雷電及浪涌防護(hù)

1、2012.5.25RD-Power2 近年來(lái)，由于人類對(duì)自然環(huán)境破壞嚴(yán)重，以及各類電子設(shè)備使用日益增多，雷電對(duì)人類造成的經(jīng)濟(jì)損失也日趨嚴(yán)重。我國(guó)每年因雷擊造成的人員傷亡人數(shù)已超過(guò)千人，財(cái)產(chǎn)損失超過(guò)50億元。因此，人們對(duì)雷電防護(hù)工作也越來(lái)越重視。目前全國(guó)各省、市、縣、鎮(zhèn)都已成立了雷電防護(hù)辦公室，專門負(fù)責(zé)企、事業(yè)單位的雷電防護(hù)技術(shù)指導(dǎo)和檢查救災(zāi)工作。與此同時(shí)，國(guó)家的相關(guān)技術(shù)部門也制定了一系列針對(duì)各行各業(yè)的防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及防雷減災(zāi)管理辦法，要求各企事業(yè)單位嚴(yán)格執(zhí)行。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類對(duì)雷電防護(hù)的意識(shí)也在不斷加深，在雷電防護(hù)方面，人類已經(jīng)開始從上個(gè)世紀(jì)的建筑防雷時(shí)代，走進(jìn)產(chǎn)品防雷和信息防雷

2、的時(shí)代。上個(gè)世紀(jì)80年代，我國(guó)開始從國(guó)外大量引進(jìn)了建筑防雷技術(shù)，這些技術(shù)主要是關(guān)于建筑物和石油設(shè)施的防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)在大量引進(jìn)建筑防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也不惜代價(jià)從美國(guó)LLP和ARIS公司引進(jìn)了不少先進(jìn)的雷電監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備，最早引進(jìn)這些設(shè)備的地方有大慶油田、廣西供電局，武漢高壓研究所、蘭州氣象局、還有大興安嶺林區(qū)等。現(xiàn)在，這些雷電監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備大部分國(guó)內(nèi)都已經(jīng)可以自己制造，目前，我國(guó)的很多地方氣象站都已經(jīng)安裝了雷電監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備，雷電給國(guó)民帶來(lái)的損失也相對(duì)減少。3 下圖是中國(guó)氣象局的國(guó)家閃電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這套設(shè)備安裝有GPS定位系統(tǒng)，以及聲、光、電測(cè)試設(shè)備，通過(guò)定點(diǎn)采樣，可以把全國(guó)的雷電動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如雷電

3、閃擊次數(shù)、雷電強(qiáng)度等，收集后進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理。GPS是實(shí)現(xiàn)信息防雷的基礎(chǔ)，有了它就可以把全國(guó)的雷電分布做成電子地圖。4 雷電是一種自然現(xiàn)象，雷電防護(hù)是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。按行業(yè)分，防雷分建筑物防雷、輸電設(shè)備防雷、通信設(shè)備防雷、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備防雷、家用電器防雷，以及信息防雷等等；對(duì)不同行業(yè)、不同設(shè)備，到底需要采取什么樣的防雷措施或等級(jí)來(lái)對(duì)雷電進(jìn)行防護(hù)，目前，標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，要求也不一樣。 目前我國(guó)常用的防雷標(biāo)準(zhǔn)： 1.中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范（GB/T21431-2008）； 2.中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)安全防范系統(tǒng)雷電防護(hù)要求及檢測(cè)技術(shù)規(guī)范（ICS.07.060）；

4、3.中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范（JGJ162008）； 4.鐵道部文件鐵路信號(hào)設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見。 國(guó)際防雷標(biāo)準(zhǔn)： IEC62305-1.雷電防護(hù)第1部分總則； IEC62305-2.雷電防護(hù)第2部分風(fēng)險(xiǎn)管理； IEC62305-3.雷電防護(hù)第3部分建筑物的物理?yè)p壞和生命危險(xiǎn)； IEC62305-4.雷電防護(hù)第4部分建筑物內(nèi)電氣與電子系統(tǒng)； IEC62305-5.雷電防護(hù)第5部分公共設(shè)施。 56 我國(guó)的雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是：GB/T17626.5（等同于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-5），歐洲的雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是：ITU-T K.20、ITU-T

5、K.21、ITU-T K.45，美國(guó)雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)是：ANSI/IEEEE C62.41、GR1089、FCC PART68、UL1449，相對(duì)來(lái)說(shuō)，國(guó)外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要比中國(guó)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格很多，這也表示中國(guó)的總體科學(xué)技術(shù)水平相對(duì)還比較落后。 目前我們國(guó)內(nèi)使用的大多數(shù)電子產(chǎn)品還不具備抵抗4000Vp以上的二次雷電浪涌電壓的沖擊（國(guó)外大多數(shù)要求30kV），我國(guó)的很多地區(qū)，特別是農(nóng)村或城市的郊區(qū)，配電設(shè)施的建設(shè)還很不規(guī)范，我國(guó)的三相四線制（TN-C）的弊端（地線與中線經(jīng)常接錯(cuò)）也開始顯露出來(lái)，每年被雷擊損壞的各類電子設(shè)備不計(jì)其數(shù)，經(jīng)濟(jì)損失慘重，這要求我們的防雷意識(shí)還需進(jìn)一步提高。 防雷標(biāo)準(zhǔn)

6、和EMC標(biāo)準(zhǔn)具有一定的代表性和普遍性，但完全符合現(xiàn)有的防雷標(biāo)準(zhǔn)和EMC標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，并不一定能符合產(chǎn)品在特殊環(huán)境中的使用要求，例如，目前我國(guó)的產(chǎn)品防雷標(biāo)準(zhǔn)（GB/T17626.5），指明電子產(chǎn)品可分為五個(gè)等級(jí)進(jìn)行雷電保護(hù)，但面對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的三相四線制供電系統(tǒng)而言，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是很低的，并且目前國(guó)內(nèi)的大部分電子產(chǎn)品還不能滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)代電子設(shè)備功能越來(lái)越強(qiáng)，電路越來(lái)越復(fù)雜，元器件的密度越來(lái)高，但承受電磁干擾或感應(yīng)電壓的能力越來(lái)越低。如不對(duì)這些電子產(chǎn)品進(jìn)行靜電感應(yīng)保護(hù)，或雷電感應(yīng)保護(hù)，則通過(guò)ESD放電和二次雷擊產(chǎn)生的浪涌電壓脈沖，很容易就把這些電子設(shè)備損壞。 目前我國(guó)的低壓配電設(shè)備普遍使用三相四線制（

7、TN-C），這種供電系統(tǒng)現(xiàn)在存在很大的不足。當(dāng)雷電擊中電網(wǎng)配電設(shè)備的高壓輸電線路時(shí)，會(huì)在低壓輸電線路的中線中產(chǎn)生很高的浪涌電壓，很容易對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生二次雷擊，如果不加以防雷保護(hù)，二次雷擊將會(huì)導(dǎo)致大量用電設(shè)備以及電子儀器損壞。 實(shí)踐證明，很多雷擊事故或火災(zāi)都是因?yàn)檫@種配電系統(tǒng)工作不安全引起的。特別是在城市郊區(qū)或農(nóng)村，每年都有成千上萬(wàn)的電子產(chǎn)品被雷擊損壞，主要原因是城市郊區(qū)和農(nóng)村大多數(shù)低壓電網(wǎng)還是采用明線輸電，這種輸電線路很容易遭受雷擊；或者，由于沒(méi)有采取有效的防雷措施，雷擊在中線中產(chǎn)生的反擊浪涌電壓，傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)，使很多用電設(shè)備遭受二次雷擊。7 全球大約有4萬(wàn)多個(gè)雷暴中心，每天大約有8百萬(wàn)次

