放电管电气性能试验方法. 点火电压、维持电压、冲击耐流能力及横向电压。 以直流点火电压特性试验为例：.（二）晶闸管（固体放电管）

固体放电管是一种过压保护器件，是利用晶闸管原理制成的，依靠PN结的击穿电流触发器件导通放电，可以流过很大的浪涌电流或脉冲电流。其击穿电压的范围，构成了过压保护的范围，固体放电管使用时可直接跨接在被保护电路两端。

.固体放电管的结构

固体放电管是一种双向两端半导体器件，其内部结构与双向晶闸管十分相似，但没有触发门，是电压自触发器件。.固体放电管的电压电流特性（V-I

特性）.固体放电管的电参数定义

●

开关转换电压(VS)：在转换到通态之前的最大电压

●

峰值断态电压(VDRM)：维护断态允许施加的最大电压

●通态电压(VT)：在“通态”电流时测量的最大电压 ●通态电流(IT)：最大速率连续通态的电流 ●开关转换电流(IS)：转换到通态所需的最大电流 ●泄漏电流(IDRM)：在VDRM时测出的最大峰值断态电流

●通态电容(C0)：断态时测量的典型电容值(30-100pF) ●保持电流(IH)：维持通态所需的最小电流 ●峰值脉冲电流(IPP)：最大速率的峰值脉冲电流.固体放电管的工作原理

固体放电管抑制过电压一般靠的是它的击穿电压电平箝位作用。在伏安特性曲线中可以看出，当外加电压低于VDRM时，器件处于短开状态，使被保护设备正常工作；当外加电压高于VS（击穿电流升至Is值）时，固体放电管迅速进入导通状态，这时近乎短路，通过很大的浪涌电流或脉冲电流，将起到快速消除浪涌、保护设备的作用；当外加电压恢复正常后，电流能很快下降到低于维持电流IH，放电管自然地回到断开状态。.固体放电管的特点

可控硅结构，性能优越于气体放电管、压敏电 阻及TVS二极管； 雷电及瞬间过电压防护，无限重复，响应时间 快速（1ns）

启动电压范围5V～550V，瞬间冲击电流可达 50A～3000A；

无极性、双向浪涌保护、对浪涌有良好的吸收 性。.固体放电管的选择

固体放电管的选择标准主要是以下几个关键参数：

1.峰值断态电压（VDRM） 必须大于被保护电路的最大工作电压。

2.开关电压（VS

） 必须小于被保护设备所允许的瞬间峰值电压。 3.峰值脉冲电流（IPP） 必须大于通讯设备标准的规定值。 4.断态电容（CO）

5.维持电流（IH）-脉冲过后，通过固放管的电流必须 小于维持电流，以保证其恢复到断态。.固体放电管的应用

固体放电管被广泛应用在用户终端设备、数据传输设备、模拟线路卡接口、交换机系统、有线电视设备及数据线保护等方面。目前在我们的防雷系列产品中也是一种应用较为普及的防雷元器件（后面防护电路中讲到）。

.（三）压敏电阻器

压敏电阻器，就是对外加电压敏感的陶瓷 器件，有碳化硅、硅、锗以及氧化锌等。

目前多指氧化锌压敏电阻器（性能优越）

氧化锌压敏电阻器：以氧化锌为主料，添

加多种其他微量元素（如锰、镍等的氧化

物）做成的陶瓷片，用陶瓷工艺制成的化

合物半导体元件（非线性电阻元件）。.

它的基本特性是电流—电压关系的非线性。当加在它两端的电压低于某个阈值电压，即“压敏电压”时，它的电阻值极大，为兆欧级；而当加在它两端的电压超过压敏电压后，电阻值随电压的增高急速下降，可小到欧姆级、毫欧姆级。.压敏电阻阀片的微观结构.电压在压敏电阻阀片中的传导机理.氧化锌压敏电阻器等效电路及特性曲线

.氧化锌压敏电阻器在不同温度条件下的

V-I特性曲线.氧化锌压敏电阻器电参数（一）◆非线性系数：描述压敏电阻器非线性强弱的电参数，表征压敏电阻器V-I特性偏离欧姆定律的程度。 ◆电压温度系数：衡量压敏电阻温度特性的参数，即随着温度的上升，压敏电压下降。 ◆标称电压（起始动作电压）：指在规定的温度和直流（一般为1mA或0.1mA）下，压敏电阻器两端的电压值。记为V1mA或V0.1mA。 ◆漏电流：在25℃或规定的其他温度下，施加最大连续直流电压（或实际压敏电压的75%）时，通过压敏. 电阻器中的电流。 ◆残压和残压比：残压是指压敏电阻器流过某一脉冲电流时元件两端的电压峰值，残压比是这个峰值电压与压敏电压的比值。

