雷電防護基礎

雷電防護基礎

現(xiàn)代防雷技術的特點

現(xiàn)代防雷技術的理論基礎在于：閃電是電流源，防雷的基本途徑就是要提供一條雷電流（包括雷電電磁脈沖輻射）對地泄放的合理的阻抗路徑，而不能讓其隨機性選擇放電通道，簡言之就是要控制雷電能量的泄放與轉換。德國專家希曼斯基在《過電壓保護理論與實踐中》提出了現(xiàn)代防雷保護的三道防線：

外部保護---將絕大部分雷電流直接引入地下泄散；

內(nèi)部保護及過電壓保護----阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)線、信號線引入的侵入波危害設備；

過電壓保護----限制被保護設備上雷電過電壓幅值。

這三道防線相互配合，各盡其職，缺一不可?！?/span>

IEC LPZ防雷分區(qū)　

按電磁兼容的原理把信息系統(tǒng)所在建筑物或構筑物按需要保護的空間由外到內(nèi)分為不同的雷電防護區(qū) (LPZ),以確定各LPZ空間的雷擊電磁脈沖的強度及應采取的防護措施。雷電防護區(qū)可分為：直擊雷非防護區(qū)（LPZ OA）：本區(qū)內(nèi)的各類物體完全暴露在外部防雷裝置的保護范圍之外，都可能遭到直接雷擊；本區(qū)內(nèi)的電磁場未得到任何屏蔽衰減，屬完全暴露的不設防區(qū)。直擊雷防護區(qū)（LPZ 0B）：

本區(qū)內(nèi)的各類物體處在外部防雷裝置保護范圍之內(nèi)，應不可能遭到大于所選滾球半徑雷電流直接雷擊；但本區(qū)內(nèi)的電磁場未得到任何屏蔽衰減，屬充分暴露的直擊雷防護區(qū)。

第一屏蔽防護區(qū)（LPZ1）?本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，流經(jīng)各類導體的電流比LPZ 0B區(qū)進一步減小；且由于建筑物的屏蔽措施，本區(qū)內(nèi)的電磁場強度也已得到了初步的衰減。

第二屏蔽防護區(qū)（LPZ 2）：為進一步減小所導引的電流或電磁場而增設的后續(xù)防護區(qū)。

第三屏蔽防護區(qū)（LPZ 3） 需要進一步減小雷擊電磁脈沖，以保護敏感設備的后續(xù)防護區(qū) 。

過電壓造成建（構）筑物及設備損壞的幾個方面

(1)雷電

A.直擊雷：是指雷電直接擊在建筑物構架、動植物上，因電效應、熱效應和機械效應等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。一般防直擊雷是通過避雷裝置即接閃器（針、帶、網(wǎng)、線、）引下線構成完整的電氣通路后將雷電流泄入大地。然而接閃器、引下線和接地裝置的導通只能保護建筑物本身免受直擊雷的損毀，但雷電會透過多種形式及途徑破壞電子設備。

B.感應雷：是雷電在雷云之間或雷云對地的放電時，并在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電力線、設備間連接線和電磁感應并侵入設備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設備遭到損害。感應雷雖然沒有直擊雷猛烈，但其發(fā)生的幾率比直擊雷高得多。直擊雷只發(fā)生在雷云對地閃擊時才會對地面造成災害，而感應雷則不論雷云對地閃擊或者雷云對雷云之間閃擊，都可能發(fā)生并造成災害。此外直擊雷一次只能襲擊一個小范圍的目標，而一次雷閃擊都可以在較大的范圍內(nèi)多個小局部同時產(chǎn)生感應雷過電壓現(xiàn)象并且這種感應高壓可以通過電力線、電話線等傳輸?shù)胶苓h，致使雷害范圍擴大。

C.雷電波侵入：由于雷電電流有極大峰值和陡度，在它周圍出現(xiàn)瞬變電磁場，處在這瞬變電磁場中的導體會感應出較大的電動勢，而此瞬變電磁場，都會在空間一定的范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁作用，也可以是脈沖電磁波輻射，而這種空間雷電電磁脈沖波（LEMP）是在三維空間范圍里對一切電子設備發(fā)生作用。因瞬變時間極短或感應的電壓很高，以致產(chǎn)生電火花，其電磁脈沖往往超過2.4高斯?，F(xiàn)代銀行、郵電、證券機房或營業(yè)柜臺普通應用微機進行貨幣存取、信息傳遞與交換，其對磁脈沖承受限度一般為小于0.007高斯，故在新機房建設或舊機房改造時應對防雷與磁屏蔽措施必須充分注意。

D.球形雷：是一種特殊的雷電現(xiàn)象，簡稱球雷。一般是以橙或紅色，或似紅色火焰地發(fā)光球體，（也有帶黃色、綠色、藍色或紫色的），直徑一般約為10-20厘米，最大的直徑可達一米，存在的時間大約為百分之幾秒至幾分鐘，一般是3至5秒，其下降時有的無聲，有的發(fā)出嘶嘶聲，一旦遇到物體或電氣設備時會產(chǎn)生燃燒或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或開著的門窗進入室內(nèi)，有的由煙囪或通氣管道滾進樓房，多數(shù)沿帶電體消失。

(2)操作瞬間過電壓：眾所周知，當電流在導體上流動時，會產(chǎn)生磁場，儲存能量，電流越大，導線越長，儲能越大，所以當大型負載（特別是電感性負載）電氣設備開關時，便會產(chǎn)生瞬時過電壓。