8、雷擊，每次雷擊產(chǎn)生的能量可供一個(gè)100瓦的燈泡點(diǎn)亮3個(gè)月。 在雨季，平均每6分鐘就有一個(gè)人被雷電擊中；每年有成千上萬(wàn)的人因雷電擊中而喪傷。 1992年6月22日，北京國(guó)家氣象中心多臺(tái)計(jì)算機(jī)接口因感應(yīng)雷擊被毀，損失二仟多萬(wàn)元。 2004年6-8月份，我國(guó)共發(fā)生雷電災(zāi)害約6505起；造成人員傷亡997人(其中受傷544人，死亡453人) ，其中因雷擊造成爆炸起火的有52起，造成建筑物受損350起，造成家用電器和辦公電子電器設(shè)備受損2838起，造成供電故障362起，經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)10億元。 2011年7月23日晚，杭深線D301次列車與D3115次列車因雷電原因發(fā)生追尾事故，造成經(jīng)濟(jì)直接損失4億多元。

9、 2011年1-8月，深圳市因雷電造成經(jīng)濟(jì)直接損失6000多萬(wàn)元。 因雷電原因，每年全世界有數(shù)千萬(wàn)個(gè)電器設(shè)備被損壞，并造成數(shù)千億元的經(jīng)濟(jì)損失。雷電危害簡(jiǎn)介8 我國(guó)地處溫帶和亞熱帶地區(qū)，雷暴活動(dòng)十分頻繁，全國(guó)21個(gè)省會(huì)城市年最多雷暴日均在50天以上，最多達(dá)到134天，雷電災(zāi)害是我國(guó)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，2011年16月，全國(guó)共發(fā)生雷電災(zāi)害7000多起，造成直接經(jīng)濟(jì)損失1.3億元，全國(guó)因雷擊造成人員傷亡的事故240多起，致死363人、致傷216人。由雷電災(zāi)害引起的火災(zāi)爆炸事故400多起，建筑物受損300多起，電力行業(yè)遭雷擊1700多起，通訊行業(yè)遭雷擊700多起，石化遭雷擊200多起

10、，各類貴重電器設(shè)備受損數(shù)達(dá)14000多件。92011年7月23日D3315次和D301次列車在溫州因雷擊發(fā)生車禍1011被雷電擊壞的被雷電擊壞的CRTCRT電視機(jī)電視機(jī)被雷電擊毀的平板電視機(jī)被雷電擊毀的平板電視機(jī)1213被雷電擊壞的電腦設(shè)備被雷電擊壞的電腦設(shè)備141. 1. 雷電的產(chǎn)生雷電的產(chǎn)生l 地球與電離層之間存在很強(qiáng)的電場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度大約為：E = 100V/米米l 地球與電離層之間相當(dāng)于一個(gè)大電容器，電容量大約為1.1法拉。l 地球本身也相當(dāng)于一個(gè)大電容，它到無(wú)限遠(yuǎn)處的電容量大約為： 70810-4 法拉。15l 在地球的周圍充滿著電場(chǎng)和磁場(chǎng)，這是造成很多大自然災(zāi)害的一個(gè)根源。l 地球表

11、面的所有物體，都相當(dāng)于電容器中的電介質(zhì)。1.1 1.1 地球表面的電場(chǎng)地球表面的電場(chǎng)l 地球表面帶負(fù)電，它帶的電荷大約為4.5105庫(kù)侖，電位大約為負(fù)4.1105伏。1.2 1.2 電電 場(chǎng)場(chǎng) 感感 應(yīng)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度dVdUUE12感應(yīng)電壓dEV U1、U2 分別為感應(yīng)帶電體的端電位，d為感應(yīng)帶電體的長(zhǎng)度，所以，電場(chǎng)強(qiáng)度也成為電位梯度。- -+ +16當(dāng)某物體靠近另一帶電物體時(shí)，就會(huì)被感應(yīng)帶電；一端帶正電，而另一端則帶負(fù)電，所以感應(yīng)帶電也叫極化帶電 。U1U11.3 1.3 電場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生位移電流位移電流當(dāng)帶電體的極性或電場(chǎng)方向改變時(shí)，被感應(yīng)的導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生位移電流。當(dāng)導(dǎo)體中有位移電流流

12、動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體的周圍，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射。 位移電流位移電流I等于電場(chǎng)強(qiáng)度等于電場(chǎng)強(qiáng)度E乘以遷移率乘以遷移率m，即：，即： I = Em由于感應(yīng)導(dǎo)體中的電場(chǎng)強(qiáng)度每處都不一樣，所以由于感應(yīng)導(dǎo)體中的電場(chǎng)強(qiáng)度每處都不一樣，所以導(dǎo)體中導(dǎo)體中位移電流大小每處都不一樣。位移電流大小每處都不一樣。17-+ +E-U1+U1-E-U1 把極化帶電物體的一端接地，在物體中就會(huì)產(chǎn)生位移電流，位移電流的大小與物體的電容大小與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，相當(dāng)于對(duì)電容進(jìn)行充放電。 把極化帶電物體的一端接地，然后再把接地導(dǎo)線斷開，物體就會(huì)帶電。再把帶電物體放進(jìn)驗(yàn)電器的法拉第罩中，驗(yàn)電器就會(huì)指示物體帶負(fù)電。18-+ +

13、E-U1+U112總體而言，世界上的所有物質(zhì)都是屬于電中性的，即其所帶的正、負(fù)電荷代數(shù)和等于0 。但物體處于電場(chǎng)中時(shí)，電荷將要重新進(jìn)行分布，一端帶正電，另一端帶負(fù)電，中間不帶電，這叫極化帶電。極化帶電物體中的電位梯度等于電場(chǎng)強(qiáng)度。形象地說(shuō)，這里極化帶電的物體就好比空中的一朵云。19-+ +E-U1+U1-+ +E-U2+U220在外力或強(qiáng)電場(chǎng)力的作用下。極化帶電物體會(huì)產(chǎn)生分離，帶電物體被一分為二，一個(gè)帶正電，另一個(gè)帶負(fù)電。形象地說(shuō)，被分離帶電的兩個(gè)物體就好比空中被風(fēng)吹散的兩朵云。被分離的帶電物體在電場(chǎng)中同樣也要被極化，使一端的電位要比另一端高，其電位梯度不變。-+ +E-U2+U2-+ +E-

14、U1+U1-U1+U121電場(chǎng)中的兩個(gè)物體碰在一起的時(shí)候。其電荷也要重新分布。形象地說(shuō)，碰在一起的兩個(gè)物體,就好比空中被風(fēng)吹到一起的兩朵云。兩個(gè)碰在一起的物體，電荷被重新分布之后，兩端的電位，在數(shù)值上都比原來(lái)高，但其電位梯度還是不變。+ +-22電場(chǎng)中 兩 個(gè) 帶 負(fù) 電（或正電）的物體互相碰在一起的時(shí)候。其電荷也要進(jìn)行重新分布。兩個(gè)帶電物體互相碰在一起，相當(dāng)于兩個(gè)電容進(jìn)行串聯(lián)充放電。形象地說(shuō)，碰在一起的兩個(gè)帶電的物體, 就好比空中兩朵帶電的云被風(fēng)吹到一起。兩個(gè)帶正電（或負(fù)電）的物體碰在一起，電荷被進(jìn)行重新分布之后，帶電端的電位，在數(shù)值上都比原來(lái)高，但其電位梯度還是不變。-E-U3E-U1-U

