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第一章 防 雷 原 理

雷電是發生在大氣層的光、電物理現象，它給人類的生活帶來很大影響。雷電造成的災害自遠古以來一直威脅著人類和地球上的一切生物。隨著科學技術的發展，現代化微電子技術的廣泛應用和大量高科技電子通信設備的使用，特別是計算機網絡系統，由于各種設備大量采用集成電路模塊和系統分散控制用的CPU單元，這些由微電子器件組成的電路普遍對電網電壓的質量要求很高，對雷擊電磁脈沖承受能力較弱，使雷電災害的危害程度加劇，如何避免雷擊電磁脈沖的破壞已成為迫切需要解決的問題。

一、雷擊的分類

    雷擊一般分為直擊雷和感應雷擊兩種形式，分述如下：

直擊雷---直擊雷是指閃電直接擊在建筑物、其他物體、大地或防雷裝置上，產生電效應、熱效應和機械力者。直擊雷具有電壓高、電流大、瞬時性等特點，因此直接雷擊的破壞最為嚴重。

感應雷擊---雷擊時，雷擊點的周圍會產生強大的交變磁場（感應半徑達1.5公里），處在磁場中的天饋線、信號線、電源線及金屬導體會因電磁效應產生強大的雷擊電磁脈沖（LEMP），該脈沖信號以過電壓的形式竄入用電設備，直接摧毀微電子設備。感應雷擊對弱電設備，特別是通訊系統及電子計算機網絡系統的危害最大，據統計80%以上的雷擊事故是由感應雷擊造成的。因而必須在相應部位，安裝與被保護設備有關參數相一致的浪涌保護器。

二、雷電防護區域的劃分

  按照IEC1312-1及GB50057-94（2000）防雷法規的要求，將被保護的空間劃分為不同的防護區，以區分各部分空間環境中的雷擊電磁脈沖的嚴重程度及指明各防護區等電位連接的位置。各區以在其交界處的電磁環境有明顯改變作為劃分防雷區的特征。防雷區域按照以下分區（圖1）：

                                       圖1

LPZ 0A區：

直擊雷非防護區，本區內的各物體都可能遭到直接雷擊和導走全部雷電流；本區內的電磁場沒有衰減。

LPZ OB區：

直擊雷防護區，本區內的各物體不可能遭到直接雷擊，但本區內的電磁場沒有衰減。

LPZ 1區：

屏蔽防護區，本區內的各物體不可能遭到直接雷擊，流經各導體的電流比LPZOB更小；本區內的電磁場可能衰減，這取決于屏蔽措施。

LPZ 2區：

后續雷擊區，當需要進一步減小導入的電流和電磁場時，應引入后續雷區，并按照需要保護的系統所需求的環境選擇后續防雷區的要求條件。通常，防雷區的數越高電磁環境的參數越低。

在兩個防雷區的界面上應將所有通過界面的金屬物做等電位連接，并采取屏蔽措施。

三、雷電對電子設備的損害途徑

    主要有三個途徑：

（1）            直接雷擊經過接閃器（如避雷針、避雷帶、避雷網等）引下線而直放入大地，導致地網電位上升。高電位由設備接地線引入電子設備形成高電位差，發生地電位反擊。

（2）雷電流沿引下線入地時，在引下線周圍產生磁場，引下線周圍的各各金屬管（線）上經感應而產生過電壓。

（3）進出大樓或機房的電源線和通訊線等在大樓外受直擊雷或感應雷而加載的雷擊過電壓及過電流沿線竄入，入侵電子設備。

四、針對此三種途徑所進行的防護

（1）接閃與接地：

大樓通過建筑物主鋼筋，上端與接閃器，下端與地網連接，中間與各層均壓環或環形均壓帶連接，對進入建筑物的各種金屬管線實施均壓等電位連接，具有特殊要求的各種不同地線進行等電位連接處理。這樣就形成一個法拉第籠式接地系統。它是消除地電位反擊的有效措施。

