高速铁路电子设备雷电防护

1、高速铁路电子设备雷电防护,6 接地系统,中国铁道科学研究院通信信号研究所 邱传睿 研究员,授课内容：,1、雷电原理 2、防雷元件和设备3、综合接地系统系统 4、综合防雷系统（每章2学时）,雷电是一门古老而富有神秘色彩的科学，自从有人类历史以来，各个时期都记录着人们与雷电斗争的历史，人类与雷电的斗争，作出过巨大牺牲，然而是卓有成效的。自从富兰克林研究大气物理建立了雷电理论并发明了避雷针，宣布人类在与雷电斗争的领域取得了决定性胜利。,富兰克林以后，由于工业发展，尤其是俄国工程师多勃落沃利斯基发明了三相感应电机变压器并完毕了电能远距离输送，美国发明家贝尔发明了电话以后，人类很快进入了电气化时代。雷害

2、问题从直击雷击地上的人和建筑物为主，发展成为以通过金属线传播的雷电波为主。,经过不断研究，人们建立起感应雷和高电压反击的理论，弄清了高压雷电波在金属线上传播的规律，于1890年发明了间隙串联熔断器的避雷器；,电子设备进入现代人的生活后， 由于电子器件它不能耐受过电压和过电流的冲击。因此，电子设备雷害较多，直接经济损失不一定大，但是，间接经济损失和社会影响很大。 铁路、电信、自动控制、智能变电站等是雷害的重灾区,雷电的破坏作用,森林大火,建筑物被烧毁,油罐雷击变形,油罐雷击起火,人员伤亡,2007年5月23日下午四时许，重庆开县一小学遭遇雷击事故，导致该校学生7死44伤。,雷击牲畜死亡,电气、电

3、子设备雷害1,电气、电子设备雷害2,家用电子设备雷害,1989年8月12日上午9时55分，山东黄岛油库5号罐遭雷击起火，引爆了1至4号罐，大火共燃烧了104个小时，19人死亡，78人受伤，烧耗原油3.6万吨，直接经济损失3540万元，间接经济损失8500万元。,对现代防雷工程应有的认识,2006年-2008年信号系统进行了3年综合防雷整治，雷害大大降低。但是,高铁的雷害仍时有发生。7，23就是不可忘却的例证。铁路信号员工值得引以为戒。,高铁是一个高技术集中的大系统，通信、信号设备，电 力供电综合调度系统、智能化牵引变电站系统、铁路智能牵引开闭所等大量使用微电子设备和计算机处理和信息系统 ，车辆

4、5T系统，铁路防灾系统（灾害预警机监测），车站计算机信息系统，计算机管理系统等以计算机系统依托的微电子设备的雷害都会影响高铁的安全，正点运营。,铁路信号雷害,根据2002年到2005年7月1日的统计，我国铁路3年半全路信号系统发生影响列车运行的雷害有1688起，共影响列车1715列。故障延时达2107小时51分。,第一章，雷电原理,雷雨季节，在大气中常常发生伴有巨大隆隆爆炸声的强烈闪光现象、即雷电现象。 它是雷电防护工作者的主要研究和御护的对象。 大气中的雷电是如何产生的？ 雷电现象有那些表现形式？ 雷电流的特征是什么？ 它是怎样危害人的生命和财产的？ 怎样防护？,雷击是指一部分带电的云层与另

5、一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层对大地之间迅猛的放电。这种迅猛的放电过程产生强烈的闪光并伴随巨大的声音,1.1雷云的产生,雷电是一种大气放电现象，我们说的雷击实质是带电雷云中相反电荷在云内放电、两层带不同电荷的云层的云间放电或带电雷云对地面异性电荷的云地放电 并不是所有云层带电,1）形成雷雨云的条件,形成雷雨云（以下简称雷云）必须具备以下三个条件：（1)空气中含有足够的水蒸气；（2)大气中的空气形成温度差，以使潮湿的空气形成强大的上升气流；（3)没有破坏或防碍强烈而持久的上升气流形成的因素。,2）三种雷雨形式,雷雨由雷云产生，雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中。 雷雨大致分為三类：

6、（1）鋒面雷雨（由鋒面雷云产生）； （2）地形雷雨（由热雷云产生）； （3）气团雷雨（由热雷云产生）。 云是形成雷电活动的必要环境，空气的运动和冷、热气团之间的相对运动是使云带电的条件和原因。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中。,（1）热雷云的产生原理,一般，在闷热的天气里，地面吸收太阳的辐射热量远大于空气层，所以白天地面温度较高，地面水分部分化为蒸气，同时接近地面的大气温度由于热传导和热辐射而升高。气体温度升高后体积膨胀，密度减小。这部分带着水蒸气的热空气就要向上运动，而原来较高空气中的冷空气的密度相对比较大，就会下沉。热空气上升的过程中体积膨胀、压力下降。同时温度降低。高空上部大气温度低

