对现代新型防雷的一些认识Word下载.docx

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　　用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包围起来，把闪电的脉冲电磁场从空间入侵的通道阻隔起来，且都必须妥善接地。

1.5　合理布线

　　根据建筑物的具体结构，要求均匀对称合理地布设引下线，把雷电波引入大地。

1.6　接地

　　接地实际上也是泄放雷电流。

现代的建筑物大都利用基础作接地体，并构成周圈式接地带，雷电流分散入地。

至于接地电阻值，近来许多防雷专家都认为，接地电阻值的大小并不是很重要的，最重要是要求等电位连接和合理的引下线布设，以最快地疏导雷电流。

2　现代新型综合防雷

　　现代的防雷工程技术已进入一个新时期，要考虑闪电的各种物理特性和作用而实行三维空间的综合防护措施。

以往的防雷主要是强电系统，是一维或是二维空间的防御，而现在的防雷则转向弱电系统，防雷工程技术面临着一个大转折，包括观念上、方法上的转变。

2.1　防直击雷

　　在建（构）筑物顶安装常规避雷针、避雷带仍是防直击雷的最好方法。

要求合理安置布局。

2.2　防感应过电压

　　由于空中云间闪电形成的感应电磁波及静电侵入使得长距离（＞20米）送电线路、信号传输线路、计算机网络线路、电话线等产生感应过电压，从而造成设备损坏。

因而在这类线路上安装避雷器是很有必要的。

（1）在电源供电线路上采用二级以上保护方式，高压线和380V、220V电源线都安装电源避雷器。

（2）电话总机中继线和架空分机线、计算机线路分别安装电话避雷器和信号避雷器。

　　（3）卫星天线、无线电台发射天线等安装天馈线避雷器。

　　（4）闭路安全监视系统在摄像机头至信号接收处理器两端、在信号接收处理器至监视器两端分别安装馈线避雷器或信号避雷器。

2.3　防反击过电压

　　建筑物中大部分为电子机电设备和通信设备，因此接地网应按均压等电位的原理来设计，工作、保护、屏蔽、建筑物防雷接地应共用一组接地极的联合接地方式，以防止由于雷击而产生的地电位的抬升所引起的过电压。

这里有一点必须提出来，这样做的缺点是很难避免的，即对于计算机等的工作会产生一定的干扰。

这在当前的防雷工作中是一道最难处理的问题。

若计算机等的接地与建筑物防雷接地分开，则容易产生反击过电压；

若共用一组接地极的联合接地方式，又会产生干扰。

这要求在具体实施过程中通过经验和实践来决定采用那一种接地方式。

　　防直击雷、防感应过电压和防反击过电压的三维综合防雷，是一种新型的综合防雷措施。

具体实施过程中要根据实际需要、因地制宜。

以达到最佳防雷效果。

计算机防雷刻不容缓

雷电，如同感冒一样随时随地都有可能发生。

雷电创造了生命但也带来了灾难。

人类在各个历史时期都与雷电做斗争，尽管付出巨大的代价，甚至被雷击毙。

但人们也在防雷工作中取得了巨大的成就。

一、人类防雷回眸

自从富兰克林通过金属线上系风筝，以生命为赌注研究大气电物理建立了雷电理论，发明了避雷针。

随着工业化的发展，高炉烟卤建筑物上都装有防雷装置。

发电机变压器的发明和电话在生活中的应用，人类在电气化时代又屡着雷击，由直击雷击伤击毁生命和财产发展到通过金属线特别是电线和电话线进行了感应雷和高电压反击，人们为此制造了间隙串联熔断器、各国先后制订了防雷规范。

并纳入由国家或独立机构进行的技术管理和监督中，国际合和让防雷科学技术得到了发展。

然而道高一尺，魔高一丈，二下世纪七十年代以来，半导体技术发展特别是大规模集成电路的应用，尤其是计算机通信系统，微爱信系统中的大规模集成电路于由电压低（5V，15V或者更低）耐不了过电压的过电流的冲击，雷击尤其是感应雷又频频光顾，造成的损失甚至超过设备本身的价值，各种高层建筑地拔而起，遭雷害造成的损失也相当大。

