防雷培训教材

1、控制系统雷电防护概述Outline for Protection against lightning of control system,前 言,闪电是自然界强大的脉冲放电现象，地球上平均每秒钟有100 次，已成为十大自然灾害之一，给人类带来巨大的损失。 直击雷的高电压、强电流侵入各处，袭击人，破坏建筑物、输 电网，引发森林火灾（半数是雷击引起的）是很常见的事。 随着控制系统的集成化程度与对雷击敏感度水平在同步提高， 因此雷击电磁脉冲的危害日趋严重。 伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应和静电感应的作 用（俗称感应雷） ，通过金属管道和电缆将雷电波（即高电位）引 入，由于微电子的浪涌抗扰度

2、很低，所以对近十多年来迅速发展的 电子、信息、控制设备的破坏和危害更大，因而也就成了防雷技术 中一个急需解决的重要课题。,2,1 雷电的基础知识,1.1 雷云结构和雷电的分类 在大气中有带正电的冰晶和带负电的水粒，由于它们的比重不 一，于是形成了一种气流，使得带正电的冰晶和带负电的水粒分 离，形成一部分带正电和一部分带负电的雷云。 1）片状雷（云间放电，占95%，仅对信息系统构成威胁） 由于异性电荷的不断积累，不同极性的云块之间的电场强度不 断增大；当某处的电场强度超过了空气可能承受的击穿强度时，就 形成了云间放电。 不同符号的电荷通过一定的电离通道互相中和，产生强烈的光 和热。放电通道所发出

3、的这种强光称之谓“闪”。而通道所发出 的热，使附近空气突然膨胀，发出霹雳的轰鸣，人们称之谓“雷”。,3,片状雷,4,2）线状雷(云对地放电，占5%,对建筑物和信息系统均构成威胁） 通常下部的雷云带负电，上部的雷云带正电，由于静电感应使 地面积聚正电荷，从而使地面与雷云之间形成强大的电场。和云间 放电一样，当某处积聚的电荷密度很大，造成电场强度达到空气游 离的临界值，就为线状闪电落雷的发展创造了条件。,5,线状雷,6,3）球雷 球状闪电特指雷电过程中发生的一种运动着的发光球，看上去 像一团火球。 特点：直径10100cm； 呈橙色和红色，亮白色，也有黄色、蓝色和绿色； 存在时间约10秒左右； 可

4、以水平运动(随风而飘），也可垂直降落； 一般不伤人。 （占云对地放电中的8%，1983年8月15日，北京焦化厂被球雷烧毁两 个100立方米的酒精罐）,7,示意图,8,9,电话,雷电流传播的途径,危险半径2km,危险半径2km的来由,1）实践经验的归纳； 2）首次雷（强度最大）的主频率约为25kHz，因为波长和传播速度以及 频率的关系如下式所示。 =c/f 式中：c-传播速度（3108m/s）； f-频率（Hz）。 近场的边界距离为/2，所以 /2=c/(2f)=3108/（23.1425103) 2(km),10,雷击（云对地）的选择性,放电即位能的释放，总是沿着易导电路程（阻抗小）的地方。

5、例如： 1）高大建筑物的尖顶（因为该处的静电感应的电场强度最大）； 2）旷野中的突出物，即便不高，因为孤立、突出； 3）潮湿的土壤（因为电阻率低）； 4）金属结构的建筑物，包括金属线缆等（因为具有良好的导电性能）； 5）高层建筑物有遭侧击雷的可能，即天面以下，地面以上。 （案例1：2004年6月26日，浙江临海市杜桥镇，在5棵大树底下的简易塑料棚，死17人，伤13人； 案例2：1967年6月24日，北京和平里，高压输电线附近有棵大树，树上引一晒衣铁丝至屋墙，内墙有一金属毛巾架，雷击时，将毛巾架下的一女孩击毙。） 所以在作雷击案例分析时，首先要观察现场的周边环境。,11,旁侧闪络的例子1,旁侧闪

6、络是受害人根本没有直 接接触受雷击的物体，只是在它 的附近，而直接被雷击的物体的 高电压击穿附近的空气触及受害 人。,12,电位分布曲线,旁侧闪络的例子2,U2=U1C1/(C1+C2),13,毛巾架,晒衣铁丝,晒衣架,U1,C1,C2,U2,1.2 外部防雷装置的基本原理,外部避雷装置的基本原理是引雷入地。 它包括三个部分： 1）接闪器； 2）引下线； 3）接地体。 接闪器的四种形式： 1）避雷针； 2）避雷线（用在高压线路上）； 3）避雷带（沿屋顶四周）； 4）避雷网（利用屋顶上的金属配筋，效果最好）。 （现还有“绝缘防雷”之说，依据是山西应县的67.13米高的木 塔已900多年安然无恙）