7、，下部温度高，产生了热交换。这使得上升空气中水蒸气冷却后形成了小水滴，这就是云。在这个过程中，云带上电，这种云称为热雷云。,使气流能强烈持续上升的物理条件,(a)为干燥空气或未饱和空气上升的情况。这种气体每上升1000m，大气压力会减少12%，空气膨胀同时温度降低10度（摄氏）。一般上升2000m后就不上升。这种气流不会产生雷雨。 (b)为饱和空气上升的情况，饱和空气上升时被冷却，一部分水凝结出来，同时放出潜热。由于有潜热，饱和空气在膨胀时温度降得不多，因此比周围大气热，轻，使其可继续上升，不断有水蒸气凝结成水珠冰雪。,地面温度高，湿热空气使气流急剧上升，速度到达100km/h以上时，水珠开始

8、裂化，分出小水珠，大水珠带负电，聚积在云层底部，小水珠带正电，随气流上升，到云层上部，当云中电荷积聚到一定程度时，云内形成强电场。同时对地将间也有大电场。,一块雷雨云的气流结构示意图,（2）产生鋒面雷雨的鋒面雷云,锋是气象学中的概念。大气中不同性质的气团（冷气团、暖气团）之间有一个过渡区域，当它十分狭窄时就称为锋。因此锋的两侧温度是有差异的。水平移动的冷气团和暖气团在交界面上会因为冷气团将湿热的暖气团抬高，和暖气团的对流而形成面积极大的雷云，称为锋面雷云，这种雷云随着锋一起生成，向前延伸，所产生的雷的覆盖面大，来势迅速，移动有一定的方向性。,锋面雷云的形成,锋面雷分冷锋雷和暖峰雷,锋面雷分冷锋

9、雷和热峰雷,一般情况，锋面雷云波及的范围比热雷云大得多，可能有几公里甚至十几公里宽的大范围地区，运动的速度可高达每小时30公里，甚至大于100公里，因此，它所形成的雷电危害性也较大。 危害最大的是锋面雷,积雨云照片,秃积雨云,鬃积雨云,飞机靠近风暴云,左边雷暴地面拍摄,云中电荷分布十分复杂。 一块成熟的雷雨云，其顶部可以伸展到50的高度（约1万米以上），而云底部的温度却在10以上。由于云体在垂直方向上跨过了这么宽的温度范围，因而云中水汽凝结物的相态就很不一样。,2）雷云带电,雷云内部电荷分布远不是均匀集中的，常会形成很多个电荷密集中心， 雷云内部的电荷分布看成是三个电荷集中区：1）最高集中区正

10、电荷集中区P在雷云中的上部为最高集中区，2）负电荷集中区N在雷云中的下部，为中区，3）弱正电荷集中区P为低区,每个电荷密集中心的电荷量约为0.1-10库仑（C），大的雷云整体电荷约为数百库仑甚至上千库仑。雷云中的平均电场强度约为150kV/m, 而在雷击发生时刻达340kV/m。雷云下面地表的电场强度一般为1040kV/m，最大可达150kV/m。雷云放电大部分是在云间或云内发生，只有一小部分是对地放电，雷云对地的电位可高达上亿伏。,3）雷云荷电原理,雷云的带电的假说 云内起电机制的研究是大气电学和雷电学原理的重要问题之一，关于云内的起电理论有几十种，但每一种理论不能完善解释所有云荷电的实际观

11、测结果。不同种类的云，起电原因也不同，所以至今有关云的起电分成两类： 一是云雾粒子起电， 二是雷雨云起电。,（1）感应起电学说：,水滴（也可能是冰晶、雹粒）在垂直大气电场中感应电荷，下端为正、上端为负 ，与大气中上升的负离子的电荷中和，使水滴带负电，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。,（2）温差起电学说：,冰块中同时存在氢离子（ H + ）和氢氧根离子（ OH ），由于冰块两端温度不同，会产生发生离子扩散现象。氢离子质量轻，扩散快，冷端呈现带正电。在对流气流和重力的作用下，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。,（3）破碎起电学说,由于大气电场的感应极化， 大水滴下降时，受到气流作用发生破碎形成许多小