防雷老问题又遇到了新麻烦

二、雷害的现实

这是一组触目惊心的数字

1992年8月刚刚敷设的福建德化－永春二级埋地光缆在距永春10KM处距光缆10M的大树遭雷击。

雷电流沿树根泄入大地，因无排流线等降低电位措施，将光缆的金属护层与塑料处护层击穿成许多小孔，雷电电弧将钢带击穿成孔洞，烧断光缆数根。

1993年5月17日，6月3日，某自治区证券中心两次受到雷击，击坏计算机16台。

1994年5月7日，南方某报社一次雷击损坏计算机近百台。

1995年6月，南方某省银行结算中心，33层高的大楼遭到雷击，计算机网络系统停止工作3天，几亿元资金不能正常结清，仅利息就损失200万元人民币。

1999年8月9日，吉林省蛟河发生雷灾，天岗地区某单位的通讯设备被雷击毁。

当地1000余台电视机和300余部电话出现故障，雷害发生后的36小时之内，远离百里的蛟河市区，市话手机全停。

银行专线无法正常进行，损失严重。

相当多的公安机关的专网和军事机关的雷达也受到雷击。

被雷击上的部门就如同得了感冒一样，难受的不仅是他们自己，而且还会传染开来，给相关的部门和人们带来损失，甚至引发社会问题。

一般而言，雷电活动以季节上看，夏季最活跃，冬季较少，从地区分布上看，赤道最活跃，随纬度升高而减少。

以雷电日计算，我国根据多年统计得出的平均雷电日，西北15日以下，长江以北包括东北在15-40日之间，长江以南地区达40日以上，雷州半岛和海南岛是雷电活动最剧列的地区，达120-130日，总体上讲我国的雷活动很强。

借助无线电技术统计出的雷闪频数（即1000KM内一年内发生的雷闪击次数）和中国的雷电日成线性关系，也证明了这一点。

三、防雷工作

上述雷击事件带来的损失之惨重，发人深省，知识经济时代是信息时代，政府上网电子商务，越来越多的机房，甚至智能大厦如雨后春笋般出现，越来越多的计算机和网络在运行，以史为鉴，将防雷工作搞好，亡羊补牢犹为晚，雷击虽然厉害，但因其有预兆，可以尽量减少减轻雷击造成的损失。

未联网的单机只需将电源的零线重复接地，拨号上网的用户也可在雷击之前关机，断开电话线电源线。

雷害造成的危害表现在：

1、直击雷中机房的建筑物可产生30KA左右的雷电流，由于电压分布不均会产生局部高电位反击，击毁建筑物，损坏设备，造成人员伤亡。

2、强大的直击雷电流会使机房的电压升高到几万，几十万伏，通过电线电话线信号电缆的接地点反馈，所有与之相连的通信和网络设备均会遭身。

当然危害远远不止这些。

为此中心机房的避雷则要在以下几方面采取措施

1、在中心机房所在的建筑物应当安装独立的避雷针避雷网将整个中心机房所在的建筑物保护起来，将电流引入地下，现在有的建筑师把建筑物本身的钢筋作为雷电流引下线，这对于计算机通信设备较少的机房也是一种合理的方法，所有进入中心机房的金属管道，外壳，交换机柜，中心路电器应联成统一的电气整体，并与专门的统一地网相连。