7、,14,外部防雷装置,15,外部防雷装置,16,接闪装置,引下线,接 地 体,连接防 雪 装置,避雷针的保护范围,对于单支避雷针的保护范围可以近似认为：以尖顶为中心的 45锥体内的空间（英、日标准）。 最新的确定方法：滚球法.,17,18,保护角,4.1.3 滚球法,19,Hr(击距),I(雷击电流),建筑物,在该模型中，雷击先导的发展起初是随机的，直到先导头部足以击 穿它与地面目标间的间隙时，也即先导与地面目标的距离等于击距 时，才受到地面影响而开始定向。 滚球法是基于以下的雷闪的数学模型（电气-几何模型）： hr=10I0.65 式中：hr雷闪的最后闪络距离（击距），即所谓的滚球半径（m）

8、 I雷击电流的幅值（kA）。,20,滚球法就是将雷击地面或地面物体的过程，等值地描述为一个以击 距为半径的假想球体从天而降，沿随机路径逼近地面或地面上的物体 时，球体所能接触到的物体都有可能遭受雷击；球体最先触及的且处 于地电位的点是最可能的雷击点（如避雷针）。反之，滚球不能接触 到的地方，则可认为是由建筑物的接闪器能够保护的区域。 据统计，滚球半径为30m时，涵盖了97%的雷击。滚球半径为45m 时，涵盖了93%的雷击。滚球半径为60m时，涵盖了80%的雷击。,21,确定接闪系统位置的方法,22,接闪器,引下线,接地系统,保护角,h,滚球半径,r,W 为网格尺寸,W,- 保护角,23,滚球半

9、径表 建筑物防雷类别 滚球半径hr (m) 避雷网网格尺寸(m) 第一类防雷建筑物 30 55或64 第二类防雷建筑物 45 1010或128 第三类防雷建筑物 60 2020或2416,hr=45m,hr=30m,hr=60m,滚球法确定外部防雷的保护范围,制造、使用、贮存炸药、火药、煤气等大量爆炸物质的建筑物。,文物保护建筑和有大量电子设备的建筑，具有2区或11区爆炸危险环境的建筑物。,一般性的民用和工业建筑、甲级办公楼和一些高耸的建筑物（如水塔、烟囱等）。,2 雷电对控制系统侵害的途径,除了直接雷击外，闪电的脉冲电流还会产生剧烈变化的电磁 场，在闪电通道的四周空间产生强大的电磁辐射，并通

10、过金属线缆 和金属管道，将高电位（雷电波）带入电子信息（控制）系统。 伴随闪电发生的雷电电磁脉冲虽然不及直击雷猛烈，但直击 雷的放电区域小，而电磁脉冲可以影响几公里范围内的电子设备。 雷电电磁辐射分： 1）静电感应（电容性耦合）； 2）电磁感应（电感性耦合）。 此外，对控制系统的侵害途径还有； 3）反击（电阻性耦合）； 4）电磁场辐射（辐射耦合）。,24,2.1 静电感应（电容性耦合）,25,以负雷云对地放电为例。 当空间有带负电的积雨云出现时，在积雨云下的地面、建筑物 （如金属贮罐）和金属导线表面由于静电感应的作用会感应出与雷 云下端电荷异号的正电荷。由于从积雨云的出现到发生雷击所需要 的时

11、间比雷击放电过程的时间要长得多，因此可以有充分的时间积 累大量的正电荷。此时，在金属贮罐和金属导线相应的负电荷被排 斥向反方向或两侧移动，经泄漏电导和电网流入大地。因为移动的 速度较慢，不构成威胁。,26,在雷云放电前，在金属贮罐和金属导线表面上积累的电荷停留其 表面上，不会自由移动，所以我们称作为束搏电荷，也不构成威胁。 当雷云对地放电与地面的异种电荷迅速中和后，某些局部，例如金 属导线上感应电荷，由于与大地间的电阻比较大，而不能在同样短 的时间内立即消失，这些失去束搏的电荷将向两侧运动，形成过电 压波（即雷电波），其值可达几千几万伏，速度小于光速。,27,28,建筑物 1,设备 1,EBB