12、水滴和几个较大水滴。小水滴带负电，较大水滴带正电。由于云中的电荷增多，大气电场又增大，如此循环，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。,（4）冻结起电学说,云中冷水滴与雹粒接触时，过冷水滴有了凝结核，发生相变，迅速变成冰。释放的潜热又使冰的外壳破裂成冰屑，冰屑带正电随气流上升，较大的水滴带负电留在原地或约下降，形成雷（雨）云起电后的电荷分布。 雷（雨）云中部温度在 0 -10 0 C ，是过冷水滴最多的区域，所以中部负电荷较多。,1.2 雷云的放电过程,先导放电阶段；（2）回击阶段；（3）余辉阶段,电离通道结构图和多次闪击曝光图,1.3 地闪,一般将地闪按几种方法分类： 1）按闪电电流划分 （1）正

13、地闪：闪电电流为正（向下）的称正地闪；通常云底荷正电荷, 地面为负电荷。 （2）负地闪：闪电电流为负（向上）的为负地闪；通常云底荷负电荷, 地面为正电荷。,2） 按先导方向划分,（1）向下先导：由云向下地面发展的先导；如果先导带负电，称向下负先导；如果先导带正电，称向下正先导。 （2）向上先导：由地面向云中发展的先导。如果先导带负电，称向上负先导；如果先导带正电，称向上正先导。,雷电流大多数是重复的，通常一次雷电包括34次放电,当先驱放电到达大地，或与大地放电迎面会合以后就开始主放阶段，这就是雷击。在主放电中雷云与大地之间所聚集的大量电荷，通过先驱放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈的电荷中和，放

14、出能量，以至发出强烈的闪光和震耳的轰鸣。在雷击中，雷击点有巨大的电流流过。大多数雷电流峰值为几十KA，也有少数上百KA以至几百KA的。,雷云中有多个电荷聚集中心，所以第一个中心放电后紧接着第二个、第三个电荷中心可能沿第一个放电通道再次放电。,雷击大多数是重复的，通常一次雷电包括34次放电。重复放电都是沿着第一次放电通路发展的。雷电之所以重复发生，是由于雷云非常之大，它各部分密度不完相同，导电性能也不一样，所以它所包含的电荷不能一次放完，第一次放电是由雷云最低层发出的，随后放电是从较高云层、或相邻区发出的。一次放电全部时间可达十分之几秒。,1.3关于雷电距,实测雷击距后制成的经验公式一般形式如下

15、，并被现行的防雷设计规范采用。 ds=K Ima 式中ds击距； Im雷电流幅值； a、K常数，由测试确定拟合确定。,1.4 雷电的分类和形态,1.4.1 雷电按闪电方式分类为： 1）云闪：大多数雷电放电发生在云间或云内 云内闪：带电云层内部击穿放电 云际闪电：一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层之间的击穿放电 2）地闪：小部分是对地发生云-地之间 云地闪电：带电的云层对大地之间的击穿放电。,云内闪 云地 闪,云际闪,火山爆发引起的云空闪,闪电照片,1.4.2负闪击和正闪击,1）地闪还可将按闪电电流划分分类 （1）正地闪：闪电电流为正（向下）的称正地闪；通常云底荷正电荷, 地面为负电荷。

16、 （2）负地闪：闪电电流为负（向上）的为负地闪；通常云底荷负电荷, 地面为正电荷。 雷电的极性：雷云下行到地的电荷的极性 根据放电电荷量进行的多次统计，90左右的雷是负极性的。,（1）向下先导：由云向下地面发展的先导；如果先导带负电，称向下负先导；如果先导带正电，称向下正先导。 （2）向上先导：由地面向云中发展的先导。如果先导带负电，称向上负先导；如果先导带正电，称向上正先导。,2）按先导方向划分,云对地的向下先导产生的下行闪击, 地面对云的突出点向上先导产生的上行闪击。,旋转摄影机拍的向上负地闪图,普通相机拍的地面向上地闪,1.4.3 闪电的形态,按闪电形状分类 （1）线状闪电：常发生在云地

17、之间 （2）带状闪电：线状闪电的特殊情形 （3）片状闪电：发生在云际之间的线状闪电的特殊情形 （4）联珠闪电：强线状闪电中偶尔出现的一种特殊现象 （5）球状闪电：具有强烈的电磁效应和穿透金属能力，形如火球，也称球闪或滚地雷,线状闪电,片状闪电,带状闪电,联珠闪电,球形闪电,1.5 闪电的电荷量和能量,闪电电荷是指一次闪电中正电荷与负电荷中和的数量。该数量可以反映一次闪电的破坏力。雷云带电的多少决定了闪电的电荷量。每次雷击，雷闪的电荷量差别极大，从大量的观察数据表明，一次闪电放电电荷可由零点几库仑到几十库仑甚至1000库仑。从电工的角度来看，这些电量微不足道，例如，电镀金属时，一库仑的电量可以析