计算机通信电缆的芯线，电话线均应加装避雷器。

3、电话网络的避雷，因其采用程控交换机中大量的集成电路对过电压过电流的耐受能力不足，对于架空线路应在电杆上安装避雷器。

在路端安装保安器，一旦线路受雷电冲击时，通过放电器放电，在短时间内大电流不烤断熔丝；

以保证通信畅通。

一旦雷击电流过大，熔丝熔断，保证设备人员安全。

一般而言，雷暴日多发的地区熔丝应当略粗些，雷暴日少的地区，略细一些，若采用细裸铜丝，粗的不能超过0.48mm，细的应在0.39mm。

4、电力入户线避雷保护。

是一般在配电变压器两侧安装避雷器，在低压长线进户的最后几个基杆上进行接地，让雷电受到分流衰减，防止雷电力线进入。

5、Novell和Ethernet等局城网络防雷措施一般不经过Modem，如果信号线不长。

好接地和穿好金属管就可做到相对安全了。

也如果信号线较长，也不应考虑使用氧经锌材料的避雷器，因为信号损失大，但可以在远程电活联网中采用。

6、电缆的防雷，即使是埋在地下的电缆也会受到雷击，有的当时不一定引起绝缘击穿，即使击穿绝缘，也不一定马上造成通信中断。

而多表现在通讯信号时断时续。

上例中已经提及。

7、防雷接地是最根本的一条。

但如果接地做了但不合格，那会为雷击创造条件；

同样，当时合格并不意味着永远合格，雷雨季节前的年检必不可少，吉林省某市教育系统的许多机房直接将地线接到暖气管上，危险就在眼前，而自认为安全。

我国的防雷工程形成了比较完整有效的体系。

国家也制定了《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）计算机通信系统的防雷理论、元器件、材料和施工工艺也有了较大发展。

公安机关也在积极进行防雷产品的安全检测和监督管理的，为计算机防雷安全做了大量工作。

尽管雷电如同感冒一样，但我们会克服这一难题，尽量减少损失，甚至可以期待有一天化害为利。

雷电与防雷误区

摘要：

阐述雷电形成的原因、产生的过程以及防雷的方法，以便正确选用防雷器件。

关键词：

雷电形成 

防雷方法

随着电子技术的发展，电子器件已进入大规模集成电路时代。

电子设备的功能得以改善，运行的可靠性不断提高，然而防雷的能力却大大地降低了。

现在，每年遭到雷击而造成的损失数以亿元计，所以研究保护微电子设备免遭雷电危害已成为一个重要课题。

虽然近两个世纪出现了很多的防雷方法和派生出很多防雷器件，但由于对雷电的了解不全面或对器件性能的偏见，往往得不到预期的效果。

由于不得其法，浪费了大量资财。

本文阐述雷电的成因并指出当前防雷误区，力图打破似乎冻结的防雷方法的规范，以求防雷研究的进展。

1雷电的形成

1.1自然界的自由电荷

在电子学中，当人们研究电的现象时发现构成物质的微单元的原子中，围绕原子核高速旋转的外层电子易受外界条件的影响而逸出，使原子缺少电子或者自由电子单独存在而对外部形成电场的带电现象。

金属导体和绝缘体的内部结构区别在于：

金属导体中的自由电子内部引力较弱，而绝缘体内部引力较强。

所以在金属导体环路中，如加上一种使自由电子逸出的力量（这个力量我们叫电压），由于环路中电压的存在，金属中的电子产生位移式的流动，不过金属内的正负电荷量的绝对值是相等的，一旦去掉加在环路中的电压，环路立即处于中性，没有电子的流动，不再产生电场。

对非环路的金属，比如两块相互平行的金属板，它们之间以空气为介质，如在这两块板上加上电压，金属导体中的电子按同性相斥，异性相吸规律，使电子向一面流动，产生电场，这种现象称为静电现象。

这时对某一块金属来说，它们电荷的正负电量的绝对值就不相等了，这时如去掉加在其上的电压，它不像环路那样呈现电中性，却仍保持带电性质，仍然有电场的存在，但是随着时间的推移，这个电场会自然消失。

