1、雷电与浪涌防护 下图是中国气象局的国家闪电监测系统。这套设备安装有GPS定位系统，以及声、光、电测试设备，通过定点采样，可以把全国的雷电动态数据，如雷电闪击次数、雷电强度等，收集后进行计算机处理。GPS是实现信息防雷的基础，有了它就可以把全国的雷电分布做成电子地图。4 雷电是一种自然现象，雷电防护是一个非常复杂的系统工程。按行业分，防雷分建筑物防雷、输电设备防雷、通信设备防雷、计算机网络设备防雷、家用电器防雷，以及信息防雷等等；对不同行业、不同设备，到底需要采取什么样的防雷措施或等级来对雷电进行防护，目前，标准并不统一，要求也不一样。 目前我国常用的防雷标准： 1.中华人民共和国国家标准建筑物
2、防雷装置检测技术规范（GB/T21431-2008）； 2.中华人民共和国气象行业标准安全防范系统雷电防护要求及检测技术规范（ICS.07.060）； 3.中华人民共和国行业标准民用建筑电气设计规范（JGJ162008）； 4.铁道部文件铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见。 国际防雷标准： IEC62305-1.雷电防护第1部分总则； IEC62305-2.雷电防护第2部分风险管理； IEC62305-3.雷电防护第3部分建筑物的物理损坏和生命危险； IEC62305-4.雷电防护第4部分建筑物内电气与电子系统； IEC62305-5.雷电防护第5部分公共设施。 56 我国的雷击浪
3、涌抗扰度试验标准是：GB/T17626.5（等同于国际标准IEC61000-4-5），欧洲的雷击浪涌抗扰度试验标准是：ITU-T K.20、ITU-T K.21、ITU-T K.45，美国雷击浪涌抗扰度试验的标准是：ANSI/IEEEE C62.41、GR1089、FCC PART68、UL1449，相对来说，国外的技术标准要比中国的技术标准要严格很多，这也表示中国的总体科学技术水平相对还比较落后。 目前我们国内使用的大多数电子产品还不具备抵抗4000Vp以上的二次雷电浪涌电压的冲击（国外大多数要求30kV），我国的很多地区，特别是农村或城市的郊区，配电设施的建设还很不规范，我国的三相四线制（
4、TN-C）的弊端（地线与中线经常接错）也开始显露出来，每年被雷击损坏的各类电子设备不计其数，经济损失惨重，这要求我们的防雷意识还需进一步提高。 防雷标准和EMC标准具有一定的代表性和普遍性，但完全符合现有的防雷标准和EMC标准的产品，并不一定能符合产品在特殊环境中的使用要求，例如，目前我国的产品防雷标准（GB/T17626.5），指明电子产品可分为五个等级进行雷电保护，但面对国内现有的三相四线制供电系统而言，这个标准是很低的，并且目前国内的大部分电子产品还不能满足这个标准。 现代电子设备功能越来越强，电路越来越复杂，元器件的密度越来高，但承受电磁干扰或感应电压的能力越来越低。如不对这些电子产品
5、进行静电感应保护，或雷电感应保护，则通过ESD放电和二次雷击产生的浪涌电压脉冲，很容易就把这些电子设备损坏。 目前我国的低压配电设备普遍使用三相四线制（TN-C），这种供电系统现在存在很大的不足。当雷电击中电网配电设备的高压输电线路时，会在低压输电线路的中线中产生很高的浪涌电压，很容易对用电设备产生二次雷击，如果不加以防雷保护，二次雷击将会导致大量用电设备以及电子仪器损坏。 实践证明，很多雷击事故或火灾都是因为这种配电系统工作不安全引起的。特别是在城市郊区或农村，每年都有成千上万的电子产品被雷击损坏，主要原因是城市郊区和农村大多数低压电网还是采用明线输电，这种输电线路很容易遭受雷击；或者，由于
6、没有采取有效的防雷措施，雷击在中线中产生的反击浪涌电压，传输距离相对较远，使很多用电设备遭受二次雷击。7 全球大约有4万多个雷暴中心，每天大约有8百万次雷击，每次雷击产生的能量可供一个100瓦的灯泡点亮3个月。 在雨季，平均每6分钟就有一个人被雷电击中；每年有成千上万的人因雷电击中而丧伤。 1992年6月22日，北京国家气象中心多台计算机接口因感应雷击被毁，损失二仟多万元。 2004年6-8月份，我国共发生雷电灾害约6505起；造成人员伤亡997人(其中受伤544人，死亡453人) ，其中因雷击造成爆炸起火的有52起，造成建筑物受损350起，造成家用电器和办公电子电器设备受损2838起，造成供
