防雷技术

雷电电磁感应讲义

引言

电磁兼容（EMC）是近年来发展很快并受到广泛重视的学科领域。IEC（国际电工委员会）对EMC的定义是：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中任何事物产生不允许的电磁骚扰的能力”。电磁骚扰（EMD）定义是：任何可能引起设备或系统性能降低或对有生命及无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声，无用信号或传播媒介自身的变化。电磁噪声与EMD术语有相似的含义，指“一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合。”电磁骚扰源分为自然骚扰源和人为骚扰源。

典型的自然骚扰源有：

1、  雷击电磁脉冲LEMP，又称大气噪声；

2、  太阳噪声，太阳黑子活动时产生的磁暴；

3、  宇宙噪声，来自银河系；

4、  静电放电ESD；

人为骚扰源较多，典型的有：

1、  电力网络中操作过电压SEMP；

2、  核致电磁脉冲NEMP；

3、  高压配电系统对地短路造成过电压；

其它家电、高频设备、电力设备、内燃机、无线电发射和接收设备、高速数字电路设备等，通过放电噪声、接触噪声、过渡现象、反射现象、非功能性噪声和无用信号等电磁骚扰的发生机理均会造成电磁干扰。

在IEC61312-1中对LEMP定义为：“作为干扰源的闪电电流和闪电电磁场。”GB50057-94局部修改条文定义为：“作为干扰源的直接雷击和附近雷击所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流，被雷电击中的装置的电位升高以及磁辐射干扰。”LEMP属由于放电而产生的噪声，由于雷云之间或雷云与大地之间产生火花放电，往往伴随着急剧的电流、电压的瞬时变化，即di/dt或du/dt很大。与NEMP相比LEMP的电磁场强度、陡度和破坏范围都弱得多，但雷电这一大气物理现象，每次释放的数百兆焦尔（MJ）能量与足可影响敏感设备的毫焦尔（mJ）能量相比相差悬殊。1971年美国通用研究公司R·D希尔用仿真试验建立模式证明：由于雷电干扰，对无屏蔽的计算机当磁感应强度Bm=0.07GS时，计算机会误动作；当Bd=2.4GS时，计算机设备会永久性损坏。随着人类在1973年将1万个元件安置在1cm2面积上标志着进入信息时代，这个数值在逐渐变小。

特别是电子技术从本世纪六十年代的电子管元器件发展到八十年代大型集成电路以来，元件的耐受能量已由0.1~10J降至10―8~10―6J，因而设备损坏率骤然升高。各种设备、元件摧毁能量参见图1。

一位奥地利人对其所在地区自1960年~1992年间雷击损失保险理赔件数进行过统计，发现在这33年中，该地区因直接雷击造成的事故（火灾、建筑物破坏等）每年都约为100起左右，而电子设备的损坏却由1960年的931起上升到1992年的23768起！[图2]

图3是慕尼黑TELA保险公司的损害分析，说明雷害损失从1978年到1994年的17年中上升了400%。而德国法兰克福ELELTRA保险公司的统计说明在1994年的灾害赔偿中雷击过电压损失占33.8%，为第一位（图4）。这种雷击灾害的损失与我国近年来的情况基本相同。我国城市中的雷击电子设备损害可占雷电灾害总损失的80%以上。鉴于上述原因，IEC61312-1

标准中“引言”称“鉴于各种类型的电子系统，包括计算机、电信设备、控制系统等（在本标准中称之为信息系统）的应用在不断增加，使本国际标准的制定成为必需。这样的信息系统用于商业及工业的许多部门，包括高资金投入、大规模及高度复杂的工业控制系统，对这样的系统从代价和安全方面考虑非常不希望由雷电导致系统运转的停顿。”

现代防雷技术是一系统工程

现代防雷技术涉及到许多行业，其中有使用维护系统、设计施工系统、设备生产制造系统、防雷装置生产、检测系统等。从技术角度上看也是一系统工程。系统结构愈合理，系统的各个组成部分（或要素）之间的有机结合就越合理，相互之间的作用就越协调，才能使整个系统在总体上达到最佳的运行状态。

比如防雷设计首先要从被保护物所在地理、气象环境出发，要从被保护物的重要性和复杂性以及雷击的后果严重程度出发。在设计中要考虑现有的保护装置的有效利用，要与供电系统的型式、暴露程度，所有线缆的架设，设备自身的耐压水平，选用防雷装置的特性及其有机配合，以及装设后对设备的正常工作是否产生不允许的影响，雷击发生后的反应和自复能力等等复杂的因素进行综合考虑，当然，还应考虑投资与效益的关系。

由于现代电子设备除受雷电干扰外，尚有大量的自然干扰源和人为干扰源，整个防护系统应从EMC这一主题开始进行。EMC有三项主要因素必须认真考虑：干扰源、耦合机制和设备的EMC水平或称抗扰性（抗扰性水平）。EMC干扰源、耦合机制和抗干扰措施综合示意图可参见图5。