12、 1,PE 1,建筑物2,设备 2,EBB 2,PE 2,信号线,干扰电流,雷电通道,180e.ppt / 16.11.99 / ESC,180e_b,RA,雷电通道（或接闪器）和设备1、设备2之间的信号线容性耦合。 图中的干扰电流也称“注入电流”，约10A。干扰电流通过设备1和 设备2的绝缘而流入大地。 （例：1989年8月12日山东黄岛特大油罐起火，就是非金属油罐里面 的钢筋未作屏蔽接地，外露钢筋间隙放电所至，死19人，伤害78 人，烧了4天，损失几千万。）,29,30,179e_a,179e.ppt / 16.11.99 / ESC,在信号线之间的感应环,建筑物 1,建筑物2,感应环,信

13、号线,干扰电流,设备 1,2.2 电磁感应（电感性耦合）,31,179e_b,179e.ppt / 16.11.99 / ESC,在信号线和地之间的电感耦合,建筑物 1,建筑物2,信号线,干扰电流,EBB 2,PE 2,EBB 1,感应环,设备 2,PE 1,设备 1,雷云放电时，空间存在着强大的电磁场，处在该电磁场作用下 的金属线缆因切割磁力线会感应出的数以千伏的浪涌电压。如果金 属线缆之间形成了一个回路，该回路内又有一定的空气间隙(如几厘 米长），则浪涌电压会在间隙处发生火花放电并将设备击坏。金属 线缆之间形成了一个流通的闭合回路，则感应电压会在回路内形 成闭合电流，该电流流经接触不良的接

14、点或阻抗会产生局部过热， 也能将设备烧坏。,32,33,176e,1,建筑物 1,设备1,EBB 1,PE 1,2,建筑物 2,设备2,EBB 2,PE 2,信号线,干扰电流,2,2.3 反击（电阻性耦合）,在建筑物或金属设备遭直击雷时 由于在建筑物引下线内或金属 设备内流过很大的电流，这电流在流入接地装置时，会使地电位相 对于远端浮动几万、几十万伏，这时如近处的设备和远处的设备间 有金属导线相连且都又是单独接地时，那么就会将近处和远处的设 备同时击坏，或击坏其中一个取决设备和导线(包括分布电感)分压 比。,34,2.4 电磁场辐射（辐射耦合）,远距离雷电放电产生的电磁场会在大范围的数据传输信

15、号线上 像天线一样感应出过电压，这种干扰会传递到电子设备端口上。 直接辐射的电磁场往往会使电子系统失效，但造成电子设备损 坏的可能性较小。,35,2.5 感应过电压的估算,根据1994年水利电力出版社出版的前苏联学者.拉里昂诺 夫著高电压技术 21一书，闪电放电在金属导线（或金属管线） 上产生的感应过电压是由静电感应和电磁感应两种原因造成的，该 脉冲电压波的峰值为 U=30Ih/b（伏） 式中：I-闪电电流，A，估算时可按设计的最大雷电流200kA考 虑； h-金属导线（或金属管线）离地的高度，m； b-金属导线（或金属管线）和放电通道的距离，m。 （见26页）,36,3 雷电电磁脉冲（LEM

16、P）的基本防护措施,37,3.1 电缆的屏蔽 无屏蔽连接, 没有防止容性耦合和感应耦合的屏蔽,38,MEB 1,C,L,MEB 2,A. 静电屏蔽 电缆屏蔽层单端接地（一般在控制室侧）。,39,分布电容,引下线,屏蔽层,电缆芯线,单端接地防止容性耦合的屏蔽,40,MEB 1,L,MEB 2,感应耦合 (间接雷电干扰或开关操作),41,INDUKTIONSSCHLEIFE,无屏蔽 巨大的耦合面,一端屏蔽接地 巨大的耦合面,两端屏蔽接地 减少耦合面,感应环,感应环,感应环,两端接地,防止感应耦合的屏蔽,42,MEB 1,MEB 2,B.电缆屏蔽层的双端接地,43,Ic,两端屏蔽接地问题: 地电位差

17、产生的平衡电流解决方法：双层屏蔽,44,MEB 1,n x 50 Hz 低频的平衡电流,MEB 1 MEB 2,MEB 2,为此，除了内屏蔽层的一端做等电位联接外，还应增加有绝缘 隔开的外屏蔽层，外屏蔽层应至少在两端作等电位联接。在雷击时 外屏蔽层与地构成了环路，感应出一电流，该电流产生的磁通抵消 或部分抵消雷击的源磁场的磁通，从而抑制或部分抑制无外屏蔽层 时所感应的电压。,45,双层屏蔽电缆的外屏蔽层可采用下述方法实现： a.分屏加总屏电缆的总屏蔽层； b.金属铠装电缆的金属铠装层； c.敷设电缆的金属走线槽、金属保护管等； d.钢筋混凝土结构的电缆沟。,46,如利用金属走线槽或穿金属管作为