正统的理论解释为A片金属的电子通过介质层逐步释放给B片金属的结果，这是以环路电流理论为依据的论点。

但是，如果将两块已充了电的金属块瞬间拉开到不可能从A向B释放电子的距离，两块金属会不会永久性地带电呢？

事实告诉我们，随着时间的推移带电现象也随之消失，这是什么原因呢？

教科书上提到的摩擦起电现象，即绝缘体相互摩擦后，绝缘体出现带电现象，在这种情况下，是否需要两件物体再接触一下才能使绝缘体呈现带电中性呢？

事实并非如此，这些悬于空间的带电物体，不管带电性质如何，只要与大地接触一下，带电现象就立即消失。

因此这种现象告诉我们，在自然界中，A给B的电荷，A不必从B收回，B多余的电荷也不一定向A输出，这与金属环路电流理论是不相同的。

同时可以推定，自然空间（包括大地在内）各种物体电荷的拥有量的绝对值是不相等的，就是说自然界拥有巨大的自由电荷量。

自然界之所以拥有大量的自由电荷，从电势形成概念而言，有电磁效应、化学效应、摩擦起电及射线等诸方面原因，现代科学可以做到测量人脑电流的运动来判断脑的活动。

自然界的自由电荷的成因，用能量守恒定律来规范，可以这样说：

凡有物质运动的地方（包括宇宙射线），就会产生电子运动并形成自由电荷，这是一种能转换成另一种能的变换过程，所以自然界物质的运动是自然界产生自由电荷的根源。

所谓自然界，包括天空与大地这样广阔的空间，这个空间不存在电荷的中性，就大地而言，我们称之为零电位，但大地本身因物质的运动其电位并非为零，它拥有大量的自由电荷，我们可以做一个简单的小实验：

用一副耳机，或者一只毫伏表，两根同金属性质的金属棒，在一定距离内分别将金属棒插入地下，棒与棒之间用耳机可以听到地电荷的噪音，如果接上毫伏表发现有电压指示，而这种指示不因放电时间的加长而消失，单线传输的电话线路，电话的耳机里的噪音也连续不断，这些都说明大地自由电荷的存在。

当然用上述方法无法测量天空自由电荷，但是我们用长波和中波收音机收听电台时，噪音干扰也连续不断，以此证明，天空中有不断的放电现象，说明天空中存在丰富的自由电荷，同时又能形成一定强度的电场放电。

这里反复地论证自然界存在自由电荷，其目的是要解释雷电产生的根源，因为教科书上的环路理论不能对雷电成因进行解释。

1.2雷电场的产生

雷电的能量是巨大的，在人类活动中，任何单一的电站所发出的电能不可能产生一次雷电所释放的能量，那么这样大的能量积聚是怎样形成的呢？

上面说过，由于物质的运动自然界产生巨大的自由电荷，当然这些自由电荷是产生雷电的根源。

从电子学中得知，要形成一个强大的电场，一定是其中一方是同性质电荷的积累，但是在天空中空气是绝缘的，同性质的电荷又相斥，它们不可能积聚在一起，不可能形成能量的集中，天空中的物质受气流、宇宙射线的影响而产生自由电荷，且不断增加，在大气层的挤压下向太空高层运动，形成一个电离层，这个电离层是含单性电荷的电子层，其电场的能量是不可估量的。

当大气层中出现潮湿的空气，在上升阶段又遇冷空气结成水状云块时，由于云块可看成是一个整体的导体，在电离层电场力的作用下，云层中的电子推向面向地的一端，虽然云块正负电荷的绝对值相等，但实际上形成了一个静电场，在晴天，云块远距地面而且云块与大地间潮湿空气较稀，它们之间介质绝缘程度较高，不易发生击穿放电现象，但是在雨天，特别是热雨季节，由于云层下降，空气潮湿，在此条件下带电云块击穿空气向大地放电而形成雷电。

雷电不单纯是空间对地放电，往往在空间也会形成雷电。

这是因为带电云块在空间的位置较高，当地面的潮湿空气急速上升时，它与带电云块形成的电场在空间放电，形成高空雷电。

上面说过，云块受电离层电场力的作用产生静电现象，这些云块向地放电以后，其本身产生电离即云块的正负电量的绝对值不相等，形成带电现象，带电云块随着气流运动与另一云块形成电场，当它们逐渐接近时产生放电现象是形成空中雷的原因，当我们观察雷电在空间放电时，往往是一次接一次有连续不断的感觉。

1.3雷电过程

雷电过程也是静电理论中阐明的电场中介质击穿过程。

上面说过雷电的成因，雷电是带电云块在运动过程中放电的现象，其放电位置不是固定的，但有一定固定的条件。

比如电场中介质的厚度、绝缘系数、气体温度和地表导电系数都影响雷击地点。

我们常说的多雷区应该说该地区具备上述诸因素中的几种。

但是有人认为雷电是在本位置产生的，这是一种误解。

道理很简单：

因为在本地区又有什么力量积聚这么大的能量呢？

应该是带电云块在运动过程中放电形成雷电，当然在带电云块的作用下，在什么地方放电与地面的前述条件有关，以地貌而言相对高度越高应该说越易遭雷击，这里指的是高建筑物、高山及地表凸出处，但也不一定就在这些地方出现雷击，因为在电场中介质参数不单纯是指厚度，还取决于绝缘系数即环境的温度和气体的温度。