（2）均壓連接與屏蔽：

安裝均壓環，同時通訊電纜槽及地線線槽需要用金屬屏蔽線槽，且做等電位連接。其布放應盡量遠離建筑物立柱與橫梁，通訊電纜線槽以及地線線槽的設計應盡可能與建筑物立柱或橫梁交叉。

（3）分流：

進入建筑物大樓電源線和通訊線應在不同的防雷交界處，以及終端設備的前端根據IEC1312—雷電電磁脈沖防護標準，安裝上不同類別的電源類SPD以及通訊網絡SPD（SPD瞬態過電壓保護器）。SPD是用以防護電子設備遭受雷電閃擊及其它干擾造成的傳導電涌過電壓的有效手段

第二章 綜合防雷設計思路

一、方案設計原則

嚴格按照國標、部頒標準以及相關的國際標準實施防雷工程

根據電子及電氣設備不同功能及保護程度確定防雷要點，作分類保護。

在做好系統防雷的基礎上，達到最大節約資金的目的。

二、外部防雷保護措施

     外部防雷保護措施主要是防止直接雷擊直接擊在建筑物、構筑物上，造成損壞。對于直接雷擊的防護常見的有避雷針、避雷網格、避雷帶、避雷線。選用何種直接雷擊防護措施要根據該建筑物、構筑物所處的地理位置、當地雷擊情況、建筑物的高度等進行選擇。

三、內部防雷措施

建筑內部過電壓防護根據雷擊過電壓產生的原因有屏蔽、分流、等電位接地幾種措施，一個完善的防護系統應是以上幾種措施的有機結合，通過良好的屏蔽可最大限度的降低雷電磁場對電源及通信導線的耦合，分流是屏蔽措施的有效補充，等電位接地則可消除設備之間的電位差。避免高電位差造成設備損壞。

四、常見雷擊原因分析

一般情況下，室內設備與外界的聯系可分為三種（如圖2），電源線、信號線（包括數據通訊、天饋線等）及設備地線，設備因雷擊損壞時，無論瞬態過電壓產生的原因如何，其最終會通過這三個途徑中一種或幾種對設備放電，造成設備損壞。因此對于任何一個需要保護的空間內的設備，只要截斷該需要保護的空間與外界瞬態過電壓的途徑，即可達到保護的要求。

因此，設備因過電壓損壞，其損壞程度的原因可歸納為為兩點：線路傳導過電壓及地電位反擊。

                           圖  2

(一)、線路傳導過電壓的形成方式

線路傳導過電壓產生的形成可分為三種：

（1）遠點雷擊過電壓的入侵

遠點雷擊過電壓的入侵對于存在架空線路的通訊系統危害最為嚴重。建筑物內部的通訊系統，室內其它設備及建筑物近旁由于防雷裝置的保護，不會遭受直接雷擊。但若大樓內的電力線、信號線為架空引入，則在建筑物遠處可能因直接雷擊產生瞬態過電壓。另外，靜電感應、雷擊電磁脈沖輻射也可產生較高幅值的過電壓，沿線路傳導的瞬態過電壓侵入設備內部，造成設備損壞。其瞬態過電壓形成如圖3。

                                  圖 3

（2）近點雷電磁場感應

近點雷電磁場感應是近年來通訊系統損壞的主要原因。當建筑物遭受雷擊或在建筑物近旁發生雷擊時，強大的累積電磁脈沖會在周圍空間產生交變磁場（以雷電為中心1.5-2KM的范圍內都有可能產生危險的過電壓），處于磁場中的導體相對切割磁力線而感應出高電壓（閉合回路則會產生感應過電流），另外雷擊發生時產生的電磁脈沖以電磁波的形式耦合到對瞬態電磁脈沖極為敏感的通信線路，沿線路產生的過電壓竄入設備，從而造成設備損壞。其形成過見圖4。