18、外屏蔽层，但必须保证槽与 槽之间或金属管与金属管之间的连接良好且两端接地。 如在控制室屋外入口处宜采用格栅形钢筋混凝土电缆沟,钢筋 格栅必须与建筑物的钢筋相连接。,47,互相连接的钢筋电缆沟,48,从室外进入控制室的电缆，如在控制室屋入口处采用格栅形钢 筋混凝土电缆沟，其钢筋格栅的形状如图所示，典型的网格宽度为 15cm,钢筋的直径宜大于6mm。 钢筋格栅必须与建筑物的钢筋相连接。 电缆沟的长度应符合下列表达式的要求，但不应小于15m。 L2 式中：L-格栅形钢筋混凝土电缆沟长度； -格栅形钢筋混凝土电缆沟处的土壤电阻率（m）。,49,3.2 合理布线 A.减少感应环路面积,50,最初的形势

19、高的电磁场通过感应环路,设备,电源线,感应环路,通信线,设备屏蔽,第一种 衰减了的电磁场通过感应环路,设备,感应环路,建筑物或屏蔽房间,LPZ 1,第二种 衰减了的感应环路,屏蔽,设备,感应环路,第三种 在屏蔽闭合导体中的导体,屏蔽,屏蔽了的空间,设备,屏蔽导体,B.和引下线保持一定距离 信息系统电缆和防雷引下线的净距如下表所示（引自GB 50343-2004 建筑物电子信息系统防雷技术规范）。 如线缆敷设高度超过6000mm时，与防雷引下线的交叉距离应按 下式计算： S0.05H 式中：H-交叉处防雷引下线距地面的高度（mm）； S-交叉净距（mm）。,51,3.3 浪涌保护器（SPD）的使

20、用,SPD是一种限制瞬态过电压和分走浪涌电流的器件。其基本原理 是，它并接在被保护设备的附近，在无浪涌出现时为高阻抗（即开 路状态），当出现浪涌时就在最短的时间内（纳秒级）内迅速将雷 电流泄放到地使SPD变为低阻抗，从而保护了被保护设备。,52,53,SPD泄放电流和电压的测试波形,54,波形参数,55,SPD可以分成两大类： 1）电压开关型SPD 通常由放电间隙、充气放电管、闸流管和三端双向可控硅元件组成。该类SPD在无浪涌出现时呈高阻抗，出现电压浪涌时突变为低阻抗。 2）限压型SPD 通常用压敏电阻、齐纳二极管、雪崩二极管组成。该类SPD在无电涌出现时为高阻抗，随着浪涌电压和电流的升高，其

21、阻抗持续下降呈低阻导通状态。 3）组合型SPD 该浪涌吸收器由电压开关型SPD和限压型SPD组合而成。,56,不同种类SPD的响应时间、放电电流和绝缘电阻,57,SPD主要参数的选择,（1）最大持续运行电压UC 允许持续施加于SPD端子间的最大电压有效值，它等于SPD的额定电压。 例如：1）DCS的220V交流电源，可取UC大于1.55UO（UO=220V），即340V。 2）变送器的电源电压如为24V，模拟量I/O端口的SPD可取UC27V。 （2）标称放电电流In 流过SPD的相应波形的放电电流峰值（kA)。其值要按地区的雷暴日多 少、地理位置、行业特点、单级或多级、价格等因素而定。 例如

22、，信号通信系统不小于3 kA （如双层屏蔽不小于 0.5 kA） 。,58,（3）电压保护水平Up的选择,59,冲击放电电流通过电压开关型SPD的最大放电电压，或通过电压 限制型SPD时，在其端子上所呈现的最大电压峰值叫电压保护水平。 残压=电压保护水平+引线上的感应电压 SPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基 本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致，一般不大于设备 耐压水平的0.8。 4）响应时间 从暂态过电压开始作用于SPD的时间到SPD实际导通放电时刻之 间的延迟时间。它决定了SPD能否在浪涌一出现，就快速启动将浪 涌的能量释放掉。其值愈小愈好，一般要求小于5n

23、s，对电源系统 可放宽到小于25ns。 当SPD用于本安回路时，还必须使用经过本安或隔爆认证过的 SPD。,60,3.4 接地/等电位连接,防雷工程的接地系统系用于： a.雷电流的泄放； b.抑制雷电电磁脉冲的电磁感应和静电感应； c.将分开的仪表装置通过等电位连接，以减少仪表系统的设备在金 属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击产生的电位差。,61,需要保护的仪表控制系统必须采用等电位连接与接地保护措施。 仪表控制系统的接地/等电位连接系统应与整个工厂的接地/等电位 连接系统相协调。当控制室与现场仪表或其他控制设施相距很远 时，可能难以实施全厂统一的共地和等电位连接，此时应分别实施 局部的接