我们发现，往往雷击点不在山顶而在平川，这是因为那里的潮湿空气和气温使电场介质的绝缘低于高山而遭雷击。

另外，地表的导电也有影响，良好的导电地质比难以导电的地质所产生的雷电场就大得多，所以易导电的地质易于引雷。

雷电场是一个巨大的静电场，是人类不可建造的。

巨大的电场面积和所积聚的巨大能量是不可估量而又不可测量的，人们往往在雷电以后，从被雷击的物体破坏的程度估计它的大小。

对于雷电流用数以亿安计的词来形容是不过份的，雷电场在放电过程中与静电场放电有相似的地方，但也有差别，人为形成的静电场其储能是极为有限的，所以它在放电过程中放电电流是从最大值逐步减弱，而雷电场就不同，由于储能巨大，在放电时因通过空间的阻力开始阶段不可能使电场减弱，而是在放电时空气加热以后放电电流达到最大值，再随着电场的减弱放电电流随之下降。

所以雷击过程中雷电流是从小到大再减弱，就电的性质而言，由于它是一个静电场的放电，电流的方向是不变的，所形成的是一个幅度巨大的脉动直流电流。

所以雷电流的主要分量是直流分量，但脉动部分和雷电流与空气及地接触时产生的热骚动形成的谐波和高次谐波的电磁能量也相当大，所以雷电过程中的交流分量也不可小看，雷击过程中，从低频直至米波段这样宽的频谱均受不同程度的干扰，从谐波理论得知，低频段所受干扰较为严重。

如果我们将地面的物体置于某一位置，雷电对这一物体产生的干扰可分为感应干扰和直接干扰。

某一物体不在雷电场内，但由于雷电在放电过程，它所产生的强大电磁波使这一物体受电磁波的冲击，这样的雷我们称“感应雷”，当某一物体置于雷电场内，而且物体又作为雷电流的导电体，巨大的电流通过该物体使物体遭到严重破坏，这种直接置于雷电场受到雷电的冲击，我们称这种雷为“直接雷”。

以现代微电子来说，不管感应雷还是直接雷对微电子器件都会造成永久性的破坏。

2防雷的误区

2.1避雷针与避雷器

19世纪后叶，人们发现金属导体尖端放电现象。

避雷针是典型的利用尖端放电原理做成的防雷装置，在被保护物体上架设一根金属针，并将它与地相通。

它是怎样避雷的呢？

解释是这样：

当避雷针置于空中对地这个雷电场时，由于避雷针与大地有良好的接触，此时电场能量通过避雷针放电，雷电场消失，使它不发生大电流的放电，从而起到消雷的作用。

但是这种解释也有不清楚的地方，即位于强大的雷电场下的避雷针，能否按人们的意愿慢慢地放电使雷电场消失呢？

从电学原理也说不通。

因为强大的雷电场就像炸药缺少引信一样，避雷针所指的空间就像引信，由于避雷针的引导会一触即发。

因为其高度和良好的接地条件要优于其它位置，同时尖端形成的电场又大于其它地方，所以强大的雷电场以避雷针为中心放电区，如果说避雷针本身不具有电抗，接地电阻又达到零值，数以亿安计的雷电流可以顺利通过它，不会形成热效应和雷电位，便可达到避雷目的。

但避雷针本身和引线存在着电抗，接地电阻不可能为零，所以雷击过程中，它没有避雷能力，只起到雷击位置的引导作用。

人们认识到这一点，但对避雷针有所偏爱或者说对雷电成因不理解，他们将雷电解释为是本位置产生的，就是说讲不清楚的原因，在避雷针设置的地方和相对的空间形成电场，由于避雷针逐步放电而使这一电场建立不起来，所以避雷针起到消雷的作用。

