雷电防护基础

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  现代防雷技术的特点
 
  现代防雷技术的理论基础在于：闪电是电流源，防雷的基本途径就是要提供一条雷电流（包括雷电电磁脉冲辐射）对地泄放的合理的阻抗路径，而不能让其随机性选择放电通道，简言之就是要控制雷电能量的泄放与转换。 德国专家希曼斯基在《过电压保护理论与实践中》提出了现代防雷保护的三道防线：
 
  外部保护---将绝大部分雷电流直接引入地下泄散；
 
  内部保护及过电压保护----阻塞沿电源线或数据线、信号线引入的侵入波危害设备；
 
  过电压保护----限制被保护设备上雷电过电压幅值。 这三道防线相互配合，各尽其职，缺一不可。
 
  　
 
  IEC LPZ防雷分区　
 
  按电磁兼容的原理把信息系统所在建筑物或构筑物按需要保护的空间由外到内分为不同的雷电防护区 (LPZ),以确定各LPZ空间的雷击电磁脉冲的强度及应采取的防护措施。雷电防护区可分为：
 
  直击雷非防护区（LPZ OA）：本区内的各类物体完全暴露在外部防雷装置的保护范围之外，都可能遭到直接雷击；本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减，属完全暴露的不设防区。
 
  直击雷防护区（LPZ 0B）： 本区内的各类物体处在外部防雷装置保护范围之内，应不可能遭到大于所选滚球半径雷电流直接雷击；但本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减，属充分暴露的直击雷防护区。
 
  第一屏蔽防护区（LPZ1）： 本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各类导体的电流比LPZ 0B区进一步减小；且由于建筑物的屏蔽措施，本区内的电磁场强度也已得到了初步的衰减。
 
  第二屏蔽防护区（LPZ 2）：为进一步减小所导引的电流或电磁场而增设的后续防护区。
第三屏蔽防护区（LPZ 3） 需要进一步减小雷击电磁脉冲，以保护敏感设备的后续防护区 。
 
 
  过电压造成建（构）筑物及设备损坏的几个方面
 
 
  (1)雷电
  A.直击雷：是指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。一般防直击雷是通过避雷装置即接闪器（针、带、网、线、）引下线构成完整的电气通路后将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁，但雷电会透过多种形式及途径破坏电子设备。
 
  B.感应雷：是雷电在雷云之间或雷云对地的放电时，并在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线和电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。感应雷虽然没有直击雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害。此外直击雷一次只能袭击一个小范围的目标，而一次雷闪击都可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压现象并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传输到很远，致使雷害范围扩大。
 
 
  C.雷电波侵入：由于雷电电流有极大峰值和陡度，在它周围出现瞬变电磁场，处在这瞬变电磁场中的导体会感应出较大的电动势，而此瞬变电磁场，都会在空间一定的范围内产生电磁作用，也可以是脉冲电磁波辐射，而这种空间雷电电磁脉冲波（LEMP）是在三维空间范围里对一切电子设备发生作用。因瞬变时间极短或感应的电压很高，以致产生电火花，其电磁脉冲往往超过2.4高斯。现代银行、邮电、证券机房或营业柜台普通应用微机进行货币存取、信息传递与交换，其对磁脉冲承受限度一般为小于0.007高斯，故在新机房建设或旧机房改造时应对防雷与磁屏蔽措施必须充分注意。
 
 
  D.球形雷：是一种特殊的雷电现象，简称球雷。一般是以橙或红色，或似红色火焰地发光球体，（也有带黄色、绿色、蓝色或紫色的），直径一般约为10-20厘米，最大的直径可达一米，存在的时间大约为百分之几秒至几分钟，一般是3至5秒，其下降时有的无声，有的发出嘶嘶声，一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内，有的由烟囱或通气管道滚进楼房，多数沿带电体消失。
 
  (2)操作瞬间过电压：
  众所周知，当电流在导体上流动时，会产生磁场，储存能量，电流越大，导线越长，储能越大，所以当大型负载（特别是电感性负载）电气设备开关时，便会产生瞬时过电压。
 