15、2-+E+U3+U2+U1電容與電容器完全是兩個(gè)概念，電容只有一個(gè)帶電體，而電容器中有兩個(gè)帶電體。23+-+- 兩個(gè)帶異性電荷的物體互相碰在一起，就會(huì)產(chǎn)生放電。 帶電物體靠近地面建筑物的時(shí)候，也會(huì)產(chǎn)生放電，這種現(xiàn)象就是雷電，它會(huì)對(duì)人類造成很大危害。2. 2. 雷電的基本參數(shù)與輸電設(shè)備的防雷雷電的基本參數(shù)與輸電設(shè)備的防雷24 地球帶負(fù)電，表示地球一直在接收宇宙外來(lái)空間輻射到地球的帶負(fù)電微粒子，這些帶負(fù)電的微粒子首先被雷云俘獲，并被雷云中的正離子中和，因此，90%以上的雷電都是屬于負(fù)極性的。 所謂雷電的極性，是指雷云下行到大地的電荷極性。 外來(lái)空間輻射到地球的帶電微粒子產(chǎn)生的電流大約為1.5kA。

16、這相當(dāng)于地球通過(guò)電暈或雷電的方式，平均每秒鐘從外來(lái)空間接收615兆焦耳的電能。2526特別提示：特別提示：在在1000100050005000米的高空是雷電活動(dòng)最活躍的區(qū)域，雷雨季節(jié)，請(qǐng)大家少坐小飛機(jī)。米的高空是雷電活動(dòng)最活躍的區(qū)域，雷雨季節(jié)，請(qǐng)大家少坐小飛機(jī)。2.2 2.2 雷云的放電過(guò)程雷云的放電過(guò)程 雷云不是一個(gè)實(shí)體，而是一個(gè)被極化帶電的松散體，一般雷云都有幾個(gè)帶不同電荷的中心，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電荷中心放電時(shí)，其它電荷中心的電位梯度也將要相應(yīng)改變，因此，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)雷電中心放電完畢后，第二個(gè)、第三個(gè)電荷中心也要緊跟著第一個(gè)電荷中心放電。打雷時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多條閃電亮線，每條閃電亮線就相當(dāng)于一個(gè)電荷中心

17、在放電。 下圖是我國(guó)在年平均雷電日大于20日的地區(qū)測(cè)得1205個(gè)雷電流數(shù)據(jù)。我國(guó)的廣西、廣東、云南等地區(qū)雷電日超過(guò)90日，廣東的雷州半島和海南的雷電日高達(dá)100133日。雷云放電過(guò)程中雷電流的變化情況272.3 2.3 避雷針的工作原理與落雷密度避雷針的工作原理與落雷密度 避雷針可以起到很好的先導(dǎo)引雷作用，先導(dǎo)引導(dǎo)作用的大小與避雷針的高度相關(guān)。雷擊概率（N）和避雷針高度（H）之間的數(shù)量關(guān)系為： N0.015TK1K2H2104（次/年）式中： T當(dāng)?shù)啬昀妆┤諗?shù)（d/a）； K1落雷不均勻系數(shù)，建筑物一般?。篕11.52.0； K2建筑材料影響系數(shù)，金屬材料一般?。篕20.15 。 結(jié)果表明：雷

18、擊概率與避雷針高度的平方成正比，這是由于電場(chǎng)強(qiáng)度與距離的平方成反比的緣故。282. 4 2. 4 避雷針的防雷作用避雷針的防雷作用29 避雷針保護(hù)建筑物免受直接雷擊的范圍，是指通過(guò)避雷針的引雷作用，使避雷針周圍低于避雷針的建筑物，免受或降低直接雷擊的概率，這個(gè)免受雷擊的概率也可稱為繞擊率。 建筑物相對(duì)于避雷針的高度越低，受直接雷擊的幾率就越低。 但由于避雷針的引雷作用，反而增加了避雷針周邊建筑物被二次雷擊的概率，因此，不要把避雷針看成是電子產(chǎn)品的保護(hù)神，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電子產(chǎn)品都是安置于建筑物之中，直接受雷擊的幾率非常小，而安裝避雷針之后，反而增加了被二次雷擊的概率。 安裝避雷針雖然可以保護(hù)建筑物（

19、或其它設(shè)備）免遭直接雷擊，但當(dāng)避雷針遭雷擊時(shí)，幾百千安培的電流脈沖會(huì)在避雷針附近地面進(jìn)行擴(kuò)散，并在地面上產(chǎn)生很高的跨步電壓，此跨步電壓同樣也會(huì)對(duì)地面上的電子設(shè)備和人身安全造成很大的危害。 這種由雷電反擊電壓或電、磁場(chǎng)感應(yīng)對(duì)電子設(shè)備和人身安全造成的危害現(xiàn)象稱為二次雷擊；而雷電直接擊到某物體上時(shí)，稱為一次雷擊。 試驗(yàn)證明，在避雷針附近的雷擊事故明顯增多，所以“避雷針”這個(gè)名字并不名符其實(shí)，應(yīng)該把“避雷針”改成“引雷針”才是合理的。 避雷針的作用主要是減小電子設(shè)備被直接雷擊的概率，但卻會(huì)增加電子設(shè)備被二次雷擊的概率。因此，貴重電子設(shè)備一定要在電源輸入電路中安裝雷電防護(hù)電路，電子設(shè)備防雷主要是二次防雷

20、，以及三次防雷。 打雷時(shí)，雷云與大地之間的電位差高達(dá)數(shù)億伏，當(dāng)雷擊到避雷針或地面設(shè)備時(shí)，在避雷針附近的地面還會(huì)產(chǎn)生很高的“跨步電壓”，在避雷針周圍的30米范圍內(nèi)，平均跨步電壓高達(dá)3萬(wàn)伏/米。這個(gè)“跨步電壓”通過(guò)供電設(shè)備的中線以及地線會(huì)對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生很高的“反擊電壓”，如果電子設(shè)備不加以防雷保護(hù)，將導(dǎo)致大量電器、電子設(shè)備被雷擊損壞。 一般電子設(shè)備都是無(wú)法經(jīng)受得起一次雷擊的，因此，對(duì)一次雷擊的防護(hù)主要靠安裝避雷針或避雷線，但由避雷針或避雷線產(chǎn)生的二次雷擊，甚至三次雷擊，同樣也會(huì)對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用；因此，對(duì)電子設(shè)備的二次雷擊或三次雷擊進(jìn)行防護(hù)，就顯得特別重要。2. 5 2. 5 避雷針容易

21、引起二次雷擊避雷針容易引起二次雷擊30 高速公路上的路燈是很好的避雷工具，每隔20米安裝一盞路燈，其避雷作用比照明還重要。31 對(duì)比之下，因?yàn)槠胀ü飞蠜](méi)有路燈，行走在公路上的車輛，很多都成為了雷擊的靶子。32 高度為537米的莫斯科電視臺(tái)：平均每年遭雷擊33次； 在其建成后的4年半時(shí)間中，遭雷擊達(dá)143次之多，可見其高度號(hào)稱為歐洲之最的莫斯科電視臺(tái)，其遭雷擊的次數(shù)也可稱之為歐洲之最； 以莫斯科電視臺(tái)為中心，以1.5公里為半徑的區(qū)域內(nèi)的遭雷擊幾率為莫斯科其它地區(qū)（2.54.0）倍。 高度為380米的紐約帝國(guó)大廈：平均每年遭雷擊23次； 高度為157.5米的美肯尼迪航天中心垂直裝配樓：每年平均遭

22、雷擊4.3次； 高度為84米的美肯尼迪航天中心臍帶塔：平均每年遭雷擊2.1次。l 以上數(shù)據(jù)表明，高度越高遭受雷擊的概率就越大，當(dāng)避雷針的高度高于周邊的其它建筑設(shè)備時(shí)，其它建筑遭受雷擊的概率可相應(yīng)減小，或直接遭受雷擊的損壞程度可以降低，從而起到保護(hù)其它建筑物的作用，但避雷針周邊的電子設(shè)備，被二次雷擊的幾率，卻會(huì)成倍增加，這是值得我們特別注意的地方。2. 6 2. 6 避雷針的引雷作用避雷針的引雷作用3334 在高壓輸電線下面很容易引來(lái)雷擊，是最不安全的地方。目前大多數(shù)高壓輸電線路都是不防雷的，它只在最后兩公里的地方才開始防雷，其余地方難免要遭受雷擊。2.72.7 雷擊在地面產(chǎn)生跨步電壓淺析雷擊在