7、电故障362起，经济损失超过10亿元。 2011年7月23日晚，杭深线D301次列车与D3115次列车因雷电原因发生追尾事故，造成经济直接损失4亿多元。 2011年1-8月，深圳市因雷电造成经济直接损失6000多万元。 因雷电原因，每年全世界有数千万个电器设备被损坏，并造成数千亿元的经济损失。雷电危害简介8 我国地处温带和亚热带地区，雷暴活动十分频繁，全国21个省会城市年最多雷暴日均在50天以上，最多达到134天，雷电灾害是我国最严重的自然灾害之一。据有关部门统计，2011年16月，全国共发生雷电灾害7000多起，造成直接经济损失1.3亿元，全国因雷击造成人员伤亡的事故240多起，致死363人
8、、致伤216人。由雷电灾害引起的火灾爆炸事故400多起，建筑物受损300多起，电力行业遭雷击1700多起，通讯行业遭雷击700多起，石化遭雷击200多起，各类贵重电器设备受损数达14000多件。92011年7月23日D3315次和D301次列车在温州因雷击发生车祸1011被雷电击坏的被雷电击坏的CRTCRT电视机电视机被雷电击毁的平板电视机被雷电击毁的平板电视机1213被雷电击坏的电脑设备被雷电击坏的电脑设备141. 1. 雷电的产生雷电的产生l 地球与电离层之间存在很强的电场，电场强度大约为：E = 100V/米米l 地球与电离层之间相当于一个大电容器，电容量大约为1.1法拉。l 地球本身也
9、相当于一个大电容，它到无限远处的电容量大约为： 70810-4 法拉。15l 在地球的周围充满着电场和磁场，这是造成很多大自然灾害的一个根源。l 地球表面的所有物体，都相当于电容器中的电介质。1.1 1.1 地球表面的电场地球表面的电场l 地球表面带负电，它带的电荷大约为4.5105库仑，电位大约为负4.1105伏。1.2 1.2 电电 场场 感感 应应电场强度dVdUUE12感应电压dEV U1、U2 分别为感应带电体的端电位，d为感应带电体的长度，所以，电场强度也成为电位梯度。- -+ +16当某物体靠近另一带电物体时，就会被感应带电；一端带正电，而另一端则带负电，所以感应带电也叫极化带电
10、 。U1U11.3 1.3 电场感应产生电场感应产生位移电流位移电流当带电体的极性或电场方向改变时，被感应的导体中就会产生位移电流。当导体中有位移电流流动时，在导体的周围，就会产生磁场，同时会产生很强的电磁辐射。 位移电流位移电流I等于电场强度等于电场强度E乘以迁移率乘以迁移率m，即：，即： I = Em由于感应导体中的电场强度每处都不一样，所以由于感应导体中的电场强度每处都不一样，所以导体中导体中位移电流大小每处都不一样。位移电流大小每处都不一样。17-+ +E-U1+U1-E-U1 把极化带电物体的一端接地，在物体中就会产生位移电流，位移电流的大小与物体的电容大小与电场强度有关，相当于对电
11、容进行充放电。 把极化带电物体的一端接地，然后再把接地导线断开，物体就会带电。再把带电物体放进验电器的法拉第罩中，验电器就会指示物体带负电。18-+ +E-U1+U112总体而言，世界上的所有物质都是属于电中性的，即其所带的正、负电荷代数和等于0 。但物体处于电场中时，电荷将要重新进行分布，一端带正电，另一端带负电，中间不带电，这叫极化带电。极化带电物体中的电位梯度等于电场强度。形象地说，这里极化带电的物体就好比空中的一朵云。19-+ +E-U1+U1-+ +E-U2+U220在外力或强电场力的作用下。极化带电物体会产生分离，带电物体被一分为二，一个带正电，另一个带负电。形象地说，被分离带电的
12、两个物体就好比空中被风吹散的两朵云。被分离的带电物体在电场中同样也要被极化，使一端的电位要比另一端高，其电位梯度不变。-+ +E-U2+U2-+ +E-U1+U1-U1+U121电场中的两个物体碰在一起的时候。其电荷也要重新分布。形象地说，碰在一起的两个物体,就好比空中被风吹到一起的两朵云。两个碰在一起的物体，电荷被重新分布之后，两端的电位，在数值上都比原来高，但其电位梯度还是不变。+ +-22电场中 两 个 带 负 电（或正电）的物体互相碰在一起的时候。其电荷也要进行重新分布。两个带电物体互相碰在一起，相当于两个电容进行串联充放电。形象地说，碰在一起的两个带电的物体, 就好比空中两朵带电的云
13、被风吹到一起。两个带正电（或负电）的物体碰在一起，电荷被进行重新分布之后，带电端的电位，在数值上都比原来高，但其电位梯度还是不变。-E-U3E-U1-U2-+E+U3+U2+U1电容与电容器完全是两个概念，电容只有一个带电体，而电容器中有两个带电体。23+-+- 两个带异性电荷的物体互相碰在一起，就会产生放电。 带电物体靠近地面建筑物的时候，也会产生放电，这种现象就是雷电，它会对人类造成很大危害。2. 2. 雷电的基本参数与输电设备的防雷雷电的基本参数与输电设备的防雷24 地球带负电，表示地球一直在接收宇宙外来空间辐射到地球的带负电微粒子，这些带负电的微粒子首先被雷云俘获，并被雷云中的正离子中