图5 EMC干扰、耦合和抗干扰措施综合示意图

前面我们曾提到中国电力科学研究院许颖副院长的“三条防线”原则：（1）将绝大部分雷电流直接引入地中泄散；（2）阻塞侵入波沿引入线进入设备的过电压；（3）限制被保护物上雷电过电压的幅值。三条防线，互相配合，各行其责，缺一不可。鉴于有人一再片面宣传“传统防雷系统有缺陷”，“避雷针起到引火烧身的作用，”并由此推理推荐使用“消雷器”因而有必要介绍IEC61312-1。对外部防雷装置的功能评价。（见图6）

图6

在IEC标准中对进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配进行了估算，认为全部雷电流有50%经外部防雷装置而安全导入大地，剩余的50%雷电流将平均分配到进入建筑物的各种设施上。这也为估算电源线、信号线上的过电压、过电流水平提供了理论依据。

在GB50057-94局部条文修订条文（征求意见稿）中特别指出：“一个信息系统可能设于这样的建筑物内，该建筑物按本规范第二章的规定不属于任何一类防雷建筑物，即不需要防直击雷，在这种情况下，当信息系统按本节第6.1.1条的规定（注：是否需要防LEMP，应从经济合理考虑，对投资与间接损失分析）需要防LEMP时，该建筑物宜按第三类防雷建筑物采取防雷措施。”

电磁耦合过程

IEC61312-1附录D关于雷电电磁耦合过程的全文如下：

D．1耦合机理：

为了实用目的同时为了使用带有集总参数的等效电路来进行研究，将耦合过程分为电阻性耦合、磁场耦合、电场耦合是有好处的。由于直接雷击而对信息系统的瞬态耦合可起因于下列不同的机理：

·         电阻性耦合(例如：由于接地电阻或电缆屏蔽层电阻引起的耦合)。

·         磁场耦合(例如：由于装置构成的环路或连接线的电感引起的耦合)。

·         电场耦合(例如：由于杆状天线引起的耦合)。

由建筑物内设备引起的电场耦合通常比磁场耦合小。耦合受以下因素影响：

·         接地

·         等电位连接

·         屏蔽

·         金属导体的走向与布局

D．2电阻性耦合：

当建筑物遭到雷击时，入地的雷电流通常在防雷装置与远处大地之间产生几百 KV量级的电压，此电压值取决于接地电阻值。这是与建筑物有等电位连接并接至远处大地的外来导体(如电线)，有局部雷电流流过的原因。电缆屏蔽层流过的局部雷电流导致在内部芯线与屏蔽层间产生电压。

D．3磁场耦合：

雷电流不论其在导体中流过或在雷电通道中流过，都产生磁场，该磁场在远至100米的范围内，其强度正比于电流随时间的变化速率。磁场强度H(t)是与传导雷电流i单一长直通路中心间的距离r成反比。

H(t)=i(t)／2πr

某些情况下可应用这一公式作简单的估算，但在大多数情况下应对磁场作详细的分析。在磁场与导体有关联的地方，它就在环路(由这些导体构成)中产生与dH/dt成正比的电压。这就称之为磁感应。

D．4电场耦合：

在形成主放电之前的瞬间必须考虑在整个雷击区(由雷击点起最远大约100米范围)内达到空气击穿放电场强(在500KV／m的范围内)的各个场强。主放电形成后，就必须考虑电场的衰减消失以及电场变化率，其值在500（KVm）/μs范围内。

雷电流电磁耦合过程分析

做为干扰源的雷电电流和雷击电磁场主要是通过路和场二种形式耦合干扰信息系统的电子设备的。

其一、通过导线传导，即通过设备的信号线、控制线、电源线等侵入设备，统称传导干扰。

其二、雷击周围空间存在的电场和磁场，会对邻近设备产生干扰，叫近场耦合干扰。当雷击能量以电磁波的形式向远处传输，从而干扰远处的设备时，称为远场辐射干扰。这两种形式可称为辐射干扰，即通过场的干扰。

1．电流耦合：

当雷闪击在接闪器（或建筑物的金属构件）上，虽然接闪器、引下线和接地装置的阻值很小，但由于雷电流幅值大，陡度（di/dt）大，会在瞬间使引下线和接地装置的电位骤升上百千伏（对远处大地一零电位而言）。如图7所示，当di/dt=100KA/μs时，在图中所示的回路上产生的感应电压Ust=200KV。同理，当有屏蔽层的电缆流过雷电流时，di/dt和屏蔽金属层的电阻也会使芯线与屏蔽层间产生感应电压。