23、地面產(chǎn)生跨步電壓淺析 雷云和地球都相當(dāng)于一個(gè)充了電的電容，打雷時(shí)相當(dāng)于兩個(gè)充了電的電容在進(jìn)行串聯(lián)放電。地球?qū)o(wú)限遠(yuǎn)處的電容為708微法，對(duì)電離層的電容大約為1.1法拉。上圖是雷云和地球兩個(gè)電容進(jìn)行放電時(shí)的原理圖。圖中，Cy為雷云的等效電容，Cd為地球的等效電容，Rd為雷云對(duì)避雷針的放電電阻（這里看成是接地電阻），Rp為地球表面的跨步電阻（單位距離的電阻），Rp兩端的電壓稱“跨步電壓”，Cp為地球表面的跨步電容，G表示電位等于零處，可表示為地球的中心。X表示地球表面的某個(gè)方向，-X表示另一方向。352.8 2.8 雷擊時(shí)地面電位的分布雷擊時(shí)地面電位的分布 打雷時(shí)，雷電落地中心區(qū)地電位會(huì)升高，地面

24、的電位按指數(shù)規(guī)律進(jìn)行分布，地面某處的電位為：36扇形系數(shù)P表示雷電落地的電阻是一個(gè)擴(kuò)散電阻，電阻率隨著落地距離在改變。打雷時(shí)，在避雷針附近（30米范圍內(nèi)），平均跨步電壓高達(dá)3萬(wàn)伏/米以上。 地球是一個(gè)帶電體，它所帶的電荷主要集中在地球的表面，而球心的電位等于0；當(dāng)我們把地球看成是“0”電位時(shí)，這個(gè)“0”電位與真正的0電位（地心的電位）實(shí)際上是兩回事。 假設(shè)雷云與避雷針（或避雷線）的距離為1公里，氣體放電距離一般為10001500V/mm，由此可推算出雷云對(duì)地的電壓為10萬(wàn)萬(wàn)伏以上。dPxxmeUu43. 1 供電設(shè)備或電器設(shè)備的外殼一般都要接地，這個(gè)接地電阻一般都比較容易測(cè)量，但雷電落地電阻就

25、很難測(cè)量。一方面雷電是個(gè)數(shù)億伏的高壓脈沖，它會(huì)對(duì)落地附近的絕緣物體進(jìn)行擊穿或極化充電，這個(gè)阻抗用低電壓試驗(yàn)是無(wú)法測(cè)量的；另一方面，地球和雷云都屬于電容，雷云對(duì)地球放電后，地球表面的電位也要相應(yīng)改變，兩個(gè)電容在充放電的過(guò)程中，與之相關(guān)的阻抗都在變化。 上圖為雷電從避雷針落地時(shí)對(duì)大地放電的等效電路，圖(a)為雷電流通過(guò)避雷針向地球擴(kuò)散；圖(b)是圖(a) 的等效電路，圖中，Rp為不隨電壓大小改變的純電阻，E代表土壤中兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體產(chǎn)生的電池效應(yīng)，Re為電池的內(nèi)阻，D代表土壤中兩種不同性質(zhì)的物體互相接觸時(shí)產(chǎn)生的二極管效應(yīng)，Cx為土壤中兩跨步導(dǎo)體之間的電容，Rc為電容內(nèi)阻，GP為土壤的跨步擊穿電壓

26、（大約為3000V/Cm）可等效成一個(gè)放電管，Rg為內(nèi)阻，L為避雷針地線的分布電感，RL為電感內(nèi)阻，GD為雷云擊穿空氣時(shí)等效成一個(gè)氣體放電管； Cd為地球的等效電容，Cy為雷云等效的電容；圖(c) 為圖(b) 的進(jìn)一步簡(jiǎn)化，Rv為圖(b) 中AB 兩端的等效電阻，即落地電阻，它的最小值可定義為沖擊電阻Rx， Rx的值等于其兩端（AB）最高電壓與最大電流之比，顯然Rv與一般定義的接地電阻Rd的概念并不完全相符，一般Rx小于Rd。試驗(yàn)結(jié)果表明，Rd的最小值約等于4歐姆。2.92.9 雷電的落地電阻雷電的落地電阻372.10 2.10 雷感應(yīng)電流、電壓的測(cè)試?yán)赘袘?yīng)電流、電壓的測(cè)試6J10d)21-a

27、10000.2(LnVdti38 雷擊產(chǎn)生瞬間電流非常大，一般達(dá)數(shù)百kA，直接對(duì)流過(guò)避雷針的雷電流進(jìn)行測(cè)量是很難的，但可以通過(guò)測(cè)量與避雷針并行導(dǎo)體的感應(yīng)電流或電壓（二次雷擊），再折算出流過(guò)避雷針的雷電流。流過(guò)避雷針的雷電流在避雷針附近的平行金屬導(dǎo)線或?qū)w上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓可用下式表示： 式中：a 為平行金屬導(dǎo)線相對(duì)避雷針的距離，以米為單位；di/dt 為雷電流的平均上升率，di 以kA為單位，dt 以s為單位；Vj 為與避雷針平行金屬導(dǎo)線因避雷針受雷擊被感應(yīng)產(chǎn)生的電壓，以kV/m為單位。目前對(duì)感應(yīng)電流進(jìn)行測(cè)量最簡(jiǎn)便的方法，是采用磁場(chǎng)強(qiáng)度記錄的方法，通過(guò)對(duì)被磁化鐵磁材料磁化強(qiáng)度的測(cè)量，就可以折算出

28、最大電流值。2.11 2.11 中國(guó)雷電流幅值的概率分布中國(guó)雷電流幅值的概率分布39 最大雷電流的大小，幾乎與落地電阻的大小沒(méi)有關(guān)系。因?yàn)?，雷云放電時(shí)，數(shù)億伏的電位差主要是降在空氣放電的整個(gè)路程上，而空氣被擊穿之后，動(dòng)態(tài)電阻很小，相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓管。落地電阻的大小，主要影響雷電落地時(shí)，地面電位的高低。2.12 2.12 雷云放電時(shí)，電位隨時(shí)間變化的曲線雷云放電時(shí)，電位隨時(shí)間變化的曲線 帶電雷云相當(dāng)于一個(gè)充滿電的電容，打雷時(shí)，相當(dāng)于電容通過(guò)地電阻對(duì)另一電容（地球）放電。雷云放電時(shí)電位隨時(shí)間變化曲線與地表面的電位分布曲線很相似。雷云的電位可由下式表示：40 式中，uc為雷云的電位，Um為雷云放電前的

29、電位，Tb為雷云放電達(dá)一半時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，R為雷云與地球的放電電阻，主要為落地電阻，因?yàn)榭諝獗粨舸┖蟮膭?dòng)態(tài)電阻很小，C為雷云與地球之間的電容。 由于雷云與地球在宇宙中都不是一個(gè)孤立的帶電體，而是處于一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)空間之中，因此，單獨(dú)計(jì)算雷云與地球的電容都沒(méi)有實(shí)用價(jià)值，雷云與地球之間的電容可根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得?；騜TtmeUu43. 1cRCtmeUuc2.13 2.13 雷云電容的計(jì)算雷云電容的計(jì)算 根據(jù)雷電流的測(cè)試數(shù)據(jù)，雷電流脈沖的寬度（30%Im）大約為50100uS，進(jìn)一步參考“雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)”GB/T17626.5（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC61000-4-5）：浪涌電壓Up為6kV