14、和，因此，90%以上的雷电都是属于负极性的。 所谓雷电的极性，是指雷云下行到大地的电荷极性。 外来空间辐射到地球的带电微粒子产生的电流大约为1.5kA。这相当于地球通过电晕或雷电的方式，平均每秒钟从外来空间接收615兆焦耳的电能。2526特别提示：特别提示：在在1000100050005000米的高空是雷电活动最活跃的区域，雷雨季节，请大家少坐小飞机。米的高空是雷电活动最活跃的区域，雷雨季节，请大家少坐小飞机。2.2 2.2 雷云的放电过程雷云的放电过程 雷云不是一个实体，而是一个被极化带电的松散体，一般雷云都有几个带不同电荷的中心，当第一个电荷中心放电时，其它电荷中心的电位梯度也将要相应改变
15、，因此，当第一个雷电中心放电完毕后，第二个、第三个电荷中心也要紧跟着第一个电荷中心放电。打雷时，经常会出现多条闪电亮线，每条闪电亮线就相当于一个电荷中心在放电。 下图是我国在年平均雷电日大于20日的地区测得1205个雷电流数据。我国的广西、广东、云南等地区雷电日超过90日，广东的雷州半岛和海南的雷电日高达100133日。雷云放电过程中雷电流的变化情况272.3 2.3 避雷针的工作原理与落雷密度避雷针的工作原理与落雷密度 避雷针可以起到很好的先导引雷作用，先导引导作用的大小与避雷针的高度相关。雷击概率（N）和避雷针高度（H）之间的数量关系为： N0.015TK1K2H2104（次/年）式中：
16、T当地年雷暴日数（d/a）； K1落雷不均匀系数，建筑物一般取：K11.52.0； K2建筑材料影响系数，金属材料一般取：K20.15 。 结果表明：雷击概率与避雷针高度的平方成正比，这是由于电场强度与距离的平方成反比的缘故。282. 4 2. 4 避雷针的防雷作用避雷针的防雷作用29 避雷针保护建筑物免受直接雷击的范围，是指通过避雷针的引雷作用，使避雷针周围低于避雷针的建筑物，免受或降低直接雷击的概率，这个免受雷击的概率也可称为绕击率。 建筑物相对于避雷针的高度越低，受直接雷击的几率就越低。 但由于避雷针的引雷作用，反而增加了避雷针周边建筑物被二次雷击的概率，因此，不要把避雷针看成是电子产品
17、的保护神，因为大多数电子产品都是安置于建筑物之中，直接受雷击的几率非常小，而安装避雷针之后，反而增加了被二次雷击的概率。 安装避雷针虽然可以保护建筑物（或其它设备）免遭直接雷击，但当避雷针遭雷击时，几百千安培的电流脉冲会在避雷针附近地面进行扩散，并在地面上产生很高的跨步电压，此跨步电压同样也会对地面上的电子设备和人身安全造成很大的危害。 这种由雷电反击电压或电、磁场感应对电子设备和人身安全造成的危害现象称为二次雷击；而雷电直接击到某物体上时，称为一次雷击。 试验证明，在避雷针附近的雷击事故明显增多，所以“避雷针”这个名字并不名符其实，应该把“避雷针”改成“引雷针”才是合理的。 避雷针的作用主要
18、是减小电子设备被直接雷击的概率，但却会增加电子设备被二次雷击的概率。因此，贵重电子设备一定要在电源输入电路中安装雷电防护电路，电子设备防雷主要是二次防雷，以及三次防雷。 打雷时，雷云与大地之间的电位差高达数亿伏，当雷击到避雷针或地面设备时，在避雷针附近的地面还会产生很高的“跨步电压”，在避雷针周围的30米范围内，平均跨步电压高达3万伏/米。这个“跨步电压”通过供电设备的中线以及地线会对电子设备产生很高的“反击电压”，如果电子设备不加以防雷保护，将导致大量电器、电子设备被雷击损坏。 一般电子设备都是无法经受得起一次雷击的，因此，对一次雷击的防护主要靠安装避雷针或避雷线，但由避雷针或避雷线产生的二
19、次雷击，甚至三次雷击，同样也会对电子设备产生严重的破坏作用；因此，对电子设备的二次雷击或三次雷击进行防护，就显得特别重要。2. 5 2. 5 避雷针容易引起二次雷击避雷针容易引起二次雷击30 高速公路上的路灯是很好的避雷工具，每隔20米安装一盏路灯，其避雷作用比照明还重要。31 对比之下，因为普通公路上没有路灯，行走在公路上的车辆，很多都成为了雷击的靶子。32 高度为537米的莫斯科电视台：平均每年遭雷击33次； 在其建成后的4年半时间中，遭雷击达143次之多，可见其高度号称为欧洲之最的莫斯科电视台，其遭雷击的次数也可称之为欧洲之最； 以莫斯科电视台为中心，以1.5公里为半径的区域内的遭雷击几
