廣東天文防雷工程有限公司 周艷岳 杜宇峰 梁 浩

1.雷電災(zāi)害

雷電的本質(zhì)是帶電云層之間或者帶電云層對(duì)地之間發(fā)生的猛烈放電現(xiàn)象。當(dāng)雷雨云之間整體或部分區(qū)域累積的正（負(fù)）電荷達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使得某一位置的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到大氣絕緣的極限值，云中電荷就會(huì)擊穿大氣與云體內(nèi)部，與大氣層或地面的異性電荷發(fā)生中和放電，即產(chǎn)生雷電。雷電往往同時(shí)伴隨強(qiáng)烈的發(fā)光、高溫、電磁輻射、沖擊波和隆隆的雷聲。全球一年平均發(fā)生30多億次的雷電現(xiàn)象，每年因雷電災(zāi)害而死亡的人數(shù)高達(dá)上萬人，損壞的設(shè)備更是不可計(jì)數(shù)。

美國國家海洋和大氣總署在一份氣象災(zāi)害影響評(píng)估報(bào)告中指出“l(fā)ightning is the most dangerous and frequently encountered weather hazard that most people experience each year.”意指“雷電是大多數(shù)人每年都會(huì)經(jīng)歷的最危險(xiǎn)和最頻繁發(fā)生的天氣危害”。從氣象學(xué)方面講，雷電是伴隨著強(qiáng)對(duì)流天氣過程發(fā)生的一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，伴隨一個(gè)典型雷暴的發(fā)生、發(fā)展及消退過程，雷電的生命史約為1個(gè)小時(shí)；從大氣電學(xué)角度看，雷電是地球大氣層中發(fā)生的電磁現(xiàn)象，閃電電磁場(chǎng)的主要特征表現(xiàn)為時(shí)變場(chǎng)，電壓、電流隨時(shí)間變化的速率極快，功率極高。電壓可高達(dá)數(shù)百兆伏，電流達(dá)400kA，中心溫度達(dá)30000℃，其電流的寬束能量是太陽表面的6倍，50%的雷電流平均約為30kA。

圖1 直擊雷及雷電電磁脈沖的危害

圖2 電源線穿金屬管埋地敷設(shè)示意圖

自然界的雷擊災(zāi)害主要分為直接雷擊災(zāi)害和雷電電磁脈沖（Lightning Electro-magnetic Pulse，LEMP）造成的危害。

直擊雷是帶電云層對(duì)大地、建（構(gòu)）筑物、防雷裝置、其他物體間的放電現(xiàn)象。雷電具有非常巨大的破壞力，其強(qiáng)大的電流、極高的溫度、強(qiáng)烈的電磁脈沖輻射以及劇烈的沖擊波等效應(yīng)，能夠在瞬間對(duì)建（構(gòu)）物、電子信息系統(tǒng)、各種線路乃至人身安全，產(chǎn)生巨大的破壞作用，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。

當(dāng)帶電云層之間或者帶電云層對(duì)大地、建筑物、避雷裝置等放電時(shí)，在放電通道四周將會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的雷電電磁脈沖輻射、電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)，使區(qū)域內(nèi)的管道、鋁合金窗、各種線路等金屬物體感應(yīng)出強(qiáng)烈的高壓電磁脈沖，當(dāng)感應(yīng)高電壓產(chǎn)生時(shí)，會(huì)沿著各種線路、管道進(jìn)入室內(nèi)，造成室內(nèi)的各種微電子設(shè)備被雷擊損壞。如圖1所示。

從EMC(電磁兼容)的觀點(diǎn)來看，防雷保護(hù)由外到內(nèi)應(yīng)劃分多級(jí)保護(hù)區(qū)。最外層為直接雷擊區(qū)域，危險(xiǎn)性最高，主要是由外部(建筑)防雷系統(tǒng)保護(hù)，越往內(nèi)危險(xiǎn)程度越低。

2.雷電電磁脈沖的防護(hù)

2.1 配電系統(tǒng)的防護(hù)

鑒于電子信息系統(tǒng)對(duì)雷電、浪涌等過電壓非常敏感，電源線路的雷電電磁脈沖防護(hù)是防護(hù)的重點(diǎn)。因?yàn)殡娫淳€路容易受到外部雷電電磁脈沖的感應(yīng)而攜帶和傳導(dǎo)大量的雷電浪涌高壓。輸電線路如果由架空引入，處于直擊雷的威脅之下，當(dāng)遭受雷擊時(shí)，線路回路上出現(xiàn)的浪涌可能會(huì)高達(dá)100kA以上。因此，現(xiàn)代的供電線路，一般都是采用鎧裝電纜埋地的方式引入（如圖2所示）。這種線路引入方式，大大降低了直擊雷所形成的浪涌對(duì)線路的威脅。