30、，0.5Up脈沖寬度為50uS，我們可以認(rèn)為，大部分雷云放電脈沖的寬度也是50uS，那么，只需知道雷云放電時(shí)的等效電阻，根據(jù)前面給出的雷云電位隨時(shí)間變化的關(guān)系式，就很容易估算出雷云與地球之間的電容。 如果把Tb=50uS，并假設(shè)落地電阻R=4歐姆（落地電阻大約為410歐姆），代入雷云放電時(shí)的電位-時(shí)間函數(shù)式，則可以求得： 雷云與地球之間的電容: C = 17.875 uF （微法） 由于地球的電容要比雷云的電容大很多，兩個(gè)電容串聯(lián)后，總?cè)萘炕旧线€是偏向于小者，由此我們可以認(rèn)為，雷云電容的平均容量約等于18微法（對(duì)4歐姆電阻放電）。這樣，每次打雷的時(shí)候，我們都可以看成是一個(gè)18微法的電容對(duì)地球

31、放電。 上面計(jì)算結(jié)果，實(shí)際上還不能完全算是雷云的總電容量，而只能算是雷云電容對(duì)接地電阻放電時(shí)，電容的變化量（增量），因?yàn)槔自圃诜烹娺^(guò)程中，由于空氣放電的路經(jīng)很長(zhǎng)，空氣擊被穿后，雖然動(dòng)態(tài)內(nèi)阻很小，但殘存電壓非常大（相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓二級(jí)管），當(dāng)電壓降低到某個(gè)值時(shí)，放電就會(huì)停止，因此，雷云在放電過(guò)程中并沒(méi)有徹底放電，其釋放的電量只是其總電荷的一部分，即雷云的總?cè)萘恳h(yuǎn)遠(yuǎn)大于18微法，但其在對(duì)地球的放電過(guò)程中，我們還是可以把它等效成一個(gè)容量為18微法的電容在對(duì)4歐姆電阻進(jìn)行放電。另外，當(dāng)我們分析二次雷擊的情況時(shí)，我們還可以把雷擊看成是一根長(zhǎng)度為15公里長(zhǎng)的傳輸線，被充上40006000Vp（或以上）的電

32、壓后，再向電子產(chǎn)品的輸入電路放電。412.14 2.14 避雷針容易引起二次雷擊淺釋避雷針容易引起二次雷擊淺釋42432.15 2.15 外部防雷系統(tǒng)遭雷擊后容易引起二次雷擊外部防雷系統(tǒng)遭雷擊后容易引起二次雷擊2.16 2.16 亂拉電線容易引起雷亂拉電線容易引起雷擊擊44 防雷標(biāo)準(zhǔn)要求，各種入戶線路不能外露，線路入戶，最少要有一段大于20m長(zhǎng)的線路從地下走。圖中顯然是違背了這個(gè)常理，所以很容易招致雷擊。2.172.17 因亂拉電線引雷擊壞的電視機(jī)因亂拉電線引雷擊壞的電視機(jī)452.18 2.18 雷擊脈沖在輸電線上的電位分布雷擊脈沖在輸電線上的電位分布 當(dāng)雷擊落到輸電線路上時(shí)，相當(dāng)于以行波的方

33、式給傳輸電線輸入了一個(gè)寬度為 的脈沖；當(dāng)雷擊脈沖剛剛結(jié)束時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)行波脈沖被 存 儲(chǔ) 于 一 根 長(zhǎng) 度 為 d 的 傳 輸 線 之 中（ ）。 當(dāng)脈沖過(guò)去之后（ ），由于輸電線再?zèng)]有輸入信號(hào)可存儲(chǔ)，輸電線開始釋放能量，一部份能量以電流if繼續(xù)向前傳輸，另一部份能量以電流ib向后傳傳輸，在電位的峰值處，電流等于0，因?yàn)樵谳旊娋€中，電流的大小與電位梯度dV/dt成正比。此后，脈沖寬度將變寬，但幅度將變低。 圖中，L為輸電線路的分布電感，C為分布電容；d為傳輸線的長(zhǎng)度，v 為電脈沖傳輸速度， ，c為光速， 為導(dǎo)磁率， 為介電系數(shù)。假設(shè)，v等于0.75C，雷電脈沖的寬度為50uS，則d的長(zhǎng)度大約

34、為1115公里。 順便指出，雷電波在地面?zhèn)鞑ピ砼c在輸電線中傳播的原理基本相同，但其速度v只有輸電線速度的幾十分之一，即雷電波d的長(zhǎng)度大約只有3001000m。46 vdcLCcv vd2.19 2.19 雷擊脈沖在輸電線上的傳輸雷擊脈沖在輸電線上的傳輸 當(dāng)雷擊脈沖落到輸電線路上時(shí)，開始它會(huì)以行波的方式在輸電線上向正反兩個(gè)方向傳播；當(dāng)雷擊脈沖剛剛結(jié)束時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)行波脈沖分別被存儲(chǔ)于兩根長(zhǎng)度為d的輸電線之中。 當(dāng)脈沖過(guò)去之后，兩段輸電線都開始釋放能量，一部份能量以電流if繼續(xù)向前傳輸，另一部份能量以電流ib向后傳傳輸，在電位的高峰處，電流等于0；在原來(lái)落雷的地方（Ui處）電流也等于0，因?yàn)閮蓚€(gè)

35、返射回來(lái)的電流互相抵消。此后，兩個(gè)脈沖的幅度將隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律迅速降低，脈沖衰減的速度要比雷電脈沖只向一個(gè)方向（單方向）傳輸快很多。472.20 2.20 輸電線路的防雷輸電線路的防雷48 一般在容易受雷擊設(shè)備的上方都安裝有避雷針或避雷地線，設(shè)備的外殼通過(guò)防護(hù)地線與大地連接，使外殼與避雷針基本同電位，防止發(fā)電機(jī)或變壓器的線圈繞組被雷電（對(duì)地）擊穿，這是最基本的雷電防護(hù)方法。但由于大地存在電阻，兩條地線之間存在電位差，使每條地線之間的跨步電壓都不一樣，跨步電壓會(huì)通過(guò)地線或電網(wǎng)的中線迭加到電子設(shè)備的電源輸入端。 另外，如果電力變壓器初級(jí)線圈線路被雷擊中，通過(guò)電磁感應(yīng)，在電力變壓器的次級(jí)輸電線路中也

36、會(huì)產(chǎn)生非常高的共模和差模浪涌電壓。2.21 2.21 輸電線路最后兩公里的防雷輸電線路最后兩公里的防雷 根據(jù)前面分析，當(dāng)雷擊脈沖落到輸電線路上時(shí)，雷擊脈沖的大部分能量都存儲(chǔ)在長(zhǎng)度為d的輸電線路中（ ），如果在雷擊脈沖還沒(méi)有完全被存儲(chǔ)下來(lái)之前，就開始對(duì)雷電脈沖進(jìn)行吸收，那么，雷擊脈沖的大部分能量就不能在輸電線中得以保存。對(duì)雷擊脈沖最好的吸收時(shí)間就是雷擊電流脈沖由幅值的0.1上升到幅值Vp所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，此時(shí)間一般為58uS，對(duì)應(yīng)輸電線的長(zhǎng)度大約為15002500米。因此，在輸電線路中最好在所需保護(hù)的線路段，每隔15002500米左右就安裝一個(gè)避雷器。對(duì)于數(shù)百公里，甚至數(shù)千公里的輸電線，則只需要考慮