20、率为莫斯科其它地区（2.54.0）倍。 高度为380米的纽约帝国大厦：平均每年遭雷击23次； 高度为157.5米的美肯尼迪航天中心垂直装配楼：每年平均遭雷击4.3次； 高度为84米的美肯尼迪航天中心脐带塔：平均每年遭雷击2.1次。l 以上数据表明，高度越高遭受雷击的概率就越大，当避雷针的高度高于周边的其它建筑设备时，其它建筑遭受雷击的概率可相应减小，或直接遭受雷击的损坏程度可以降低，从而起到保护其它建筑物的作用，但避雷针周边的电子设备，被二次雷击的几率，却会成倍增加，这是值得我们特别注意的地方。2. 6 2. 6 避雷针的引雷作用避雷针的引雷作用3334 在高压输电线下面很容易引来雷击，是最不
21、安全的地方。目前大多数高压输电线路都是不防雷的，它只在最后两公里的地方才开始防雷，其余地方难免要遭受雷击。2.72.7 雷击在地面产生跨步电压浅析雷击在地面产生跨步电压浅析 雷云和地球都相当于一个充了电的电容，打雷时相当于两个充了电的电容在进行串联放电。地球对无限远处的电容为708微法，对电离层的电容大约为1.1法拉。上图是雷云和地球两个电容进行放电时的原理图。图中，Cy为雷云的等效电容，Cd为地球的等效电容，Rd为雷云对避雷针的放电电阻（这里看成是接地电阻），Rp为地球表面的跨步电阻（单位距离的电阻），Rp两端的电压称“跨步电压”，Cp为地球表面的跨步电容，G表示电位等于零处，可表示为地球的
22、中心。X表示地球表面的某个方向，-X表示另一方向。352.8 2.8 雷击时地面电位的分布雷击时地面电位的分布 打雷时，雷电落地中心区地电位会升高，地面的电位按指数规律进行分布，地面某处的电位为：36扇形系数P表示雷电落地的电阻是一个扩散电阻，电阻率随着落地距离在改变。打雷时，在避雷针附近（30米范围内），平均跨步电压高达3万伏/米以上。 地球是一个带电体，它所带的电荷主要集中在地球的表面，而球心的电位等于0；当我们把地球看成是“0”电位时，这个“0”电位与真正的0电位（地心的电位）实际上是两回事。 假设雷云与避雷针（或避雷线）的距离为1公里，气体放电距离一般为10001500V/mm，由此可
23、推算出雷云对地的电压为10万万伏以上。dPxxmeUu43. 1 供电设备或电器设备的外壳一般都要接地，这个接地电阻一般都比较容易测量，但雷电落地电阻就很难测量。一方面雷电是个数亿伏的高压脉冲，它会对落地附近的绝缘物体进行击穿或极化充电，这个阻抗用低电压试验是无法测量的；另一方面，地球和雷云都属于电容，雷云对地球放电后，地球表面的电位也要相应改变，两个电容在充放电的过程中，与之相关的阻抗都在变化。 上图为雷电从避雷针落地时对大地放电的等效电路，图(a)为雷电流通过避雷针向地球扩散；图(b)是图(a) 的等效电路，图中，Rp为不随电压大小改变的纯电阻，E代表土壤中两种不同性质的导体产生的电池效应
24、，Re为电池的内阻，D代表土壤中两种不同性质的物体互相接触时产生的二极管效应，Cx为土壤中两跨步导体之间的电容，Rc为电容内阻，GP为土壤的跨步击穿电压（大约为3000V/Cm）可等效成一个放电管，Rg为内阻，L为避雷针地线的分布电感，RL为电感内阻，GD为雷云击穿空气时等效成一个气体放电管； Cd为地球的等效电容，Cy为雷云等效的电容；图(c) 为图(b) 的进一步简化，Rv为图(b) 中AB 两端的等效电阻，即落地电阻，它的最小值可定义为冲击电阻Rx， Rx的值等于其两端（AB）最高电压与最大电流之比，显然Rv与一般定义的接地电阻Rd的概念并不完全相符，一般Rx小于Rd。试验结果表明，Rd
25、的最小值约等于4欧姆。2.92.9 雷电的落地电阻雷电的落地电阻372.10 2.10 雷感应电流、电压的测试雷感应电流、电压的测试6J10d)21-a10000.2(LnVdti38 雷击产生瞬间电流非常大，一般达数百kA，直接对流过避雷针的雷电流进行测量是很难的，但可以通过测量与避雷针并行导体的感应电流或电压（二次雷击），再折算出流过避雷针的雷电流。流过避雷针的雷电流在避雷针附近的平行金属导线或导体上产生的感应电压可用下式表示： 式中：a 为平行金属导线相对避雷针的距离，以米为单位；di/dt 为雷电流的平均上升率，di 以kA为单位，dt 以s为单位；Vj 为与避雷针平行金属导线因避雷针