事实上从20世纪以来人们对避雷针的避雷作用公开地提出了质疑，因为避雷针成为引雷针的事件屡见不鲜。

然而避雷针在下述情况能发挥一定作用，当带电云块的电量很小，而且又远离地面与大地形成不太强的电场时，避雷针对其电场逐步放电达到消除这个电场的目的。

地面有些物体与大地是绝缘的，比如木质结构的古建筑物，在感应雷和直接雷的作用下，可能会带上静电，由于静电的存在可能引起火灾，如果在这些物体上架设避雷针，就可使建筑物与大地形成等电位，避免这些物体在雷电场作用下带静电。

但是，现代的建筑物几乎都是钢筋水泥结构的，它与大地已形成了等电位，显然架设避雷针是多余的。

但是现在的建筑物仍沿袭老规矩架设避雷针，其原因很明显，主要是责任和规范问题。

说句实话，不设避雷针谁能保证该建筑物不受雷击？

安装了避雷针而遭雷击是老天爷的事，责任不在人。

几乎在出现避雷针的同时，在输电线上人们利用尖端放电现象发明了尖端放电避雷器，两个尖端所形成的电场在一定间距内放电，这个间距的大小可以设定在一定电压下放电，于是将它安装在输电线上，使雷电的超压值通过此放电器引导入地达到避雷的目的。

20世纪初叶，输电线上普遍安装了形似羊角的羊角避雷器，但是由于羊角避雷器在泄放雷电过程中，空气被加热引起电弧不断，虽然有引导电弧上升的形态，但雷电过后，电路不能正常供电。

于是在尖端放电的基础上加了对电压敏感的电阻元件，此元件在超过额定电压时呈现的电阻小，反之阻值增大，对过压引起的电流起到开关作用，这种避雷器称“阀型避雷器”。

按压敏原理又派生出气敏和氧化锌器件。

不管羊角型、阀型、气敏和压敏避雷器，它们的结构企图达到一个目的：

使输电线上的过压值，通过这些器件，箝位在人为的整定值上，从而使用户设备的端电压不超过额定电压，确保用户设备的安全。

2.2避雷器件用在不同电路中的反应

现在形形色色的避雷器，如果单纯地就其本身结构来判断是否有防雷作用是不全面的，还要看这些器件用在什么电路。

下面介绍几种电路在雷电过程中的反应：

（1）高压输电线雷电势的分布与过渡

高压输电线是三相三线制，线对地是绝缘的。

不管输电线受感应雷或直接雷影响，在三线中的雷电势的电位和相位均是相同的，线与线之间的电位差等于零。

所以当雷击高压输电线时，主要危及输电线及其在线路上运行的变压器的对地绝缘。

在三线的输电线中，由于各种原因三线对地绝缘系数不尽相同，特别是高压侧的避雷器绝缘性能更难求得一致，所以在雷击过程中会出现一线首先向地放电现象。

由于一线放电，该线雷电位迅速下降，此时另外二线的雷电位就高于放电线，线与线之间就出现了雷电位差，这个电压通过变压器高压侧绕组，低压侧（即变压器副边）就由于电磁感应出现雷电压，这个电压很高时就危及用户设备的安全。

（2）低压输电线雷电势的分布与过渡

低压为三相四线制，零线与大地相连，雷电发生在低压电线时，由于零线本身存在着电抗，接地电阻不可能达到零值，四线上的雷电都向地放电，此时的低压输电线首先是零电位急剧上升，当然相线由于零电位上升而相应上升，而且每相向零线放电时，都是通过用户设备进行的，由于各自的负载不同，相应的雷电位也不尽相同，这样又出现了相对零线间和相间的雷电流。

所以当雷击低压线时，对用户设备造成破坏的一是对地绝缘，二是超压过载，往往由于零线电位升高而破坏用户绝缘的故障最明显。

（3）小电流电路

所谓小电流电路系指电源功率容量小、电源内阻高的电路网络，这种电路我们常见的如电话外线及电子线路本身。

上面说过，目前的防雷器件是由尖端放电和压敏原理派生，这些器件用于线路超压保护时，接线方式一般为线间并联及线与地间并联，这