37、前后15公里之內(nèi)的輸電線路防雷即可，因?yàn)?，在d距離之外，雷電的脈沖幅度將隨著輸電線路距離的增加，按指數(shù)式的規(guī)律迅速衰減。下圖是一個(gè)戶外輸電線路的雷電防護(hù)電路。 vd 圖中，避雷地線的長(zhǎng)度最好不要超過(guò)2km，否則避雷地線的落雷概率將增大，并會(huì)在地面產(chǎn)生很高的反擊電壓。虛線避雷器表示可要，可不要。492.22 2.22 低壓輸電設(shè)備被雷擊時(shí)產(chǎn)生反擊高壓低壓輸電設(shè)備被雷擊時(shí)產(chǎn)生反擊高壓 我國(guó)低壓輸電變壓器一般采用TN-C接線標(biāo)準(zhǔn)（如上圖），當(dāng)輸電線路被雷擊中時(shí)，設(shè)備接地的地面將產(chǎn)生非常高的反擊電壓，這個(gè)電壓會(huì)以行波的方式通過(guò)輸電中線向用戶端傳播，與此同時(shí)，通過(guò)接地電阻也會(huì)向地面的各個(gè)方向傳播，因此，

38、在用戶端就會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)浪涌電壓，一個(gè)是共模浪涌電壓，另一個(gè)是差模浪涌電壓，這兩個(gè)浪涌電壓的大小與用戶跟輸電設(shè)備的距離有關(guān)。502. 23 2. 23 雷擊時(shí)中線與地面浪涌電壓的比較雷擊時(shí)中線與地面浪涌電壓的比較 當(dāng)雷擊到輸電線路上時(shí)，會(huì)在中線和地面產(chǎn)生很高的反擊電壓，這個(gè)反擊電壓會(huì)以行波（雷波）的形式，同時(shí)在中線和地面?zhèn)鞑?，但兩者的傳輸速度是不一樣的，行波傳輸?shù)乃俣龋菏街校篶為光速， 為導(dǎo)磁率， 為介電系數(shù)。 一般地面物質(zhì)的導(dǎo)磁率為1050，介電常數(shù)為2080，因此，地波的傳播速度只有光波的幾十分之一。 當(dāng)反擊脈沖電壓在地面?zhèn)鞑サ臅r(shí)間達(dá)到2.3倍雷電脈沖寬度時(shí)，其幅度衰減達(dá)到90%以上，此時(shí)，可

39、認(rèn)為雷電的能量已經(jīng)基本衰減到0。51 由于雷電波在中線中傳輸?shù)乃俣纫仍诘乇砻鎮(zhèn)鬏數(shù)乃俣瓤鞄资叮?030倍），因此，在雷電脈沖寬度相同的情況下（ 50uS） ，雷電波在中線中傳輸?shù)木嚯x比較遠(yuǎn)（1115公里），而雷波在地面?zhèn)鬏數(shù)木嚯x相對(duì)比較近（約300600米），因此中線是產(chǎn)生浪涌電壓的禍?zhǔn)住?雷擊時(shí)，受中線浪涌電壓影響最嚴(yán)重的，既不是離雷擊最近之處，也不是離雷擊15公里以外的地方，而是離中線浪涌電壓下降大約一半的地方。cv 被二次雷擊損壞的電子設(shè)備52533. 3. 電子設(shè)備的雷電防護(hù)電子設(shè)備的雷電防護(hù) 按照接地的用途和性質(zhì)，接地可以分為工作接地和保護(hù)接地兩大類。工作接地，一般是指利用大地作

40、為導(dǎo)線的接地，這種接地在大地中有電流流過(guò)。保護(hù)接地，主要有防止人體觸電的保護(hù)接地、防雷接地、防靜電接地、EMC接地等，這種接地一般很少有地電流流過(guò)。根據(jù)每種接地的功能或要求的不同，接地方法也不同，如果接地接錯(cuò)了地方，不但達(dá)不到良好的效果和要求，有時(shí)反而得到相反的結(jié)果。 下圖是現(xiàn)今我國(guó)低壓供電設(shè)備通常采用的TN-C線路圖，即三相四線供電原理圖，這種配電線路，一般只考慮配電設(shè)備自身的安全，而對(duì)用戶端的用電安全，基本不考慮。54圖(a)，設(shè)備的外殼通過(guò)地線與大地連接，屬于安全保護(hù)接地，圖(b)，外殼沒(méi)有進(jìn)行防護(hù)接地。但兩種情況對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)保護(hù)都是不安全的。圖(a)的中線會(huì)與地線擊穿打火，圖(b)人

41、體觸摸外殼會(huì)觸電。圖3-13.1 3.1 現(xiàn)有供電設(shè)備容易引起二次雷擊的原因現(xiàn)有供電設(shè)備容易引起二次雷擊的原因3.2 3.2 現(xiàn)有各種接地方法的不足現(xiàn)有各種接地方法的不足55圖3-2 下圖是國(guó)際上常用的低壓供電設(shè)備采用的多種保護(hù)接地標(biāo)準(zhǔn)原理圖，圖中N為中線，PE為保護(hù)接地線。PEN既可做為中線使用，也可作為保護(hù)接地線使用。 這些標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有把防雷和EMC接地的功能考慮進(jìn)去，如果僅從EMC方面考慮，EMC接地應(yīng)該是就近接地，因此，下圖中的中線是不宜作為EMC的地來(lái)使用的，把中線當(dāng)?shù)厥褂?，?huì)在中線中產(chǎn)生嚴(yán)重的共模干擾。防雷接地最好的方法是令中線兩端都接地，或多點(diǎn)重復(fù)接地，但在國(guó)內(nèi)普遍上都沒(méi)有這么做，并

42、且很多用戶都沒(méi)有把中線進(jìn)行接地，即，不使用中線接地的PE功能。 我國(guó)的低壓供電設(shè)備普遍采用TN-C系統(tǒng)，但大多數(shù)情況下，中線兩端接地的PE功能基本沒(méi)有使用，因此失去了基本的防雷功能。3.2 3.2 現(xiàn)有各種接地方法的不足現(xiàn)有各種接地方法的不足 先把中線接到等電位體上，然后家用電器的地線再與等電位體連接，這樣可以達(dá)到非常好的防雷效果。 當(dāng)配電設(shè)備被雷擊中后，中線的電位會(huì)升得很高，地面的電位也升得很高，但通過(guò)中線和大地同與等電位體連接，使中線與大地等電位，家電的接地端與等電位體等電位，從而達(dá)到非常好的防雷效果。 等電位的意思是：Ub與Uc，Ud與Ue等電位。3.3 3.3 等電位體防雷技術(shù)等電位體

43、防雷技術(shù) 所謂等電位體，就是多處與大地連接的導(dǎo)體，各地線與等電位體連接的跨步距離要求小于20m。鋼筋水泥、自來(lái)水管都是非常好的等電位體；等電位體對(duì)于EMC接地也具有非常良好的抑制共模干擾信號(hào)效果。56圖3-3鋼筋水泥柱地面鋼筋焊點(diǎn)環(huán)形接地裝置幾個(gè)主要接地點(diǎn)3.3.1 3.3.1 等電位體應(yīng)用舉例等電位體應(yīng)用舉例57圖3-4環(huán)形接地裝置接地點(diǎn)越多越好環(huán)形接地裝置接地點(diǎn)越多越好3.3.2 3.3.2 等電位體防雷技術(shù)應(yīng)用等電位體防雷技術(shù)應(yīng)用58電腦機(jī)房雷電防護(hù)地線的連接圖3-53.4 3.4 對(duì)現(xiàn)有配電線路防雷技術(shù)的改進(jìn)對(duì)現(xiàn)有配電線路防雷技術(shù)的改進(jìn)59圖3-6 采用變壓器隔離，可以大大減小雷擊產(chǎn)生