24、地/共地/等电位连接，然后加强局部间的电气联系和屏蔽、 分流。,62,实施等电位连接的方法,实施等电位连接的方法： 将分开的装置和诸导电物体用导体连接； 采用共用接地网； 用浪涌保护器（SPD）连接起来，以减小雷电流或其它干扰电流在它们之间产生的电位差。,63,设备是如何利用SPD做到等电位的(例),64,电 源 线,信号 线,I1,I2,U1,U2,U3,上图所示：设备有电源入口和信号入口，以及设备本身的接地。左边的为电源SPD，右边的为信号SPD。当雷电流从电源线流入时，电源侧的电位U1瞬时提高，当U1升高到SPD的导通电压时，SPD开始动作，大量的雷电流I1从电源SPD进入大地，导通后，

25、U1=U2，由于接地存在接地电阻，因此雷电流流入大地的同时会使大地电位U2升高，这时U2与U3之间的电位差超过信号SPD导通电压，信号SPD导通，导通后，U2=U3，因此在雷电通过的瞬间，SPD可以使U1=U2=U3，使设备各点之间的电位达到平衡，从而起到保护作用。,65,阴极保护管,EBB,Water,Gas,PS,引入的设备管线的防雷保护等电位连接,等电位连接的几个要点,1）控制系统的接地装置应优先使用共用接地网，当共用接地网的接 地电阻达不到要求时应增加人工接地体。 2）当设置人工接地体时，人工接地体宜在建筑物四周散水坡外大于 1m处埋设成环形接地体，并应和共用接地网连接。 3）控制系统

26、的交流电源400V/230V供配电系统应采用TN系统，从建 筑物内总配电盘开始引进的配电线路和分支线路必须采用TN-S接地 制式。 4）当现场仪表的金属外壳通过金属安装支架或金属设备自然接地时，为防止因雷击时造成地电位差的反击，现场仪表的金属外壳必须就近接地并实行等电位连接。,66,控制系统四大防雷措施其重要性的排序,1）接地/等电位连接； 2）电缆的双层屏蔽； 3）合理的布线； 4）使用浪涌保护器。 前三项是必不可少的。,67,4 雷电活动区、雷电防护区和防护措施分级,4.1 雷电活动区 雷电活动区的强度是根据年平均雷暴日的多少进行划分的。 年平均雷暴日的确定，原则上依据装置所在地区的气象部

27、门提 供的数据，也可参照由国家公布的当地年平均雷暴日。 按地区年平均雷暴日多少，宜将雷电活动区划分为： a.少雷区：年平均雷暴日在20天及以下的地区； b.多雷区：年平均雷暴日大于20天，不超过40天的地区； c.高雷区：年平均雷暴日大于40天，不超过60天的地区； d.强雷区：年平均雷暴日超过60天以上的地区。,68,上海、沈阳、杭州的年平均雷暴日（d/a）,69,31.5,4.2 雷电防护区(LPZ)的划分,划分的目的:在对控制系统进行雷电电磁脉冲防护时,为采取相应 的防雷措施和配制防雷器件的方便，将被保护设备、系统所在的空 间由外到内分为不同的雷电防护区（LPZ）。 划分的原则 :依据遭

28、直击雷的可能性以及雷电电磁场强度衰减的 程度。,70,a.直击雷非防护区（LPZ0A）：本区内的各物体完全暴露在外部防雷 装置的保护范围之外，均可能遭直击雷，电磁场强度没有衰减。 b.直击雷防护区（LPZ0B）：本区内的各物体处在外部防雷装置的保 护范围之内，很少遭到大于所选定的滚球半径的直击雷，电磁场强 度没有衰减。 c.第一防护区（LPZ1）：本区内的各物体不可能遭直击雷，由于建 筑物的屏蔽措施，流经各类导体的雷电流比直击雷防护区（LPZ0） 要小，电磁场强度得到了初步的衰减。 d.第二防护区（LPZ2）：进一步减小所导引的雷电流或电磁场的后 续防护区。 e.后续防护区（LPZn）:需要进一步减小雷电电磁脉冲，以保护敏感 度水平高的设备的后续防护区。,71,将一个需要保护的空间划分为不同的防护区的一般原则,72,一座内置控制系统的建筑物划分为几个雷电防护区,73,LPZ0A,LPZOA,LPZ0A,LPZ0B,LPZ0B,LPZ0B,LPZ0B,LPZ1,LPZ1