◆冲击通流容量（最大冲击电流）：在压敏电压变化率不超过±10%，冲击电流波形为8/20s的条件下,压敏电阻器所能承受的最大电流。

◆最大连续电压：指在规定环境温度下，能长期持续加在压敏电阻器两端的最大正弦交流电压有效值或最大直流电压值。氧化锌压敏电阻器电参数（二）.氧化锌压敏电阻器电参数（三） ◆限制电压：压敏电阻器中通过规定大小的（8/20μs）冲击电流时，其两端的最大电压峰值。

◆额定功率：指在规定的环境温度下，可施加给压敏电阻器的最大平均冲击功率。

◆最大能量：在压敏电压变化不超过±10%，冲击电流波形为10/1000μs或2ms的条件下，可施加给压敏电阻的最大一次冲击能量。

◆静态电容量：指压敏电阻器本身所固有的电容量，它是在20℃±10%的环境中，施加以1kHz，最大幅值为为1Vrms信号所测得的电容值。 ◆频率特性：氧化锌压敏电阻器的V-I

特性随频率而变化。.氧化锌压敏电阻器的特点及应用

与气体放电管，固体放电管（TVS器件）等其他类型的冲击抑制器件相比，氧化锌压敏电阻器有许多重要特点：

压敏电压范围宽，单个电阻片为数伏到数千伏 响应速度快（ns级） 冲击耐流能力和冲击能量大 限制电压（残压）低 无续流 寿命长，性价比高 这些特点使得氧化锌压敏电阻器成为现代技术中主要的电冲击保护元件，从而被广泛使用于通信、电力、交通、工业控制、汽车电子、医用设备和家用电器中。.氧化锌压敏电阻器的选择

1.选择的原则：应不影响被保护设备的正常工作。 2.选择的指标：

a.起始动作电压V1mA值

b.通流容量：通过元件入地的雷电流强度较大→ 纵向防护：10kA、5kA

横向防护：5kA、3kA、1kA

c.静电电容(寄生电容)：一般在几百到几千pF数 量级→影响高频信号的传输

d.漏电流：电路的正常工作和元件本身使用寿命

→V1mA100V时，漏电流80A

→V1mA≥100时，漏电流20A

.氧化锌压敏电阻器应用中的问题 氧化锌压敏电阻器V-I特性的蜕变使得压敏 电阻器出现劣化现象； 电压温度系数：压敏电阻器自爆现象； 耐流能力的选择-面积和厚度的关系；

氧化锌压敏电阻器的寄生电容影响它在高频 条件下的使用；

氧化锌压敏电阻器在低气压条件下的应用。.CeramicSolder

焊锡Contactor联接器Metallization刷银COS

385QP612Contactor连接器Solder

焊锡Ceramic

陶瓷.（四）瞬态二极管

(TVS-TransientVoltageSuppressor)

亦称齐纳二极管，它也是一种箝位类型抑制过电压的元器件。其核心部分是具有较大截面积的PN结，当电压超过元件的雪崩电压、使PN结工作在雪崩状态时，TVS二极管随着加在其两端的电压不同而改变其阻抗，将电压箝位在一定值，它具有较强的脉冲吸收能力。

TVS二极管是固态元件，其特性不易蜕化，只要工作在它的特定限制范围内，其电气参数不会改变。.

齐纳二极管与雪崩二极管具有形状相似的伏安特性，给出了它们一般化伏安特性的示意图，该伏安特性可划分为三个工作区，即正、反向区和击穿区。在正向区，齐纳二极管和雪崩二极管与普通二极管一样，在很低的正向电压作用下，就能够有大量的多数载流子流过结区。在反向区，管子上承受的反向电压低于击穿电压，管子中流过很小的反向泄漏电流。当管子上的反向电压达到击穿电压值后，它就击穿导通，进入击穿区。在击穿区内的伏安特性可用下式加以表示：