44、的反擊高壓。如圖，如果由配電變壓器直接輸出電壓，800kV的反擊高壓通過(guò)中線可傳送15公里，采用隔離變壓器后，800kV的反擊高壓得先通過(guò)大地傳送給隔離變壓器的中線，而大地傳送反擊高壓的有效距離大約只有500米，超過(guò)500米之后的能量已經(jīng)很小，可以不用考慮。另外，單相變壓器很容易進(jìn)行靜電屏蔽，這樣可以減小雷電脈沖通過(guò)初次級(jí)線圈之間的分布電容感應(yīng)產(chǎn)生的靜電高壓脈沖，這對(duì)EMC濾波更有利。單相變壓器最好采取兩組電壓輸出，中心抽頭接地，這樣可減小初、次級(jí)線圈之間的靜電感應(yīng)，單邊輸出為110V，雙邊為220V，并且中線既可當(dāng)0線(N)使用，也可以當(dāng)保護(hù)線（PE)使用，對(duì)用戶使用更便利。3.5 3.5

45、對(duì)變壓器進(jìn)行靜電屏蔽的必要性對(duì)變壓器進(jìn)行靜電屏蔽的必要性上圖是有靜電屏蔽和無(wú)靜電屏蔽的隔離變壓器浪涌輸出波形的比較。經(jīng)靜電屏蔽之后，圖(b)比圖(a) 少了i3、i5兩個(gè)共模電流輸出，而多了一個(gè)電流i9入地，這樣經(jīng)過(guò)靜電屏蔽以后，原來(lái)對(duì)用電設(shè)備構(gòu)成威脅最大的i3、i4、i5、i7，只剩下i4、i7兩個(gè)； i4、i7可以應(yīng)用等電位體技術(shù)把它們消除，而i4、i5只能通過(guò)后面介紹的Y電容濾波電路來(lái)消除。 順便指出，放電管G4、G5對(duì)i3、i4、i5、i7幾乎是起不到抑制作用的，因?yàn)?，C1、C2、C3分布電容的容量很小，流過(guò)它們的是與電壓上升率非常高的充放電電流。60圖3-73.6 3.6 電子產(chǎn)品雷

46、擊防護(hù)電路試驗(yàn)與設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品雷擊防護(hù)電路試驗(yàn)與設(shè)計(jì)61 雷電防護(hù)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它涉及到供電系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)，針對(duì)不同的用戶，每個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)防雷的要求也不一樣。例如，我國(guó)的電子設(shè)備雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T17626.5），主要是針對(duì)間接雷擊（二次雷擊）在電源線上感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌電壓脈沖（標(biāo)準(zhǔn)為4000Vp/50uS，最高可選6000Vp/50uS ），對(duì)于直接雷擊，數(shù)百萬(wàn)伏的高壓脈沖落到被雷擊物上，對(duì)于普通用戶的設(shè)備，是防不勝防的。 目前我國(guó)的國(guó)民防雷意識(shí)還非常落后，防雷技術(shù)相對(duì)也很落后，比如，我國(guó)目前普遍使用的三相四線制配電系統(tǒng)（TN-C）進(jìn)行供電，這種供電系統(tǒng)對(duì)二次雷擊防護(hù)

47、效能相對(duì)其它國(guó)家的三相五線制（TN-S）是最差的，很多雷擊事故或火災(zāi)都是因?yàn)檫@種配電系統(tǒng)工作不安全引起的。特別是在城市郊區(qū)或農(nóng)村，每年都有成千上萬(wàn)的電子產(chǎn)品被雷擊損壞，主要原因是城市郊區(qū)和農(nóng)村大多數(shù)電網(wǎng)還是采用明線供電，這種供電線路很容易遭雷擊。 在三相四線制配電系統(tǒng)，當(dāng)雷電擊中電網(wǎng)設(shè)備（供電線路）時(shí)，通過(guò)感應(yīng)會(huì)在供電線路中同時(shí)產(chǎn)生共模浪涌電壓和差模浪涌電壓，另外，在直接遭受雷擊的地方，通過(guò)地電阻的作用，會(huì)在電網(wǎng)的中線中產(chǎn)生很高的反擊電壓，相當(dāng)于在用戶電子設(shè)備的電壓輸入端與用戶地之間迭加了一個(gè)很高的浪涌電壓。 電子產(chǎn)品雷擊防護(hù)電路的設(shè)計(jì)，主要任務(wù)就是在電子設(shè)備的輸入端加接一個(gè)浪涌抑制電路，對(duì)電

48、源線上因二次雷擊感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌電壓脈沖進(jìn)行有效抑制，防止電子設(shè)備過(guò)壓、過(guò)流損壞，或出現(xiàn)其它故障，影響正常工作。3.6.1 3.6.1 電子設(shè)備雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 電子設(shè)備雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T17626.5（等同于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC61000-4-5 ）。標(biāo)準(zhǔn)主要是模擬間接雷擊產(chǎn)生的各種情況： （1）雷電擊中外部線路，有大量電流流入外部線路或接地電阻，因而產(chǎn)生的干擾電壓。 （2）間接雷擊（如云層間或云層內(nèi)的雷擊）在外部線路上感應(yīng)出電壓和電流。 （3）雷電擊中線路鄰近物體，在其周圍建立的強(qiáng)大電磁場(chǎng)，在外部線路上感應(yīng)出電壓。 （4）雷電擊中鄰近地面，

49、地電流通過(guò)公共接地系統(tǒng)時(shí)所引進(jìn)的干擾。 標(biāo)準(zhǔn)除了模擬雷擊外，還模擬變電所等場(chǎng)合，因開關(guān)動(dòng)作而引進(jìn)的干擾（開關(guān)切換時(shí)引起電壓瞬變），如： （1）主電源系統(tǒng)切換時(shí)產(chǎn)生的干擾（如電容器組的切換）。 （2）同一電網(wǎng)，在靠近設(shè)備附近的一些較小開關(guān)跳動(dòng)時(shí)的干擾。 （3）切換伴有諧振線路的晶閘管設(shè)備。 （4）各種系統(tǒng)性的故障，如設(shè)備接地網(wǎng)絡(luò)或接地系統(tǒng)間的短路和飛弧故障。 標(biāo)準(zhǔn)描述了兩種不同的波形發(fā)生器：一種是雷擊在電源線上感應(yīng)生產(chǎn)的波形；另一種是在通信線路上感應(yīng)產(chǎn)生的波形。這兩種線路都屬于空架線，但線路的阻抗各不相同：在電源線上感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌波形比較窄一些（50uS） ，前沿要陡一些（1.2uS）；而在通信

50、線上感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌波形比較寬一些，但前沿要緩一些。后面我們主要以雷擊在電源線上感應(yīng)生產(chǎn)的波形來(lái)對(duì)電路進(jìn)行分析，同時(shí)也對(duì)通信線路的防雷技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。623.6.23.6.2 雷擊浪涌脈沖生成電路的工作原理雷擊浪涌脈沖生成電路的工作原理 上圖是模擬雷電擊到配電設(shè)備時(shí)，在輸電線路中感應(yīng)產(chǎn)生的浪涌電壓，或雷電落地后雷電流通過(guò)公共地電阻產(chǎn)生的反擊高壓，的脈沖產(chǎn)生電路。4kV時(shí)的單脈沖能量為100焦耳。 圖中Cs是儲(chǔ)能電容（大約為10uF，相當(dāng)于雷云電容），Us為高壓電源，Rc為充電電阻，Rs為脈沖持續(xù)時(shí)間形成電阻（放電曲線形成電阻），Rm為阻抗匹配電阻Ls為電流上升形成電感。雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)對(duì)不同

51、產(chǎn)品有不同的參數(shù)要求，上圖中的參數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求不同，稍有改動(dòng)。63圖3-83.6.3 3.6.3 雷擊浪涌電壓脈沖的基本參數(shù)雷擊浪涌電壓脈沖的基本參數(shù)64 基本參數(shù)要求：（1）開路輸出電壓：0.56kV，分5等級(jí)輸出，最后一級(jí)由用戶與制造商協(xié)商確定；（2）短路輸出電流：0.252kA，供不同等級(jí)試驗(yàn)用;（3）內(nèi)阻：2 歐姆，附加電阻10、12、40、42歐姆，供其它不同等級(jí)試驗(yàn)用；（4）浪涌輸出極性：正/負(fù) ；浪涌輸出與電源同步時(shí)，移相0360度；（5）重復(fù)頻率：至少每分鐘一次。圖3-93.6.4 3.6.4 雷擊浪涌電流脈沖的基本參數(shù)雷擊浪涌電流脈沖的基本參數(shù) 雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)的嚴(yán)酷