表1 浪涌保護(hù)器(浪涌保護(hù)器)連接線最小截面積

圖3 等電位連接示意圖

圖4 分區(qū)屏蔽

對(duì)供電系統(tǒng)采用多級(jí)保護(hù)，可以提高系統(tǒng)的可靠性。電子信息系統(tǒng)宜安裝多級(jí)浪涌保護(hù)器防雷電過電壓。第一級(jí)安裝在配電系統(tǒng)總出線處（配電盤）；第二級(jí)安裝在各系統(tǒng)供配電柜（箱）內(nèi)；第三級(jí)安裝在微電子設(shè)備前端（計(jì)算機(jī)終端電源穩(wěn)壓器或UPS電源前）。各級(jí)浪涌保護(hù)器通流量分別為：第一級(jí)不小于60kA（8/20μs），第二級(jí)不小于40kA（8/20μs）（限壓型），第三級(jí)不小于20kA（8/20μs）（限壓型），

對(duì)于采用直流供電的設(shè)備，應(yīng)根據(jù)線路的長度和工作電壓，選用標(biāo)稱放電電流不小于10kA適配的浪涌保護(hù)器。

浪涌保護(hù)器(浪涌保護(hù)器)的連接導(dǎo)線最小截面積應(yīng)符合表1的規(guī)定。

電源上逐級(jí)加裝電源浪涌保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)多級(jí)防護(hù)。即在變壓器的高壓端加裝高壓浪涌保護(hù)器，低壓側(cè)加裝低壓浪涌保護(hù)器，在交流配電屏和直流配電屏分別加裝交、直流浪涌保護(hù)器。加裝直流浪涌保護(hù)器是最近發(fā)布的防雷標(biāo)準(zhǔn)中提出的，因?yàn)橹绷骼擞勘Ｗo(hù)器的殘壓大大低于交流浪涌保護(hù)器，因此能有效地提高敏感設(shè)備抵御雷電電磁脈沖的能力。浪涌保護(hù)器的防雷能力與安裝方式有密切關(guān)系，主要是引線電感會(huì)產(chǎn)生額外的殘壓，應(yīng)盡可能地縮短電力線與浪涌保護(hù)器的連線和浪涌保護(hù)器與接地匯接板連線的長度。多級(jí)布置浪涌保護(hù)器可減小引線電感帶來的額外殘壓，因?yàn)榍凹?jí)浪涌保護(hù)器已將大部分雷電流泄放入地，后級(jí)的浪涌保護(hù)器只泄放少部分雷電流，雷電流的減小必然導(dǎo)致引線上的附加殘壓減小。為保證浪涌保護(hù)器由前到后順序泄放，浪涌保護(hù)器的動(dòng)作電壓應(yīng)是后級(jí)不低于前級(jí)。浪涌保護(hù)器之間的電力電纜長度不小于15m。

2.2 信息系統(tǒng)的防護(hù)

當(dāng)雷電電磁脈沖順著電源、信號(hào)線路侵入時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的電子設(shè)備極易遭受雷擊損害。對(duì)于信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)，應(yīng)針對(duì)雷電電磁脈沖的傳播途徑及危害機(jī)理，采取系統(tǒng)的的雷擊防護(hù)措施。

主要的防護(hù)方法有等電位連接、接地、屏蔽、安裝浪涌保護(hù)器等。

2.2.1 等電位連接

等電位連接的目的是為了克服不同電氣裝置之間的電位差。當(dāng)接閃器接閃時(shí)，在雷電流途徑的路徑上會(huì)產(chǎn)生極高的電壓與電流，瞬態(tài)電位迅速抬高，與四周金屬物件之間會(huì)形成電位差，如果兩者間的電位差超過了耐受強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生擊穿放電，這種擊穿放電對(duì)于電子設(shè)備的危害極大，在擊穿放電的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電磁脈沖，干擾甚至損壞設(shè)備。為了消除這種擊穿放電，應(yīng)該將所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的金屬外殼、各種金屬設(shè)施以及室內(nèi)的弱電設(shè)備、金屬管道等作等電位連接，以消除各金屬物體之間的電位差。

2.2.2 接地

對(duì)于信息系統(tǒng)而言，應(yīng)該將防雷接地、保護(hù)接地、工作接地等接地系統(tǒng)通過等電位連接母排連接在一起，實(shí)現(xiàn)共用接地。

在實(shí)際運(yùn)用中，一些系統(tǒng)由于系統(tǒng)商的要求，往往要求采用獨(dú)立的接地系統(tǒng)，接地電阻值也各不相同，這些接地系統(tǒng)并未與建筑物的防雷接地連接在一起。這種接地方式，雖然在一定程度上減少了系統(tǒng)受到的干擾，但由于各接地系統(tǒng)間未進(jìn)行等電位連接，當(dāng)建筑物遭受雷擊時(shí)，雷電流沿著防雷引下線泄放入大地，在此過程中，將會(huì)在泄流通道上產(chǎn)生極高的電壓與極強(qiáng)的電流，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備因?yàn)殡娢徊疃斐稍O(shè)備損壞。因此應(yīng)采用共用接地系統(tǒng)，將各個(gè)接地系統(tǒng)何設(shè)為一個(gè)統(tǒng)一的接地網(wǎng)，則可避免地電位反擊對(duì)設(shè)備造成的危害。如果擔(dān)心偶然情況下共用接地對(duì)自控系統(tǒng)的干擾，可以用等電位連接器將自控系統(tǒng)的接地體與其他接地網(wǎng)連接，這樣就可以很好地解決兩方面的問題。

