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综合防雷技术

第一节概述

一、雷电的形成与危害

雷电是发生在因强对流天气而形成的雷雨云层间和雷雨层与大地之间强烈瞬间放电现象。

当今还没有一个完整理论可以将全部雷电现象解释清楚。

目前的办法是将不同理论综合起来，尽可能完善地解释各种雷电想象。

二、雷电的形成

1、雷电形成的三个条件：

空气中必须有足够的水汽；有使潮湿水气强烈持久上升的气流；有使潮湿空气上升凝结成水珠或冰晶的气象、地理条件。

2、带电云层形成的基本过程：

潮湿水气在强烈上升的过程中凝结成小水滴，水滴在运动过程中相互碰撞、摩擦，产生电荷，在碰撞时水滴分裂，大水珠带正电荷，小水珠带负电荷由上升气流推向云层上部，在大气电场的极化作用下，云层上部带负电荷，下部带正电荷、形成带不同电荷的云层。

3、雷电的形成的基本理论：

1）、雨滴分裂作用理论

当潮湿水气上升到高空，由于高空气温较低，产生凝结，在上升气流运动过程中逐渐增大形成小水滴。

由于上升气流的不稳定，水滴在运动过程中相互摩擦、碰撞、分裂形成大小不等的水珠，大水珠带正电荷，小水珠带负电荷，小水珠容易被上升气流带到上层云层，大水珠则留在下层或降落到地面，这样便形成了电荷的分离过程。

当带电荷云层逐步积累到足够的电荷量时，便产生闪电现象，形成雷电。

实验证明：

①、水滴分裂时确实是大水珠带正电荷，小水珠带负电荷；

②、分裂水滴所需气流的速度为3—8m/S，正是雷云中上升气流的速度。

2）、电场极化理论

距离地面80公里以上的电离层具有一定的导电能力，而且是带正电荷的，而大地是带负电荷、形成比较稳定的大气电场。

因此，电离层和地这两个带电导体中间被不导电的大气所绝缘，形成一个电容器。

使处于其中的任何导体上端带负电荷，下端带正电荷，（云层也是如此）既发生极化。

此外，近地大气中还常有一定量的离子，其中正离子较重（约为电子的2000倍）不大活动，而负离子则活动性较大，在大气电场的作用下，负离子向上运动，正离子向下运动形成上负下正离子层；另外，空气中水滴分裂后形成上负下正的带电云层，进一步被大气电场极化，这些云层电荷量逐渐积累增多，达到了足够的能量时，便产生闪电现象，形成雷电。

三、雷电的危害

自然界的雷击分为直击雷和雷电感应高电压及雷电电磁脉冲辐射（LEMP）两类。

1、直击雷

直击雷是雷雨云对大地和建筑物的放电现象。

它以强大的冲击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、强烈的电磁辐射损坏放电通道上的建筑物、输电线、室外电子设备、击死击伤人、畜等造成局部材产损失和人、畜伤亡。

2、雷电感应高电压及雷电电磁脉冲（LEMP）

雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲是由于雷雨云层之间和雷雨云与大地之间放电时，在放电通道周围产生的电磁感应、雷电电磁脉冲辐射以及雷云电场的静电感应、使建筑物上的金属部件、管道、钢筋、和由室外进入室内的电源线、信号传输线、天馈线等感应的雷电高电压，通过这些线路以及进入室内的管道、电缆、走线桥架等引入室内造成放电，损坏电子、微电子设备。

3、雷电感应高电压及雷电电磁脉冲的破坏作用悄然发生，不易察觉，后果远比直击雷严重得多。

4、直击雷和雷电感应高电压及雷电电磁脉冲（LEMP）的侵害渠道不同，因此防护措施和方法也就不同。

5、直击雷防护主要采用传统的防直击雷避雷装置，只要设计规范，安装合理，防直击雷避雷装置是能够对直击雷进行有效的防御，保护建筑物及户外设备和人身安全。

6、但是无论多么完善的防直击雷装置，对雷电感应高电压及雷电电磁脉冲的防护都无能为力；

7、因为雷电感应高电压及雷电电磁脉冲的入侵通道不同，其次是由于被保护的系统屏蔽差、没有采取等电位连接措施、综合布线不合理、接地不规范、没有安装浪涌保护器SPD或安装的浪涌保护器不符合相关规范的要求等，使雷电感应高电压及雷电电磁脉冲入侵概率大大提高，损坏相应的电子、电气设备。