18、出1.118mg的银。一次30库仑的雷闪，其能量若用电镀，也只能电镀一个铜盘。,雷电过程是瞬间功率极大，能量却是很小的一件事件。以一个中等雷电为例：雷云电位以50MW计，电荷Q=8C，则其能量为：,计算后得到一次雷电的能量大约等于55度电的能量，只够目前一般有冰箱、彩电家庭的半个月的用电量,一次雷击的能量不大，但是功率极大,雷电主放电阶段功率计算：电流的峰值按50kA计，弧道压降以计E=6kV/m，先导到达1000m高度处开始主放电，则主放电功率为：3亿千瓦，相当于我国目前所有发电装机容量的三分之一,1.6 雷电活动的基本规律,1.6.1 雷电活动的时空特性 1）空间（地域）特性 低纬度地区多

19、，高纬度地区少；陆地多，海洋少；山地多，平原少；山南多、山北少 2）时间特性 夏季多，冬季少； 冬季有雷，但我国北方少见,1.6.2 雷电放电的选择性,雷击通常受下列因素影响： 1）地面土壤地质构造； 2）地面上的设施情况; 3) 有利于雷云的形成和相遇条件的地形,雷击距的概念与雷击的选择性有关,1）雷击点选择趋向电场强度最大的地方 （地表突出物）； 2）雷击点选择趋向土壤电阻率低的地方。 建筑物结构、内部设备情况和状况，对雷击选择性有关。,1.6.3 雷电活动的连续性,雷击大多数是重复的，通常一次雷电包括34次放电。重复放电都是沿着第一次放电通路发展的。雷电之所以重复发生，是由于雷云非常之大

20、，它各部分密度不完相同，导电性能也不一样，所以它所包含的电荷不能一次放完，第一次放电是由雷云最低层发出的，随后放电是从较高云层、或相邻区发出的。一次放电全部时间可达十分之几秒。 一次雷电过程有多个雷击,1.6.4 雷暴日,为了表征雷电活动的频率，采用 年平均雷暴日【Td】作为计算单位。 无论一天内听到几次雷声，只要有一次，该天就记为一个雷暴日，一天有多次，仍记为一个雷暴日。雷暴日数与纬度有关，在炎热潮湿的赤道附近雷暴日数最多，两极最少,我国雷电日等雷线,1.7 雷电的基本参数,早在1897年，意大利学者便利用铁磁物质记录雷流幅值。最近几十年，世界许多国家都对雷电参数进行了观测，著名的有美国纽约

21、帝国大厦（楼高380m）的雷电观测、前苏联莫斯科电视塔的测雷、日本柏崎、刈羽地方的测雷、瑞士圣萨尔瓦托（San Salvadore）山顶的测雷等。世界各国测得的自然界的雷击波形基本是一致的，大约有80-90%的雷电流是负极性重复脉冲，一次放电过程常常包含多次先导至主放电的过程（初次放电和后续放电），放电脉冲数目平均为3-4个，最多的记录到42个。,1.7.1 雷电观测的直击雷波形,图1.10,前页波形图是Electra 41(1975) 文章所载 Berger K、 Anderson R.B 的论文“雷闪参数”中公布的在瑞士圣萨尔瓦托（San Salvadore）山两个通信塔观测到的雷电波形图

22、 这一雷电参数观测数值是确定直击雷模拟波形的基础,图中A（实线）是对88次实测雷电流平均值处理后波形，反映了一次雷击放电的全貌。B（虚线）是10次实测值取平均而得，时间坐标在图下部的X坐标上标出，可以看出，和A线比较，时间被放大了，以侧重表现雷电流的波前部分 Berger等在圣萨尔瓦托测得的90次雷电波形，整理出直击雷负冲击波形前沿为多为2s -4s，最长未超过20s，半峰值时间大部分为在10s -100s范围内，50%的半峰值时间小于75s。,1.7.2雷电流幅值的累积概率曲线,雷电流幅值与雷云中电荷多少有关，也与主放电形成过程有关，是一个随机变量，它与雷电活动的频繁程度相关。 雷电流的幅值