I=cua

瞬态二极管的伏安特性.瞬态二极管的伏安特性曲线.瞬态二极管的反向击穿 ●二极管在外加反向电压作用下，其结区电场强度增强到足以从原了的束缚力下释放出载流子，从而产生击穿导通。 ●当外加反向电压达到一定数值后，少量的自由少数载流子得到足够的速度去碰撞价电子并给它们以足够的能量，使它们离开各自的原子，新增的载流子参与到这种游离过程中去，使游离以雪崩方式发展。.瞬态二极管的泄漏电流 ●当齐纳二极管和雪崩二极管上承受的反向电压小于其击穿电压值时，管子工作于反向区，反向泄漏电流流过管子。

●泄漏电流总是随反向电压的增大而增大，也随温度增加而增大。

.瞬态二极管的特点

●优点：

a.残压低，动作精度高

b.响应时间较快（≤1ns）

c.无跟随电流（续流） ●缺点：

a.耐流能力差,无法承受太大的瞬间电流 b.箝位电压随着电流增加而增加 c.通流容量小，一般只有几百安培

.瞬态二极管的应用范围

TVS二极管功率值较低，一般不作为第一级接口保护器，通常用作抵电压电路的二级保护。当使用在交流电路中时，需要用两个二极管对顶连接。

TVS二极管能有效地箝制快速上升的瞬间电压，特别适合于不需要旁路大能量的低电压场合的应用。.比较项目固体放电管气体放电管压敏电阻TVS二极管保护方式负阻负阻箝位箝位保护原理无触发pnpn气体电离放电类似雪崩二极管雪崩二极管结电容50pF10pF500pF>300pF响应时间＜1ns＜1s＜1s＜1ns最大瞬间电流3kA20kA20kA50A最大漏电流1A1pA＜

20A20A上述四种过电压防护器件的比较.（五）防雷变压器

防雷变压器的定义： 加装有静电屏蔽层的具有防雷功能的变压器(lightningprotectiontransformer

)。防雷变压器是一种用来限制雷电电磁脉冲过电压的防雷装置。.防雷变压器的绕组

●

初级绕组(primarywindinginLPT)

防雷变压器的初级绕组是指绕制在变压器铁芯上，接受电能一侧的绕组。

●

次级绕组(secondarywindinginLPT)

防雷变压器的次级绕组是指绕制在变压器铁芯上，输出电能一侧的绕组。.防雷变压器的线路侧绕组

（linesidewindinginLPT）

防雷变压器和外线相接一侧的绕组称为防雷变压器线路侧绕组。一般情况下，防雷变压器接入供电线路和用电设备间，这时，线路侧绕组就是初级绕组。但有时防雷变压器接入供电设备和用户线路间，这时，线路侧绕组就是次级绕组。.防雷变压器的设备侧绕组

（equipmentside

windinginLPT）

防雷变压器和用电设备相接一侧的绕组称为防雷变压器设备侧绕组。一般情况下，防雷变压器接入供电线路和用电设备间，这时，设备侧绕组就是次级绕组。但有时防雷变压器接入供电设备和用户线路间，这时，供电设备侧绕组就是初级绕组。.防雷变压器电气及技术要求（一）

●

绝缘耐压 在大气压力不低于89.8kPa（海拔高度不超过l000m）时，防雷变压器的线路侧绕组与设备侧绕组间；线路侧绕组与屏蔽层间；设备侧绕组与屏蔽层间，应能承受规定的交流50Hz正弦波试验电压（有效值3000/2000）及规定的施加电压时间和次数，应无击穿或闪络现象。 重复试验的试验电压值为规定的75％。.防雷变压器电气及技术要求（二）

●

绝缘电阻

在试验的标准大气条件下，防雷变压器各绕组之间，各绕组对铁芯、外壳间，线路侧绕组对屏蔽层间的绝缘电阻应不小于1000MΩ，设备侧绕组对屏蔽层间的绝缘电阻应不小于600MΩ。 ●电压调整率⊿U% 电源防雷变压器串联接入电路后满负荷工作时，防雷变压器输出端的电压降落和输入电压之比的百分数。.防雷变压器电气及技术要求（三） ●冲击电压转移系数η （transferratioofsurgevoltage）