26、受雷击被感应产生的电压，以kV/m为单位。目前对感应电流进行测量最简便的方法，是采用磁场强度记录的方法，通过对被磁化铁磁材料磁化强度的测量，就可以折算出最大电流值。2.11 2.11 中国雷电流幅值的概率分布中国雷电流幅值的概率分布39 最大雷电流的大小，几乎与落地电阻的大小没有关系。因为，雷云放电时，数亿伏的电位差主要是降在空气放电的整个路程上，而空气被击穿之后，动态电阻很小，相当于一个稳压管。落地电阻的大小，主要影响雷电落地时，地面电位的高低。2.12 2.12 雷云放电时，电位随时间变化的曲线雷云放电时，电位随时间变化的曲线 带电雷云相当于一个充满电的电容，打雷时，相当于电容通过地电阻对
27、另一电容（地球）放电。雷云放电时电位随时间变化曲线与地表面的电位分布曲线很相似。雷云的电位可由下式表示：40 式中，uc为雷云的电位，Um为雷云放电前的电位，Tb为雷云放电达一半时对应的时间，R为雷云与地球的放电电阻，主要为落地电阻，因为空气被击穿后的动态电阻很小，C为雷云与地球之间的电容。 由于雷云与地球在宇宙中都不是一个孤立的带电体，而是处于一个很强的电场空间之中，因此，单独计算雷云与地球的电容都没有实用价值，雷云与地球之间的电容可根据实际试验数据求得。或bTtmeUu43. 1cRCtmeUuc2.13 2.13 雷云电容的计算雷云电容的计算 根据雷电流的测试数据，雷电流脉冲的宽度（30
28、%Im）大约为50100uS，进一步参考“雷击浪涌抗扰度试验国家标准”GB/T17626.5（国际标准 IEC61000-4-5）：浪涌电压Up为6kV，0.5Up脉冲宽度为50uS，我们可以认为，大部分雷云放电脉冲的宽度也是50uS，那么，只需知道雷云放电时的等效电阻，根据前面给出的雷云电位随时间变化的关系式，就很容易估算出雷云与地球之间的电容。 如果把Tb=50uS，并假设落地电阻R=4欧姆（落地电阻大约为410欧姆），代入雷云放电时的电位-时间函数式，则可以求得： 雷云与地球之间的电容: C = 17.875 uF （微法） 由于地球的电容要比雷云的电容大很多，两个电容串联后，总容量基本
29、上还是偏向于小者，由此我们可以认为，雷云电容的平均容量约等于18微法（对4欧姆电阻放电）。这样，每次打雷的时候，我们都可以看成是一个18微法的电容对地球放电。 上面计算结果，实际上还不能完全算是雷云的总电容量，而只能算是雷云电容对接地电阻放电时，电容的变化量（增量），因为雷云在放电过程中，由于空气放电的路经很长，空气击被穿后，虽然动态内阻很小，但残存电压非常大（相当于一个稳压二级管），当电压降低到某个值时，放电就会停止，因此，雷云在放电过程中并没有彻底放电，其释放的电量只是其总电荷的一部分，即雷云的总容量要远远大于18微法，但其在对地球的放电过程中，我们还是可以把它等效成一个容量为18微法的电
30、容在对4欧姆电阻进行放电。另外，当我们分析二次雷击的情况时，我们还可以把雷击看成是一根长度为15公里长的传输线，被充上40006000Vp（或以上）的电压后，再向电子产品的输入电路放电。412.14 2.14 避雷针容易引起二次雷击浅释避雷针容易引起二次雷击浅释42432.15 2.15 外部防雷系统遭雷击后容易引起二次雷击外部防雷系统遭雷击后容易引起二次雷击2.16 2.16 乱拉电线容易引起雷乱拉电线容易引起雷击击44 防雷标准要求，各种入户线路不能外露，线路入户，最少要有一段大于20m长的线路从地下走。图中显然是违背了这个常理，所以很容易招致雷击。2.172.17 因乱拉电线引雷击坏的电
31、视机因乱拉电线引雷击坏的电视机452.18 2.18 雷击脉冲在输电线上的电位分布雷击脉冲在输电线上的电位分布 当雷击落到输电线路上时，相当于以行波的方式给传输电线输入了一个宽度为 的脉冲；当雷击脉冲刚刚结束时，相当于一个行波脉冲被 存 储 于 一 根 长 度 为 d 的 传 输 线 之 中（ ）。 当脉冲过去之后（ ），由于输电线再没有输入信号可存储，输电线开始释放能量，一部份能量以电流if继续向前传输，另一部份能量以电流ib向后传传输，在电位的峰值处，电流等于0，因为在输电线中，电流的大小与电位梯度dV/dt成正比。此后，脉冲宽度将变宽，但幅度将变低。 图中，L为输电线路的分布电感，C为分