23、有如下经验公式： lgP= -I/88 （1）式中：I地表以为单位的雷电流幅值(kA) ；P雷电流幅值超过的出现概率。 在平均雷电日为20或更少地区，雷电流幅值也较小，可用下式（2）表示: lgP= -I/44,1.7.3 模拟雷电等值波形参数,实验室模拟的“标准试验波形”来自于对自然界雷电波形的概括，但绝非自然界的雷击波形。 图中是电压波 名词：波头 、半峰值 、峰值时间、波尾时间,1.7.4模拟雷电等值波形 1）双指数函数波形,i(t) I(-e-t+e-t),2) 幂指数函数波形,i(t)=AIt3e-t/ 在实验室里，对于幂指数函数波形的波尾过零部分进行了限制，比如在试验标准中规定过零

24、后的反极性波不得超过峰值的5%等。对于大电流测试，容忍较小比例的负电流存在。,3) 等值斜角波形,波形用三角形来表示，为波头上升陡度，由实际电流波的波头时间f来确定： =Im（1/f） 等值斜角波的波尾可以是无限长，,等值斜角波的波尾可以是无限长，可以为斜角平顶波，也可以是固定斜率的三角波，,4）等值余弦波,等值余弦波形 式中，Im为雷电流幅值（kA）；为等值波的角频率，它与波头时间1的关系为=/1。,等值余弦波形,1.7.5 实验室常用标准波形,1）820 s冲击电流标准波形 01为视在原点，是通过冲击电流峰值的10%和90%所画直线与时间坐标轴的相交点。T1为视在波头时间，T2为视在波尾时

25、间或称视在半峰值时间，是冲击电流从视在原点01开始上升后，下降到峰值一半的时间。,2）1.250 s冲击电压标准波形,图中有时间T、 T1和T2 ， T1 为视在波头 时，T2 为在波 尾时间或视在 半峰值，有下 列关系：T1=1.67T。,3）1.250 s和8/20s组合波,组合波的实现,用于小电流试验，试品为击穿前为开路，击穿后为短路。,4) 10350 s电流波,定义和8/20s电流波同，图中是10/350 8/20s电流波与8/20s电流波的能量比较。,5）10/700s波形,由国际电信联盟ITU(原CCITT) 在K.17中提出。用于描述电话系统的瞬态过电压的波形，并相继被包括 B

26、S6651：2000和IEC801-5 、IEC61000、IEC61643等许多标准采纳。与其他测试波形不同，它对波形的形状要求并不太严格，由产生所需波形的电路来决定，实测时，该电路的短路电流一般为125安培。,6）衰耗振荡波0.5s-100kHz,7) 其它波形,10/1000s波形：美国等国家，采用了一种和10/700 波形近似的波形10/1000s波形。多用于固体防雷器件的检测。 10/200s波形：该波形由原日本国铁提出，当电子设备与钢轨或类似的传导体相连时，用10/200s波形比较切合实际，因为钢轨道床的关系，钢轨的特性阻抗较低，漏泄较大，因此雷电波形有一定延时。,1.8 雷电的频

27、谱和传输波过程,1.8.1 雷电的频谱 雷电波的频谱分析 雷电波形： i(t)I(-e-t+e-t) 把上式有时域变成频域，使电流成为频率的函数。 I（j）=I(1/+ j)- (1/+ j) 进行富氏变换， 经计算，8/20s、1.2/50s、10/700s的90%峰值电流积累值分别出现在24kHz、87 kHz和11 kHz，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。,能量积累分布图,1.8.2 电磁波沿传输线的传播,当电流通过传输线时，在传输线之间建立起磁场。当传输线之间加一电压时，在传输线之间建立起电场。传输线

28、周围磁场的存在，就意味着它存在电感和电容。电感的存在阻碍着电压的突变。,传输线的等值电路,电磁波在传输线上传播有以下几点特点,1）当传输线上加一个阶跃电压E后，这个电压波将按一定速度沿着传输线向终端推进，如图。 2）这个电压波所到之处。同时在传输线中建立电流波，因此电流波和电压波同时、同相，并按同样速度在传输线上推进。 3）电流波的大小与传输线本身的特性参数（L和C）有关。而与终端负载的大小无关。L越大，C越小，那么电流波的幅值越小。,1.9 雷电危害的机理,1.9.1 雷电的热效应 雷电流通过地面被击的物体时会发热，由于自由电子与导体的结晶格子不断碰撞，致使晶格的热运动能量增加，导体发热，其关系式可用焦耳楞次定律表示： 式中：Q 雷电流发热量，单位J； I 一 雷电流，单位kA； R 闪电通过被击物的电阻； t 雷电流持续时间，单位s。 机械应力有50006000牛顿（N） 通道的温度可以高达600010000度,1.9.2雷电流的电动