给定雷电冲击波形（1.2/50µs的冲击电压波）和幅值时，在被测防雷变压器设备侧和线路侧测得的电压比，也可用衰耗(db)表示。冲击电压转移系数可用下式简单计算：

.防雷变压器的冲击耐压

在防雷变压器的线路侧绕组与设备侧绕组间、线路侧绕组与屏蔽层间施加波形1.2/50μs，幅值10kV的冲击电压波，正、负极性各5次进行冲击耐压试验时，应无击穿或闪络现象。 在防雷变压器的设备侧绕组与屏蔽层间施加波形1.2/50μs，幅值5kV的冲击电压波，正、负极性各5次进行冲击耐压试验时，应无击穿或闪络现象。.防雷变压器的特性指标

●防雷变压器的效率：0.5kVA及其以下应不低于85％；0.5kVA以上应不低于90％。

●防雷变压器的电压调整率：5kVA及其以下应不大于7％，5kVA以上应不大于5％。

●防雷变压器的冲击电压转移系数：设备侧绕组与屏蔽层间对线路侧绕组与屏蔽层间的冲击电压转移系数应满足规定（轨道防雷变压器≤1/300；电源防雷变压器≤1/500

）。.防雷变压器的性能试验

●

试验条件：

a.标准大气压（温度、湿度、气压）

b.按厂家的安装程序固定和电气连接

c.模拟试验波形1.2/50μs，容差分别为峰值:±3%；波头:±30%；半峰值时间:±20%

●

试验项目：

绝缘电阻、绝缘耐压、冲击耐压、冲击电压转移系数温升、空载特性、负载特性、效率及电压调整率、振动、冲击、高低温、交变湿热、低气压、长霉以及盐雾等试验项目。.

电源线和信号线上感应的过电压，在传输线路上是以行波的方式传输并最终到达设备的入口端。当第一级防雷装置（器件）动作以后，仍然会存在一个几百到上千伏的脉冲残压。虽然从试验图象中看到这个残压是一个脉冲信号，但实际上其中包含了很多的脉冲分量。研究表明，雷电波的能量频谱都集中在几千赫兹到几百千赫兹之间，因此使人们自然会想到，利用滤波器来吸收这部分雷电波能量。（六）滤波器.滤波器的工作原理

滤波器是指由电感和电容组成的两端口传输网络，它利用LC谐振的原理达到阻塞低频信号（高通滤波器）或高频信号（低通滤波器）的目的。.雷电波的频谱分析 雷电波形：

i(t)＝I(-e-at+e-bt)，经傅立叶变换得到：I(jω)=I{(1/b+jω)-(1/a+jω)} 经计算：8/20μs、1.2/50μs、10/700μs的90%峰值电流积累值分别出现在24kHz、87kHz和11kHz，可见，波前越陡，它的谐波越丰富，频带越宽。 结论：电源防雷就可采用低通滤波器；在高频信号传输中，则可用高通滤波器。.低通滤波器–用于电源防护.高通滤波器–用于天馈线防护

从原理上来讲，利用高通滤波器可抑制低频（相对于高频无线信号）雷电波的能量侵入到电台天馈线接收设备中，从而达到防护的目的。.（七）直击雷防护装置

避雷针（也称为接闪器）是目前广泛应用于直击雷防护的主要装置，避雷线和避雷带是在避雷针的基础上发展起来的。采用避雷针是最首要、最基本的防雷措施。

.1.避雷针

避雷针的说法是对保护设备而言的，它是一种主动式接闪装置，其英文原名是LightningConductor，原意是闪电引导器，其功能就是把闪电电流引导入大地。后来实践也证明，它不能“避雷”，而是将雷引向自身来保护其周围的设备。.

1）避雷针的工作原理

当雷云先导接近地面，雷电放电朝地面电场强度最大的方向发展时，由于避雷针高出周围的建筑物并且一端良好接地，因此雷云与避雷针间的电场强度最大，增加了雷云向避雷针的放电机会。雷电流通过避雷针泄入大地，避免了其他物体遭受雷击。

.2）避雷针的保护范围及其计算方法 在一定高度的避雷针下，有一个安全区域，在这个区域内的物体基本上可免遭雷击，这个区域一般称为避雷针的保护范围。但并不是在保护范围内的物体绝对不会遭受雷击，因为还存在闪电绕击保护范围内的物体的现象。.

（1）单支避雷针保护范围的计算 假设：h

为避雷针的高度，H

为雷云的高度，hx为被保护物体的高度，rx为避雷针在hx高度水平面上的保护半径。避雷针的保护半径可估算为：在上式中h>30m时，p=5.5/h0.5；否则p=1。由经验公式知,避雷针在地面的保护半径为：

r=1.5h.