32、布电容；d为传输线的长度，v 为电脉冲传输速度， ，c为光速， 为导磁率， 为介电系数。假设，v等于0.75C，雷电脉冲的宽度为50uS，则d的长度大约为1115公里。 顺便指出，雷电波在地面传播原理与在输电线中传播的原理基本相同，但其速度v只有输电线速度的几十分之一，即雷电波d的长度大约只有3001000m。46 vdcLCcv vd2.19 2.19 雷击脉冲在输电线上的传输雷击脉冲在输电线上的传输 当雷击脉冲落到输电线路上时，开始它会以行波的方式在输电线上向正反两个方向传播；当雷击脉冲刚刚结束时，相当于两个行波脉冲分别被存储于两根长度为d的输电线之中。 当脉冲过去之后，两段输电线都开始释
33、放能量，一部份能量以电流if继续向前传输，另一部份能量以电流ib向后传传输，在电位的高峰处，电流等于0；在原来落雷的地方（Ui处）电流也等于0，因为两个返射回来的电流互相抵消。此后，两个脉冲的幅度将随时间按指数规律迅速降低，脉冲衰减的速度要比雷电脉冲只向一个方向（单方向）传输快很多。472.20 2.20 输电线路的防雷输电线路的防雷48 一般在容易受雷击设备的上方都安装有避雷针或避雷地线，设备的外壳通过防护地线与大地连接，使外壳与避雷针基本同电位，防止发电机或变压器的线圈绕组被雷电（对地）击穿，这是最基本的雷电防护方法。但由于大地存在电阻，两条地线之间存在电位差，使每条地线之间的跨步电压都不
34、一样，跨步电压会通过地线或电网的中线迭加到电子设备的电源输入端。 另外，如果电力变压器初级线圈线路被雷击中，通过电磁感应，在电力变压器的次级输电线路中也会产生非常高的共模和差模浪涌电压。2.21 2.21 输电线路最后两公里的防雷输电线路最后两公里的防雷 根据前面分析，当雷击脉冲落到输电线路上时，雷击脉冲的大部分能量都存储在长度为d的输电线路中（ ），如果在雷击脉冲还没有完全被存储下来之前，就开始对雷电脉冲进行吸收，那么，雷击脉冲的大部分能量就不能在输电线中得以保存。对雷击脉冲最好的吸收时间就是雷击电流脉冲由幅值的0.1上升到幅值Vp所对应的时间，此时间一般为58uS，对应输电线的长度大约为1
35、5002500米。因此，在输电线路中最好在所需保护的线路段，每隔15002500米左右就安装一个避雷器。对于数百公里，甚至数千公里的输电线，则只需要考虑前后15公里之内的输电线路防雷即可，因为，在d距离之外，雷电的脉冲幅度将随着输电线路距离的增加，按指数式的规律迅速衰减。下图是一个户外输电线路的雷电防护电路。 vd 图中，避雷地线的长度最好不要超过2km，否则避雷地线的落雷概率将增大，并会在地面产生很高的反击电压。虚线避雷器表示可要，可不要。492.22 2.22 低压输电设备被雷击时产生反击高压低压输电设备被雷击时产生反击高压 我国低压输电变压器一般采用TN-C接线标准（如上图），当输电线路
36、被雷击中时，设备接地的地面将产生非常高的反击电压，这个电压会以行波的方式通过输电中线向用户端传播，与此同时，通过接地电阻也会向地面的各个方向传播，因此，在用户端就会产生两个浪涌电压，一个是共模浪涌电压，另一个是差模浪涌电压，这两个浪涌电压的大小与用户跟输电设备的距离有关。502. 23 2. 23 雷击时中线与地面浪涌电压的比较雷击时中线与地面浪涌电压的比较 当雷击到输电线路上时，会在中线和地面产生很高的反击电压，这个反击电压会以行波（雷波）的形式，同时在中线和地面传播，但两者的传输速度是不一样的，行波传输的速度：式中：c为光速， 为导磁率， 为介电系数。 一般地面物质的导磁率为1050，介电
37、常数为2080，因此，地波的传播速度只有光波的几十分之一。 当反击脉冲电压在地面传播的时间达到2.3倍雷电脉冲宽度时，其幅度衰减达到90%以上，此时，可认为雷电的能量已经基本衰减到0。51 由于雷电波在中线中传输的速度要比在地表面传输的速度快几十倍（2030倍），因此，在雷电脉冲宽度相同的情况下（ 50uS） ，雷电波在中线中传输的距离比较远（1115公里），而雷波在地面传输的距离相对比较近（约300600米），因此中线是产生浪涌电压的祸首。 雷击时，受中线浪涌电压影响最严重的，既不是离雷击最近之处，也不是离雷击15公里以外的地方，而是离中线浪涌电压下降大约一半的地方。cv 被二次雷击损坏的电
38、子设备52533. 3. 电子设备的雷电防护电子设备的雷电防护 按照接地的用途和性质，接地可以分为工作接地和保护接地两大类。工作接地，一般是指利用大地作为导线的接地，这种接地在大地中有电流流过。保护接地，主要有防止人体触电的保护接地、防雷接地、防静电接地、EMC接地等，这种接地一般很少有地电流流过。根据每种接地的功能或要求的不同，接地方法也不同，如果接地接错了地方，不但达不到良好的效果和要求，有时反而得到相反的结果。 下图是现今我国低压供电设备通常采用的TN-C线路图，即三相四线供电原理图，这种配电线路，一般只考虑配电设备自身的安全，而对用户端的用电安全，基本不考虑。54图(a)，设备的外壳通