圖 4

（3）電感、電容性負載的起動

電感、電容性負載起動，即通常所說的開關操作過電壓。電壓在極短的時間內發生瞬變，電壓時間特性曲線的陡度（DU/DT）較高，形成幅度較高的脈沖電壓加載在供電線路上，沿線路竄入設備內部，造成設備損壞。其形成原理圖如圖5。

                             圖5

當U0取值為24V時，適當的L和C_S，加載在設備上端的脈沖電壓幅值即可達4000V，這遠遠超過了脆弱電子設備的耐受能力。

  (二)、線路傳導過電壓的防護

根據線路傳導過電壓形成的三種方式及其傳播途徑，對于室內的防雷保護可從兩個方面進行考慮：

    （1）線路屏蔽埋地接地處理

對于設備來講。單純的電場與磁場干擾是很少見的，干擾總是以電場、磁場同時存在，表征電磁屏蔽作用的效果主要是以電磁波穿過屏蔽層時的能量衰減程度的大小來定，屏蔽體對電磁波的衰減有三種不同的機理，一種為波反射，當電磁波到達金屬界面時，會發生反射，削減能量；第二種為渦流耗損，電磁波進入金屬導體后會產生渦流，消耗部分能量；第三種為多重反射、折射所產生的渦流消耗的能量；一般來講一個完善的屏蔽系統能大約衰減50%-70%的能量。

根據國標GB50057-94（2000）及《通信局（站）雷電過電壓保護工程設計規范》YD/T5098-2001要求：“出入局（站）的網絡金屬數據線應穿金屬管道或采用屏蔽電纜后，再從地下引入其它機房，金屬管與鎧裝電纜的金屬護層兩端應就近與大地網焊接”“出入通信局（站）的光纜或電纜，應在進線室將金屬鎧裝外護層做接地處理，另外光纜應將纜內的金屬構件，在終端處接地。”（見《通信局（站）雷電過電壓保護工程設計規范》）因此，對出入建筑物的電源及通訊電纜的金屬護套均應在入戶處進行等電位接地處理。對于存在架空線路通訊機房，架空線路應穿管埋地處理。

（2）       安裝過電壓保護器

（電源線路過電壓防護）

根據IEC防雷分區原理及機房通訊設備的特殊性，其供電線路過電壓的防護可通過多級防雷保護來實現（圖6）。第一級過電壓保護器一般采用通過一級分類測試實驗的SPD（10/350us）或大能流量限壓型SPD(8/20us)。

建筑物架空線入口處必須安裝通過10/350us測試的一級SPD，主要因為在建筑物入口處的金屬導體極易遭受直接雷擊或傳導雷擊，該能量巨大，而一級防雷產品與二級、三級防雷產品最大的區別就是測試沖擊能量不同，用于處理雷擊電流的一級SPD的耐受能量通常為用于進一步限壓的二級、三級的幾十到幾百倍。第二級及后續防雷過電壓保護器可采用限壓型SPD，限壓型防雷器核心器件為壓敏電阻，壓敏電阻具有通流容量較大，低殘壓的特點。                   

  圖6

（通信線路過電壓防護）

為達到對設備的有效保護，依據IEC防雷分區原理及GB50343的要求，信號部分也可采用多級保護方式將雷電流幅值降到設備耐受能力范圍內。一般情況下，對于A類機房或存在架空線路時，可在LP0與LP1的交界處進行粗級防雷保護，在LP1與LP2的交界處，采用精細保護防雷器。目前信號過電壓產品一般均具有綜合防護功能，既能泄放大電流又能達到限壓的目的。

因此，對于處于0區與1區交界處的通訊線路可在入戶端，安裝具有綜合防護功能的信號SPD，達到泄流限壓，限制能量的目的。另外，由于雷電磁場的存在，因此對于處于室內的通信電纜盡管其不可能遭受直接雷擊，但仍可能產生較高的雷擊過電壓，因此對于室內重要的通信設備仍需要安裝精細類過電壓保護器?！?/span>