(3)地電位反擊：是指雷擊大地或接地體，引起地電位上升而波及附近的電子設備，對設備產(chǎn)生反擊，損害其對地絕緣。

多層分級（類）保護的避雷裝置

多級分級（類）保護原則：即根據(jù)電氣、微電子設備的不同功能及不同受保護程序和所屬保護層確定防護要點作分類保護；根據(jù)雷電和操作瞬間過城市危害的可能通道從電源線到數(shù)據(jù)通信線路都應做多級層保護。

外部無源保護

在0級保護區(qū)即外部作無源保護，主要有避雷針（網(wǎng)、線、帶）和接地裝置（接地線、地極）。保護原理：當雷云放電接近地面時，它使地面電場發(fā)生畸變。在避雷針（線）頂部，形成局部電場強度畸變，以影響雷電先導放電的發(fā)展方向，引導雷電向避雷針（線）放電，再通過接地引下線，接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護物免受雷擊。這是人們長期實踐證明的有效的防直擊雷的方法。然而，以往一般認為用避雷針架空得越高越好（一般只按45度角考慮），且使用被動放電式避雷針，其反應速度差，保護的范圍小以及導通量小。根據(jù)現(xiàn)代化發(fā)展的要求，避雷針應選擇提前放電主動式的防雷裝置，并且應該從30度、45度、60度等不同角度考慮，安裝，以做到對各種雷擊的防護，增大保護范圍以及增加導通量。建筑物的所有外露金屬構件（管道），都應與防雷網(wǎng)（帶，線）良好連接。

內(nèi)部防護

電源部分防護：雷電侵害主要是通過線路侵入。高壓部分電力局有專用高壓避雷裝置，電力傳輸線把對地的電力限制到小于6000伏（IEC62.41），而線對線則無法控制。所以，對380v低壓線路應進行過電壓保護，按國家規(guī)范應分三部分：建議在高壓變壓器后端到樓宇總配電盤間的電纜內(nèi)芯線兩端應對地加避雷器，作一級保護；在樓宇總配電盤至樓層配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端應對地加裝避雷器，作二級保護；在所有重要的、精密的設備以及UPS的前端應對地加裝避雷器，作為三級保護。目的是用分流（限幅）技術即采用高吸收能量的分流設備（避雷器）將雷電過電壓（脈沖）能量分流泄入大地，達到保護目的，所以，分流（限幅）技術中采用防護器的品質(zhì)、性能的好壞是直接關系網(wǎng)絡防護的關鍵，因此，選擇合格優(yōu)良的避雷器至關重要。

信號部分保護：對于信息系統(tǒng)，應分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據(jù)所屬保護區(qū)的級別確定，精細保護要根據(jù)電子設備的敏感度來進行確定。其主要考慮的如：衛(wèi)星接收系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、網(wǎng)絡專線系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。建議在所有信息系統(tǒng)進入樓宇的電纜內(nèi)芯線端，應對地加裝避雷器，電纜中的空線對應接地，并做好屏蔽接地，其中應注意系統(tǒng)設備的在線電壓、傳輸速率、按口類型等，以確保系統(tǒng)正常的工作。

接地處理

在計算機機房的建設中，一定要求有一個良好的接地系統(tǒng)，因所有防雷系統(tǒng)都需要通過接地系統(tǒng)把雷電流泄入大地，從而保護設備和人身安全。如果機房接地系統(tǒng)做得不好，不但會引起設備故障，燒壞元器件，嚴重的還將危害工作人員的生命安全。另外還有防干擾的屏蔽問題，防靜電的問題都需要通過建立良好的接地系統(tǒng)來解決。一般整個建筑物的接地系統(tǒng)有：建筑物地網(wǎng)（與法拉第網(wǎng)相接）、電源地（要求地阻小于10歐）、邏輯地（也稱信號地）、防雷地等，有的（如IBM）公司要求另設專用獨立地，要求地阻小于4歐（根據(jù)實際情況可能也會要求小于1歐）。然而，各地必須獨立時，如果相互之間距離達不到規(guī)范要求的話，則容易出現(xiàn)地電位反擊事故，因此，各接地系統(tǒng)之間的距離達不到規(guī)范的要求時，應盡可能連接在一起，如實際情況不允許直接連接的，可通過地電位均衡器實現(xiàn)等到電位連接。為確保系統(tǒng)正常工作，應每年定期用精密地阻儀，檢測地阻值。接地裝置由接地極及一些附件、輔助材料組成。接地裝置的選材和施工主要決定于土質(zhì)結構，即土壤的地阻率p。不同層土質(zhì)結構不同，因而地阻率p不同，為增加接地裝置使用效率，應使用長效降阻劑。

有外部防雷措施同時更需要完善內(nèi)部防雷措施

我們知道外部防雷措施中避雷設施的引下線在接閃以后，會有很大的瞬變電流通過，也就是說在周圍會產(chǎn)生很大的瞬變電磁場（LEMP）。因此，安裝了外部避雷措施不能代替內(nèi)部防雷措施。再者，我們都知道，避雷針的工作原理是引雷，所以在概率上來說，安裝了避雷針以后，建筑物的避雷系統(tǒng)遭受雷擊的可能性會增大，也就是說LEMP發(fā)生的幾率會變大和產(chǎn)生點的距離會縮短（引下線處），所以安裝了外部避雷措施的含有電腦網(wǎng)絡等系統(tǒng)的大廈更加需要內(nèi)部防雷措施。