39、过地线与大地连接，属于安全保护接地，图(b)，外壳没有进行防护接地。但两种情况对人的生命财产保护都是不安全的。图(a)的中线会与地线击穿打火，图(b)人体触摸外壳会触电。图3-13.1 3.1 现有供电设备容易引起二次雷击的原因现有供电设备容易引起二次雷击的原因3.2 3.2 现有各种接地方法的不足现有各种接地方法的不足55图3-2 下图是国际上常用的低压供电设备采用的多种保护接地标准原理图，图中N为中线，PE为保护接地线。PEN既可做为中线使用，也可作为保护接地线使用。 这些标准没有把防雷和EMC接地的功能考虑进去，如果仅从EMC方面考虑，EMC接地应该是就近接地，因此，下图中的中线是不宜作
40、为EMC的地来使用的，把中线当地使用，会在中线中产生严重的共模干扰。防雷接地最好的方法是令中线两端都接地，或多点重复接地，但在国内普遍上都没有这么做，并且很多用户都没有把中线进行接地，即，不使用中线接地的PE功能。 我国的低压供电设备普遍采用TN-C系统，但大多数情况下，中线两端接地的PE功能基本没有使用，因此失去了基本的防雷功能。3.2 3.2 现有各种接地方法的不足现有各种接地方法的不足 先把中线接到等电位体上，然后家用电器的地线再与等电位体连接，这样可以达到非常好的防雷效果。 当配电设备被雷击中后，中线的电位会升得很高，地面的电位也升得很高，但通过中线和大地同与等电位体连接，使中线与大地
41、等电位，家电的接地端与等电位体等电位，从而达到非常好的防雷效果。 等电位的意思是：Ub与Uc，Ud与Ue等电位。3.3 3.3 等电位体防雷技术等电位体防雷技术 所谓等电位体，就是多处与大地连接的导体，各地线与等电位体连接的跨步距离要求小于20m。钢筋水泥、自来水管都是非常好的等电位体；等电位体对于EMC接地也具有非常良好的抑制共模干扰信号效果。56图3-3钢筋水泥柱地面钢筋焊点环形接地装置几个主要接地点3.3.1 3.3.1 等电位体应用举例等电位体应用举例57图3-4环形接地装置接地点越多越好环形接地装置接地点越多越好3.3.2 3.3.2 等电位体防雷技术应用等电位体防雷技术应用58电脑
42、机房雷电防护地线的连接图3-53.4 3.4 对现有配电线路防雷技术的改进对现有配电线路防雷技术的改进59图3-6 采用变压器隔离，可以大大减小雷击产生的反击高压。如图，如果由配电变压器直接输出电压，800kV的反击高压通过中线可传送15公里，采用隔离变压器后，800kV的反击高压得先通过大地传送给隔离变压器的中线，而大地传送反击高压的有效距离大约只有500米，超过500米之后的能量已经很小，可以不用考虑。另外，单相变压器很容易进行静电屏蔽，这样可以减小雷电脉冲通过初次级线圈之间的分布电容感应产生的静电高压脉冲，这对EMC滤波更有利。单相变压器最好采取两组电压输出，中心抽头接地，这样可减小初、
43、次级线圈之间的静电感应，单边输出为110V，双边为220V，并且中线既可当0线(N)使用，也可以当保护线（PE)使用，对用户使用更便利。3.5 3.5 对变压器进行静电屏蔽的必要性对变压器进行静电屏蔽的必要性上图是有静电屏蔽和无静电屏蔽的隔离变压器浪涌输出波形的比较。经静电屏蔽之后，图(b)比图(a) 少了i3、i5两个共模电流输出，而多了一个电流i9入地，这样经过静电屏蔽以后，原来对用电设备构成威胁最大的i3、i4、i5、i7，只剩下i4、i7两个； i4、i7可以应用等电位体技术把它们消除，而i4、i5只能通过后面介绍的Y电容滤波电路来消除。 顺便指出，放电管G4、G5对i3、i4、i5、
44、i7几乎是起不到抑制作用的，因为，C1、C2、C3分布电容的容量很小，流过它们的是与电压上升率非常高的充放电电流。60图3-73.6 3.6 电子产品雷击防护电路试验与设计电子产品雷击防护电路试验与设计61 雷电防护是一项非常复杂的系统工程，它涉及到供电系统中的所有环节，针对不同的用户，每个环节对防雷的要求也不一样。例如，我国的电子设备雷击浪涌抗扰度试验国家标准（GB/T17626.5），主要是针对间接雷击（二次雷击）在电源线上感应产生的浪涌电压脉冲（标准为4000Vp/50uS，最高可选6000Vp/50uS ），对于直接雷击，数百万伏的高压脉冲落到被雷击物上，对于普通用户的设备，是防不胜防