在有相当高的电位差的引下线与建筑物内金属线缆之间、在屏蔽电缆的外皮与芯线之间、在不同的接地装置之间均有可能发生放电现象，这种现象称为闪络，跳击或反击。

2．磁场耦合和电场耦合：

雷电通道中（或接闪器、引下线的导体中）的雷电流产生的电场和磁场会在闭合环路中产生感应电压，从而对环路（及环路中的设备产生干扰。在场的干扰中可分为近场（感应场）和远场（辐射场）当干扰源与设备的间距r相对于干扰信号的波长λ很大（r＞λ/2π）时，干扰源的性质表现为辐射干扰源，其场的性质是辐射电磁场，其特点是电场和磁场同时存在，它们的比值（电磁波的波阻抗）Z=E/H=377Ω。当r＜λ/2π时为传导干扰源，其场的性质表现为传导干扰源，其场的性质主要表现为电场或主要表现为磁场，视干扰源的性质而定。高电压，电流小的源，其场主要为电场、Z＞377Ω；电压低，电流大的源，其场主要表现为磁场，磁场的Z＜377Ω。电场或磁场都属于近场（感应场、似稳态场、准稳态场），其干扰频率一般都比较低。

当空气击穿放电的电场强度值在500KV/m范围时，在从雷击点至100m的范围内，可能受电场影响耦合产生过电压，虽然此时雷击主放电尚未发生。在雷击发生之后，雷电电场衰减消失，这时电场的变化率在500（kV/m）/μs范围内仍起耦合作用。

3．电容耦合：（电场耦合）

任何两块金属之间都存在着电容，其间距越大，电容越小；金属块的尺寸越大，电容越大。雷电电场可通过场的形式（如上一节所述）耦合干扰设备。也可以通过流经的导体构成骚扰源电路干扰接收线路。由电容耦合在接收电路上产生的电压U2与雷电流流过的电路上电压U1关系式如下：

U2= Z2/(Xcm+Z2)*U1，说明电场耦合量随频率升高而增加。

4．横向干扰（线间）

骚扰电流在导线上传输时有共模方式和差模方式两种方式。IEC把在一组有效导体中任意两导体之间的电压称为差模电压或对称电压，也叫为横向电压，如图10所示的VL或VQ。差模电压是由差模电流流过而产生的，而差模电流则可能因雷击造成在不同导体（如相线、中性线）流过大小相同，方向相反的电流。此外，当一次雷击过程中有多次闪击时它们有大小和发生先后的区别，因此在不同的导体上也可能产生电位差而侵入设备，这种横向干扰又称错相位雷击。相对于横向干扰的另一种形式为纵向干扰，又称共模干扰或不对称电压，是指某一导体和所规定的参比点之间（往往是大地或与大地连接的机架）出现的相量电压的平均值，也可以说共模干扰是出现于导线与地之间的干扰，常是因地电位升高引起的。

综上分析，雷电可能闪击到建筑物上，除部分雷电流沿接地装置泄散外，尚有部分雷电流可沿进入建筑物的各种金属管线侵入。在高压输电线路上发生雷击时，线路上产生的过电压也会沿线路传送，直到变压器的低压侧，造成设备的损坏。此外，可能通过各种耦合机制使设备误动作或损坏。

雷电防护区

按EMC原理将建筑物按需要防护的空间由表及里划分为不同的雷电防护区（LPZ），有如下实际意义：

·         可以计算出各LPZ内空间雷击电磁脉冲的强度，以确认是否需采取进一步的屏蔽措施。

·         可以确定等电位连接的位置（一般是各LPZ区交界处）。

·         可以确定在不同LPZ交界处选用电涌保护器的具体指标。

·         可以选定敏感电子设备的安全放置位置。

·         可以确定在不同LPZ交界处等电位连接导体的最小芯线截面。

IEC61312-1将LPZ分为以下各区：

LPZ 0A：直击雷非防护区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流，本区内的电磁场没有衰减，属完全暴露的未设防区。

LPZ 0B：直击雷防护区：本区内的各物体很少遭到直接雷击，但本区内电磁场没有衰减，属充分暴露的直击雷防护区。（本区一般在外部防雷装置接闪器保护范围之内，从理论上本区不可能遭受直击雷，而事实上有这种可能）

LPZ 1：第一屏蔽防护区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，在本区内所有导电部件上的雷电流比LPZ 0区内的电流进一步减小。本区内的电磁场因屏蔽措施而有所衰减。（本区一般指在钢筋结构的建筑物内）

LPZ 2：第二屏蔽防护区：为了进一步减小导电部件上的雷电流和电磁场而引入的后续雷电保护区。

LPZ n：第n屏蔽防护区：需要进一步减小雷击电磁脉冲以保护敏感度水平高的设备的后续雷电保护区。

对一座建筑物，可以分为若干个雷电防护区，见图11，此图分析了LPZ的划分并指出了做等电位连接的位置。