全国每年因雷电造成的损失高达数十亿元、因此雷电灾害必须防治。

四、什么是雷电？

雷电是因强对流气候而形成的雷雨云层间和云层与大地间强烈瞬间放电现象。

当雷电发生时，产生强大的雷击电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、瞬变的电磁场和强烈的电磁辐射等综合物理效应，是一种严重的气象自然灾害。

五、雷电防护学

雷电防护学属新兴高科技边缘学科。

六、国内外防雷技术概况

1、我国防雷理论在世界上处于领先地位。

我们提倡雷电灾害综合防治、采取综合治理措施，提出综合防雷理论，将雷击损害降低到最低限度，达到防雷减灾，保护建筑物、电子、微电子设备之目的。

2、国内外防雷产品主要分为两大类：

1）、防直击雷产品；

2）、防雷电感应产品；电源、天馈、信号线系列电涌保护器（SPD）；

3）、原理：

国内外产品基本原理相同。

3、国内防雷市场上主要销售的产品有：

1）、国外：

美国、德国、英国、法国等主要国家的产品；

2）、国内：

中光、等公司生产的避雷针、SPD系列产品。

第二节雷电的综合防治措施

一、雷电防护由避雷针防直击雷发展到综合防雷理论的新阶段。

四川中光公司于1993年在重庆召开的首届全国雷电防护工作会议上率先提出：

“综合防雷理论”。

经过十年的实践现在以被我国和国际防雷界认可和指导防雷工程工作。

实践正明“综合防雷理论”是中光公司对雷电防护学的最大贡献。

二、综合防雷工程是一个系统工程，它包括：

直击雷防护措施；等电位连接措施；屏蔽措施；规范的综合布线措施；设计安装SPD；完善合理的共用接地系统六个部分组成。

三、综合防雷的主要方法是：

采用隔离、钳位、均压、滤波、屏蔽、过压与过流保护、接地等方法将雷电过电压、过电流及雷电电磁脉冲消除在设备外围，从而达到保护电子设备的目的。

四、电涌保护器（SPD）的组成原理：

主要由：

气体放电管、放电间隙、高频二极管、压敏电阻、瞬态二极管、晶闸管、高低通滤波器等元件根据不同频率、功率、传输速率、阻抗、驻波、插损、带宽、电压、电流等要求组合成电源线、天馈线、信号线系列电涌保护器（SPD）；安装在微电子设备的连接线路中，只要设计合理、安装合格、浪涌保护器就能对雷电感应高电压进行有效的防护。

因此，我们既要防止直击雷，也要防雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲，二者有机结合，构成一套完整的防雷体系，这就是现代防雷新理论：

“综合防雷技术”。

第三节电子信息系统雷电防护原则

一、雷电防护必须坚持预防为主、安全第一的指导方针。

二、电子信息系统的防雷应认真调查地理、地质、土壤、气象、环境条件、雷电活动规律、雷击事故受损原因、系统设备的重要性、发生雷灾后果的严重程度以及被保护物的特点等的基础上分别采取相应的防护措施。

三、应根据设备所在地区雷暴等级、设备放置在不同的雷电

防护区、系统对雷电电磁脉冲的抗扰度等因素采取不同的综合防治措施。

四、防雷设计应坚持全面规划、综合治理、优化设计、多重保护、技术先进、经济合理、定期检测、随机维护的原则进行综合设计及维护。

第四节电子信息系统雷暴等级的划分：

一、根据年平均雷暴日数将雷暴发生的地区划分为：

少雷区、多雷区、高雷区、强雷区。

年雷暴日平均值：

20天以下的地区定为：

少雷区。

20天以上40天以下的地区定为：

多雷区。

40天以上60天以下的地区定为：

高雷区。

60天以上的地区定为：

强雷区。

二、电子信息系统雷电电磁脉冲防护等级划分原则

1、电子信息系统的雷电防护，应采用雷击风险评估方法，将信息系统雷电防护等级划分为A、B、C、D四级，分别采取不同的防护措施。

（雷击风险评估方法见附录1）

2、信息系统雷电防护等级划分见表一。

表一：

信息系统雷电防护等级划分表

防护等级

电子信息设备

A级

国家级、省部级、国际通信枢纽；国际航空港、大型港口、车站、大型企业的电子信息设备；省级以上的广播电台、电视台；雷达站、大型计算中心、大型医疗电子设备；其他特别重要的电子信息系统设备。