（2）滚球法确定两支及以上避雷针的保护范围

滚球法是以hr

为半径的1个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及避雷针(包括被利用作为避雷针的金属物)，或只触及避雷针和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物)，而不触及需要保护的部位时，则该部分就得到避雷针的保护。.滚球法的运用.

滚球法确定避雷针保护范围的优点在于它具有通用性，除独立避雷针、避雷线受相应的滚球半径限制其高度外，凡安装在建筑物上的避雷针、避雷线(带), 不管建筑物的高度如何，都可采用滚球法来确定保护范围。 这种方法适用于:

●

任意形式的常规接闪器，包括避雷针，避雷带, 避雷线，避雷网等。

●

接闪器的安装数量不受限制。

●

地形起伏不受限制。

●

除保护对象外，其他建筑物均视为大地。

.单支避雷针保护范围的确定.滚球法确定避雷针的保护范围.

（3）除了上述介绍的方法之外，在过去还有折线法、曲线法，在日本采用45度角（易爆建筑物，角小，安全些）、60度角（一般建筑物，角大，可低一些） 3）避雷针的使用条件 避雷针引雷入地时，在大地上产生很高电压，如被保护设备距离避雷针太近，就可能出现地面高电位反击设备，或因电磁感应在电子设备上感应出高电压。因此避雷针的使用是有条件的，应根据不同的防护对象来设置。.2.避雷线和避雷带（网）

避雷线、避雷带（网）是避雷针的变形，它们的接闪原理是一致的。 避雷线架空敷设时，称之为架空避雷线或架空地线，它不仅可保护在保护区范围内的设备免遭雷击，同时还有对感应雷的屏蔽作用。架空地线到被保护线的直线与架空地线对大地的垂线间的夹角称为架空避雷线的保护角（），保护角越小，雷电绕过架空地线击中被保护设备的可能性越小。例如，在20º～25º以下时，绕击率仅为0.001；而在30º～35º以上时，绕击率增至0.1，因此一般选去取=30º。.

避雷带是在建筑物的屋脊和屋顶四周敷设的接地导体，是由避雷针、避雷线发展而来的。避雷网是在避雷带的中间敷设接地导体，以保护建筑物的中间部位。用于保护建筑物，其优点是敷设简便、造价低,而且同高耸的避雷针相比,引雷的几率大为减少。而且它接闪后一般是由多根引下线泄散电流（在铁标TB/T3047-2003中规定至少有六条引下线与接地装置焊接连通），室内设备上的反击电压相对较低。.3.避雷针引下线 当避雷针遭到直击雷时，很大的雷电流要通过引下线入地，因此，它的作用就是为雷电流提供泄放通路。在国标《建筑物防雷设计规范》GB50057-94）中，对避雷针的金属引下线提出了相关的规定，以及降低引下线电磁干扰的措施，如多根引下线的分流作用，均匀对称的布置在建筑物四周可相互抵消内部电磁场，利用建筑物的钢筋框架这个很好的屏蔽笼（法拉第笼）接闪引下雷电流等。因此，普通金属引下线的方法在技术经济上都是可行的。.4.避雷针接地

接地是直击雷防护装置最关键的环节，也是防雷系统中最基础的环节，好的接地才能有效地降低引下线上的电压，避免发生反击，否则，所有防雷措施的防雷效果都不能发挥出来。 如何获得较小的接地电阻也是防雷研究的一个重要内容。接地电阻主要受土壤电阻率（起决定作用）和地极与土壤接触电阻有关，在构成地网时与形状和地极数量也有关系。降阻剂和各种接地极只能改善地极与土壤的接触电阻或接触面积，土壤电阻率却由周围环境决定。因此，接地体设置位置要慎重选择。.避雷针的应用

避雷针在实际的应用中，必须解决的是它的保护范围问题。 建筑物屋顶避雷针保护建筑物本身免受直击雷的袭击；无线移动通信基站铁塔顶部装设避雷针，保护收发天线。.