45、的。 目前我国的国民防雷意识还非常落后，防雷技术相对也很落后，比如，我国目前普遍使用的三相四线制配电系统（TN-C）进行供电，这种供电系统对二次雷击防护效能相对其它国家的三相五线制（TN-S）是最差的，很多雷击事故或火灾都是因为这种配电系统工作不安全引起的。特别是在城市郊区或农村，每年都有成千上万的电子产品被雷击损坏，主要原因是城市郊区和农村大多数电网还是采用明线供电，这种供电线路很容易遭雷击。 在三相四线制配电系统，当雷电击中电网设备（供电线路）时，通过感应会在供电线路中同时产生共模浪涌电压和差模浪涌电压，另外，在直接遭受雷击的地方，通过地电阻的作用，会在电网的中线中产生很高的反击电压，相当
46、于在用户电子设备的电压输入端与用户地之间迭加了一个很高的浪涌电压。 电子产品雷击防护电路的设计，主要任务就是在电子设备的输入端加接一个浪涌抑制电路，对电源线上因二次雷击感应产生的浪涌电压脉冲进行有效抑制，防止电子设备过压、过流损坏，或出现其它故障，影响正常工作。3.6.1 3.6.1 电子设备雷击浪涌抗扰度试验标准电子设备雷击浪涌抗扰度试验标准 电子设备雷击浪涌抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.5（等同于国际标准 IEC61000-4-5 ）。标准主要是模拟间接雷击产生的各种情况： （1）雷电击中外部线路，有大量电流流入外部线路或接地电阻，因而产生的干扰电压。 （2）间接雷击（如云层间
47、或云层内的雷击）在外部线路上感应出电压和电流。 （3）雷电击中线路邻近物体，在其周围建立的强大电磁场，在外部线路上感应出电压。 （4）雷电击中邻近地面，地电流通过公共接地系统时所引进的干扰。 标准除了模拟雷击外，还模拟变电所等场合，因开关动作而引进的干扰（开关切换时引起电压瞬变），如： （1）主电源系统切换时产生的干扰（如电容器组的切换）。 （2）同一电网，在靠近设备附近的一些较小开关跳动时的干扰。 （3）切换伴有谐振线路的晶闸管设备。 （4）各种系统性的故障，如设备接地网络或接地系统间的短路和飞弧故障。 标准描述了两种不同的波形发生器：一种是雷击在电源线上感应生产的波形；另一种是在通信线路上
48、感应产生的波形。这两种线路都属于空架线，但线路的阻抗各不相同：在电源线上感应产生的浪涌波形比较窄一些（50uS） ，前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信线上感应产生的浪涌波形比较宽一些，但前沿要缓一些。后面我们主要以雷击在电源线上感应生产的波形来对电路进行分析，同时也对通信线路的防雷技术进行简单介绍。623.6.23.6.2 雷击浪涌脉冲生成电路的工作原理雷击浪涌脉冲生成电路的工作原理 上图是模拟雷电击到配电设备时，在输电线路中感应产生的浪涌电压，或雷电落地后雷电流通过公共地电阻产生的反击高压，的脉冲产生电路。4kV时的单脉冲能量为100焦耳。 图中Cs是储能电容（大约为10uF，相当于雷云电
49、容），Us为高压电源，Rc为充电电阻，Rs为脉冲持续时间形成电阻（放电曲线形成电阻），Rm为阻抗匹配电阻Ls为电流上升形成电感。雷击浪涌抗扰度试验对不同产品有不同的参数要求，上图中的参数可根据产品标准要求不同，稍有改动。63图3-83.6.3 3.6.3 雷击浪涌电压脉冲的基本参数雷击浪涌电压脉冲的基本参数64 基本参数要求：（1）开路输出电压：0.56kV，分5等级输出，最后一级由用户与制造商协商确定；（2）短路输出电流：0.252kA，供不同等级试验用;（3）内阻：2 欧姆，附加电阻10、12、40、42欧姆，供其它不同等级试验用；（4）浪涌输出极性：正/负 ；浪涌输出与电源同步时，移相0
50、360度；（5）重复频率：至少每分钟一次。图3-93.6.4 3.6.4 雷击浪涌电流脉冲的基本参数雷击浪涌电流脉冲的基本参数 雷击浪涌抗扰度试验的严酷等级分为5级： 1级：较好保护的环境； 2级：有一定保护的环境； 3级：普通的电磁骚扰环境、对设备未规定特殊安装要求，如工业性的工作场所； 4级：受严重骚扰的环境，如民用空架线、未加保护的高压变电所。 X级：由用户与制造商协商确定。65图3-103.6.5 3.6.5 对电子设备进行差模雷击浪涌抗扰度试验对电子设备进行差模雷击浪涌抗扰度试验66 图中18uF电容，可根据严酷等级不同，选择数值也可不同，但大到一定值之后，基本上就没有太大意义。图3