2.2.3 屏蔽

屏蔽在整個(gè)綜合防雷系統(tǒng)中，占有非常重要的一環(huán)，可以說，是防護(hù)雷電電磁脈沖最有效的措施。目前絕大部分新建建筑物都為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)的建筑鋼筋網(wǎng)類似于法拉第籠的結(jié)構(gòu)，因此鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物，其本身已經(jīng)具有一定的屏蔽作用?！督ㄖ锓览自O(shè)計(jì)規(guī)范》中要求，新建建筑物鋼筋之間的連接，應(yīng)采用焊接方式，這樣的措施，使得屏蔽效果更加明顯。因此，在建筑物由基礎(chǔ)開始施工的過程中，就應(yīng)該將鋼筋之間通過焊接的方式連接而增加鋼筋籠連接的可靠性，這同時(shí)也是為將來室內(nèi)的系統(tǒng)防雷打下良好的基礎(chǔ)。另一方面，進(jìn)出建筑物的各種傳輸線纜，其本身的屏蔽層就有很好的屏蔽作用，如鎧裝電纜、帶屏蔽層的網(wǎng)絡(luò)線等，這些傳輸線纜的屏蔽層，可以很大程度的減少雷電電磁脈沖對(duì)線纜內(nèi)部的輻射。如圖4所示。

2.2.4 安裝浪涌保護(hù)器

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，即使是屏蔽措施做得比較完善的建筑物，也是不能完全避免因各種線纜進(jìn)出而引入的雷電電磁脈沖的。這時(shí)候就必須在線路上安裝相應(yīng)的浪涌保護(hù)器加以保護(hù)，對(duì)于屏蔽措施并不完善的建筑物，在線路上安裝浪涌保護(hù)器更是不可缺少的。

2.2.5 合理布線

在電子信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖防護(hù)的工程中，科學(xué)、合理的布線，可以極大改善電子信息系統(tǒng)的電磁環(huán)境，有助于加強(qiáng)電子信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)。進(jìn)出室內(nèi)的各種傳輸線應(yīng)該分類布設(shè)，不應(yīng)該混雜在一起，否則不僅線纜之間會(huì)互相干擾，還會(huì)在某條條線路受到雷電電磁脈沖輻射時(shí)，同時(shí)對(duì)混雜在一起的其它線纜產(chǎn)生二次感應(yīng)。因此進(jìn)出室內(nèi)的各種強(qiáng)弱線纜，應(yīng)分開敷設(shè)，并做好屏蔽措施，這樣既有利于線纜的維護(hù)，又有利于雷電電磁脈沖的防護(hù)。另外，室外的線纜，應(yīng)盡量避免架空敷設(shè)，降低遭受雷擊的幾率，所有線纜應(yīng)盡量穿金屬管（線槽）埋地敷設(shè)，并且應(yīng)注意避開直擊雷防護(hù)裝置，比如避雷針、防雷引下線以及其他接閃裝置等。盡量遠(yuǎn)離區(qū)域內(nèi)可能作為接閃裝置的金屬物體，這樣，可以極大減少雷電電磁脈沖對(duì)埋地線路的影響。特別需要注意的是，信號(hào)線路在室內(nèi)的敷設(shè)，應(yīng)避免沿建筑物的柱體或緊貼外墻敷設(shè)，這樣也可以大大減少雷電電磁脈沖的干擾。

3.結(jié)論

電子信息系統(tǒng)的雷電電磁脈沖防護(hù)必須進(jìn)行系統(tǒng)地設(shè)計(jì)，主要是在各種線路方面（電源、信號(hào)）采取各種分流限壓保護(hù)措施、以及規(guī)范的接地處理，并采取目前國際上提倡而且行之有效的合設(shè)接地方式等來達(dá)到對(duì)設(shè)備進(jìn)行雷電防護(hù)的目的。

對(duì)電子信息系統(tǒng)的雷電電池脈沖防護(hù)，嚴(yán)格按照以上的要求去設(shè)計(jì)，可以最大限度的保護(hù)各種電子設(shè)備免遭雷電電磁脈沖的損害，保障人員安全，使系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB50057－94.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京:中國計(jì)劃出版社,2000.

[2]四川省建設(shè)廳.GB50343－2004.建筑物信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[3]梅忠恕.雷電沖擊電壓下接地裝置的電壓升高和反擊[J].云南電力技術(shù),2007(1):3-6.