B级

省部级以下各部门、各行业设置的电子信息设备；微波站、移动通信基站、智能建筑物内的通信、监控系统；高速公路通信监控系统；

C级

闭路电视系统、有线广播系统；对LEMP比较敏感价值较高的电子信息系统设备。

D级

除上述A、B、C级以外一般用途的电子信息设备；

雷击风险评估方法:

附录1

风险评估应考虑信息系统所处的环境因素，信息系统设备的重要性和雷击事故的严重程度等因素进行计算，从计算结果将信息系统雷电电磁脉冲的防护分为A、B、C、D四级，并分别采取相应的防护措施。

一、电子信息系统雷电电磁脉冲防护等级计算方法：

1、建筑物及入户设施年预计雷击次数（N）可按下式确定:

N=K·Ng·（Ae+Ae′）=K·（0.024·Td1.3）·（Ae+Ae′）（1.1）

式中：

K——校正系数，在一般情况下取1，在下列情况下取相应数值：

位于旷野孤立的建筑物取2；

金属屋面的砖木结构的建筑物取1.7；位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处，地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿地带的建筑物取1.5。

Ng——建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/（km2·a）]

Td——年平均雷暴日。

根据当地气象台、站资料确定（d/a）

Ae——建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）

Ae′——建筑物入户设施（电源线、信号线）的截收面积（km2）

2、等效面积Ae，其计算方法应符合下列规定:

①当建筑物的高度H＜100m时，其每边的扩大宽度（D）和等效面积（Ae）应按下列公式计算确定：

D=√H·（200―H）（m）（1.1-1）

Ae=[LW+2（L+W）·√H·（200—H）+πH（200-H）]×10―6（1.1-2）

式中：

L、W、H——分别为建筑物的长、宽、高（m）

②当建筑物的高H≥100m时，其每边的扩大宽度应按等于建筑物的高H计算。

建筑物的等效面积应按下式确定:

Ae=[LW+2H（L+W）+πH2]×10―6（1.1.3）

③当建筑物各部位的高不同时，应沿建筑物周边逐点计算出最大的扩大宽度，其等效面积Ae应按每点最大扩大宽度外端的连线所包围的面积计算。

建筑物扩大后的面积如图1中周边虚线所包围的面积。

L√H（200-H）

πH（200-H）4

L√H（200-H）

√H（200-H）

W√H（200-H）

W

√H（200-H）

√H（200-H）

图1建筑物的等效面积

L

扩大宽度

④入户设施的截收面积Ae′见表1。

表1：

入户设施的截收面积

线路类型

有效截收面积Ae′（Km2）

低压架空电缆

2000×L×10-9

高压架空电缆（至现场变电所）

500×L×10-9

低压埋地电缆

2×ds×L×10-9

高压埋地电缆（至现场变电所）

0.1×ds×L×10-9

架空信号线

2000×L×10-9

埋地信号线

2×ds×L×10-9

无金属铠装或带金属芯线的光纤电缆

0

注：

（1）L是线路从所考虑建筑物至网络的第一个分支点或相邻建筑物

的长度，单位为m，最大值为1000m,当L未知时，应采用L=1000m。

（2）ds的单位为米，其数值等于土壤电阻率，最大值取500。

3、因直击雷和雷电电磁脉冲引起电子信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数NC按下式确定：

NC=5.8×10―2/C（1.2）

式中：

C——各类因子

注：

1、C=C1+C2+C3+C4+C5+C6

2、C1为信息系统所在建筑物材料结构因子。

当建筑物屋顶和主体结构均为金属材料时，C1取0.5，当建筑物屋顶和主体结构均为钢筋混凝土材料时，C1取1.0，当建筑物为砖混结构时，C1取1.5，当建筑物为砖木结构时C1取2.0，当建筑物为木结构时，C1取2.5。

3、C2为信息系统重要程度因子等电位连接和接地以及屏