二、防雷设备的组成及防护原理

通常所指的防雷设备包括以下几种：电源、天馈线、信号线防雷保安器（后两种又统称通道防雷保安器），以及接地装置。 防雷保安器:浪涌保护器SPD（SurgeProtectiveDevice）的一种，是用来限制雷电过电压及过电流的装置，它至少应含有一个非线性元件。 通道防雷保安器：用于限制由数据线、通信线、信号线侵入信息传输设备的雷过电压及过电流的防雷保安器。.防雷保安器的基本要求 防雷保安器接入后不得影响设备正常工作，在平时无雷电干扰时，必须满足以下要求：

a.对雷电箝位必须准确，不得箝位工作信号电平、电 源电压；

b.插损必须小，不得降低信号传输速率； c.不得增加线路的串音； d.不得使传输信号发生畸变；

e.不得降低计算机设备的绝缘；

f.电源防雷保安器的漏泄电流必须小； g.必须和被防护设备的特性阻抗匹配。.防雷保安器的基本要求

在雷电侵入时，防雷保安器必须满足以下要求：

a.必须动作迅速，在最短时间内将过电压抑制在 能保证设备安全的足够低的数值（残压低）；

b.应具有足够大的功率，可经住在大部分雷击而 自己不被损坏；同时由于一次雷击放电是由多 个脉冲组成，防雷保安器不应在第一个脉冲时 即造成损坏，并应在多次雷击后不劣化；

c.雷电作用过程完结后，必须立即恢复常态，影 响系统工作的时间必须小到以微秒计。.防雷保安器的组成

浪涌保护器(SPD)主要由以下防雷元器件组成： 气体放电管、压敏电阻器、瞬态二极管(TVS)、晶闸管、高低通滤波器等元件根据不同的频率、功率、传输速率、阻抗、驻波、插损、带宽、电压、电流等要求组合成电源线、天馈线、通信及信号线系列浪涌保护器(SPD)。 安装在微电子设备的连接线路中，只要设计合理、安装合格、浪涌保护器就能对雷电感应高电压进行有效的防护。

.防雷保安器中器件的类别

雷电防护装置中的防雷元器件目前有电压开关型（即泄流型）和电压限制型（即箝位型）两种。 电压开关元件如放电间隙、气体放电管、固体放电管等在没有过电压的常态具有极高的电阻，一旦过电压达到它的击穿值，其电阻就变得极低，功能形如开关，有不连续的伏安特性。

电压限制元件，如氧化锌压敏电阻器、齐纳二极管和瞬态二极管等，常态时为高阻抗状态，但阻抗随着过电压的增加而不断减小，过电压被限制到规定水平，功能形如箝位器，有连续的伏安特性。

.（一）电源防护设备

1.电源防护的三个部位

a.三相线引入(LPZ0—LPZ1，一般为并联）

b.电源屏前(LPZ1内，可以是并联，但最好是串 联）

c.电子设备前(LPZ1内或LPZ2内，必须是串联).电源系统防护配置示意图.电源系统防护要求

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2.电源防雷设备的组成

1）电源防雷保安器

●定义:用于限制由电源馈线侵入电源设备的雷电 过电压及过电流的防雷保安器。 ●组成 电源防雷保安器可由压敏电阻器单独构成，或它与金属陶瓷三极放电管串联而成，这种防雷保安器为联型防护装置。

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●特性比较 对于单独使用压敏电阻器构成的电源防雷保安器，由于工作电压直接持续地施加在压敏电阻器两端，受电压波动的影响会使漏电流增加，漏电流的增大导致 压敏电阻器件温度上升，压敏电压下降，又增大漏电 流。此恶性循环的持续进行将最终导致压敏电阻器发热自爆。如果压敏电阻器的V1mA值选得过高，虽然减小了这种恶性循环发生的可能性，但是压敏电压的门限值和冲击残压也都响应地抬高了，也就是说，防护效果变差了。

.为了防止金属陶瓷三极放电管动作后续流和压敏 电阻因漏流出现的劣化短路，采用金属陶瓷三极放 电 管与压敏电阻串联的防护方式可以使两种器件的缺陷 得到互补。此外，这种配置防雷器件能够使防雷保安 器的限制电压设计得较单独使用压敏电阻时要低。.电源防雷保安器工作原理

当电网由于雷击而出现瞬时脉冲电压时，SPD应在最短的时间内(纳秒级)能将被保护电路连入等电位系统中，使设备的各端口等电位，同时将电路上因雷击和其他原因而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地，降低设备各接口端的电位差，从而保护电路上的设备。雷击过又恢复为高阻状态而不影响用户设备的供电。.

2）带滤波器的防雷设备 由于雷电频谱一般在18kHz左右，因此可以利用低通滤波器使50Hz的工频顺利通过，而阻断高频雷电脉冲波的通路，将能量吸收