  (3)地电位反击：
  是指雷击大地或接地体，引起地电位上升而波及附近的电子设备，对设备产生反击，损害其对地绝缘。
 
 
  多层分级（类）保护的避雷装置
多级分级（类）保护原则：即根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定防护要点作分类保护；根据雷电和操作瞬间过城市危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。
 
  外部无源保护
  在0级保护区即外部作无源保护，主要有避雷针（网、线、带）和接地装置（接地线、地极）。
 
  保护原理：当雷云放电接近地面时，它使地面电场发生畸变。在避雷针（线）顶部，形成局部电场强度畸变，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（线）放电，再通过接地引下线，接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物免受雷击。这是人们长期实践证明的有效的防直击雷的方法。然而，以往一般认为用避雷针架空得越高越好（一般只按45度角考虑），且使用被动放电式避雷针，其反应速度差，保护的范围小以及导通量小。根据现代化发展的要求，避雷针应选择提前放电主动式的防雷装置，并且应该从30度、45度、60度等不同角度考虑，安装，以做到对各种雷击的防护，增大保护范围以及增加导通量。建筑物的所有外露金属构件（管道），都应与防雷网（带，线）良好连接。
 
  内部防护
 
  电源部分防护：雷电侵害主要是通过线路侵入。高压部分电力局有专用高压避雷装置，电力传输线把对地的电力限制到小于6000伏（IEC62.41），而线对线则无法控制。所以，对380v低压线路应进行过电压保护，按国家规范应分三部分：建议在高压变压器后端到楼宇总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器，作一级保护；在楼宇总配电盘至楼层配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器，作二级保护；在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装避雷器，作为三级保护。目的是用分流（限幅）技术即采用高吸收能量的分流设备（避雷器）将雷电过电压（脉冲）能量分流泄入大地，达到保护目的，所以，分流（限幅）技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系网络防护的关键，因此，选择合格优良的避雷器至关重要。
 
 
  信号部分保护：对于信息系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。其主要考虑的如：卫星接收系统、电话系统、网络专线系统、监控系统等。建议在所有信息系统进入楼宇的电缆内芯线端，应对地加装避雷器，电缆中的空线对应接地，并做好屏蔽接地，其中应注意系统设备的在线电压、传输速率、按口类型等，以确保系统正常的工作。
 
 
  接地处理
 
  在计算机机房的建设中，一定要求有一个良好的接地系统，因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身安全。如果机房接地系统做得不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰的屏蔽问题，防静电的问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。一般整个建筑物的接地系统有：建筑物地网（与法拉第网相接）、电源地（要求地阻小于10欧）、逻辑地（也称信号地）、防雷地等，有的（如IBM）公司要求另设专用独立地，要求地阻小于4欧（根据实际情况可能也会要求小于1欧）。然而，各地必须独立时，如果相互之间距离达不到规范要求的话，则容易出现地电位反击事故，因此，各接地系统之间的距离达不到规范的要求时，应尽可能连接在一起，如实际情况不允许直接连接的，可通过地电位均衡器实现等到电位连接。为确保系统正常工作，应每年定期用精密地阻仪，检测地阻值。接地装置由接地极及一些附件、辅助材料组成。接地装置的选材和施工主要决定于土质结构，即土壤的地阻率p。不同层土质结构不同，因而地阻率p不同，为增加接地装置使用效率，应使用长效降阻剂。
 
 
  有外部防雷措施同时更需要完善内部防雷措施
 
  我们知道外部防雷措施中避雷设施的引下线在接闪以后，会有很大的瞬变电流通过，也就是说在周围会产生很大的瞬变电磁场（LEMP）。因此，安装了外部避雷措施不能代替内部防雷措施。再者，我们都知道，避雷针的工作原理是引雷，所以在概率上来说，安装了避雷针以后，建筑物的避雷系统遭受雷击的可能性会增大，也就是说LEMP发生的几率会变大和产生点的距离会缩短（引下线处），所以安装了外部避雷措施的含有电脑网络等系统的大厦更加需要内部防雷措施。