52、等級(jí)分為5級(jí)： 1級(jí)：較好保護(hù)的環(huán)境； 2級(jí)：有一定保護(hù)的環(huán)境； 3級(jí)：普通的電磁騷擾環(huán)境、對(duì)設(shè)備未規(guī)定特殊安裝要求，如工業(yè)性的工作場(chǎng)所； 4級(jí)：受嚴(yán)重騷擾的環(huán)境，如民用空架線、未加保護(hù)的高壓變電所。 X級(jí)：由用戶與制造商協(xié)商確定。65圖3-103.6.5 3.6.5 對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行差模雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行差模雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)66 圖中18uF電容，可根據(jù)嚴(yán)酷等級(jí)不同，選擇數(shù)值也可不同，但大到一定值之后，基本上就沒(méi)有太大意義。圖3-113.6.6 3.6.6 對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行共模雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行共模雷擊浪涌抗擾度試驗(yàn)67 圖中10歐姆電阻以及9uF電容，可根據(jù)嚴(yán)酷等

53、級(jí)不同，選擇數(shù)值也不同，電阻最小值可選為0歐姆（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)就是這樣）， 9uF電容也可以選得很大，但大到一定值之后，基本上就沒(méi)有太大意義。圖3-123.6.7 3.6.7 浪涌電壓抑制電路的工作原理浪涌電壓抑制電路的工作原理68 一般CX電容可承受4000Vp的差模浪涌電壓沖擊，CY電容可承受5000Vp的共模電壓沖擊。正確選擇L1、L2和CX2、CY參數(shù)的大小，就可以抑制4000Vp以下的共模和差模浪涌電壓。但如果兩個(gè)CY電容是安裝在整機(jī)線路之中，其總?cè)萘坎荒艹^(guò)5000P，如要抑制浪涌電壓超過(guò)4000Vp，還需選用耐壓更高的電容器，以及帶限幅功能的浪涌抑制電路。所謂抑制，只不過(guò)是把尖峰脈沖的

54、幅度降低了一些，然后把其轉(zhuǎn)換成另一個(gè)脈沖寬度相對(duì)比較寬，幅度較為平坦的波形輸出，但其能量基本沒(méi)有改變。兩個(gè)CY電容的容量一般都很小，存儲(chǔ)的能量有限，其對(duì)共模抑制的作用并不很大，因此，對(duì)共模浪涌抑制主要靠電感L1和L2，但由于L1、L2 的電感量也受到體積和成本的限制，一般也難以做得很大，所以上面電路對(duì)雷電共模浪涌電壓抑制作用很有限。圖3-13對(duì)4000Vp以下的浪涌電壓進(jìn)行抑制，一般只需采用LC電路進(jìn)行限流和平滑濾波，把脈沖信號(hào)盡量壓低到23倍脈沖信號(hào)平均值的水平即可。由于L1、L2有50周電網(wǎng)電流流過(guò)，電感很容易飽和，因此， L1、L2一般都采用一種漏感很大的共模電感。3.6.8 3.6.8

55、 共模浪涌抑制電路參數(shù)的選取共模浪涌抑制電路參數(shù)的選取LUcUIPmtLUcUiPL2mLII 圖（a）中L1與CY1、 L2與CY2，分別對(duì)兩路共模浪涌電壓進(jìn)行抑制，計(jì)算時(shí)只需計(jì)算其中一路即可。對(duì)L1進(jìn)行精確計(jì)算，須要求解一組2階微分方程，結(jié)果表明：電容充電是按正弦曲線進(jìn)行，放電是按余弦曲線進(jìn)行。但此計(jì)算方法比較復(fù)雜，這里采用比較簡(jiǎn)單的方法。 假說(shuō)，共模信號(hào)是一個(gè)幅度為Up、寬度為的方波，以及CY電容兩端的電壓為Uc，測(cè)流過(guò)電感的電流為一寬度等于2的鋸齒波：流過(guò)電感的電流為：，流過(guò)電感的最大電流為：在2期間流過(guò)電感的平均電流為：圖3-1469由此可以求得CY電容在2期間的電壓變化量為：上式是

56、計(jì)算共模浪涌抑制電路中電感L和電容CY參數(shù)的計(jì)算公式，式中，Uc為CY電容兩端的電壓，也是浪涌抑制電路的輸出電壓，Uc為CY電容兩端的電壓變化量，但由于雷電脈沖的周期很長(zhǎng)，占空比很小，可以認(rèn)為Uc = Uc，Up為共模浪涌脈沖的峰值，q為CY電容存儲(chǔ)的電荷，為共模浪涌脈沖的寬度，L為電感，C為電容。 根據(jù)上面公式，假設(shè)浪涌峰值電壓Up=4000Vp，電容C=2500p，浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=2000Vp，則需要電感L的數(shù)值為1H。顯然這個(gè)數(shù)值非常大，在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)，所以上面電路對(duì)雷電共模抑制的能力很有限，此電路還需進(jìn)一步改進(jìn)?；騆CUcUpCICqUcUc2)(22) 1(UcUpLC

57、3.6.9 3.6.9 共模浪涌抑制電路參數(shù)的計(jì)算共模浪涌抑制電路參數(shù)的計(jì)算70（ 3-10 ）（ 3-11 ）3.6.10 3.6.10 差模浪涌抑制電路參數(shù)的選取差模浪涌抑制電路參數(shù)的選取 差模浪涌電壓抑制，主要是靠圖3-13中的濾波電感L1、L2 ，和濾波電容CX ，L1、L2濾波電感和CX濾波電容等參數(shù)的選擇，同樣可以用（ 3-11 ）來(lái)進(jìn)行計(jì)算。2) 1(UcUpLC（ 3-11 ） 但上式中的L應(yīng)該等于L1和L2兩個(gè)濾波電感之和，C=CX，Uc等于差模抑制輸出電壓。一般，差模抑制輸出電壓應(yīng)不大于600Vp，因?yàn)楹芏喟雽?dǎo)體器件和電容的最大耐壓都在此電壓附近，并且，經(jīng)過(guò)L1和L2兩個(gè)濾

58、波電感以及CX電容濾波之后，雷電差模浪涌電壓的幅度雖然降低了，但能量基本上沒(méi)有降低，因?yàn)榻?jīng)過(guò)濾波之后，脈沖寬度會(huì)增加，一旦器件被擊穿，大部分都無(wú)法恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。 根據(jù)上面公式，假設(shè)浪涌峰值電壓Up=4000Vp，脈沖寬度為50uS，差模浪涌抑制電路的輸出電壓Uc=600Vp，則需要LC的數(shù)值為14mHuF。顯然，這個(gè)數(shù)值對(duì)于一般電子產(chǎn)品的浪涌抑制電路來(lái)說(shuō)還是比較大的，相比之下，增加電感量要比增加電容量更有利，因此最好選用一種有3個(gè)窗口、用矽鋼片作鐵芯，電感量相對(duì)較大（大于20mH）的電感作為浪涌電感，這種電感共模和差模電感量都很大，并且不容易飽和。 順便指出，整流電路后面的電解濾波電容，同

59、樣也具有抑制浪涌脈沖的功能，如果把此功能也算上，其輸出電壓Uc就不能選600Vp，而只能選為電容器的最高耐壓Ur（400Vp）。713.7 3.7 雷擊浪涌脈沖電壓抑制常用器件雷擊浪涌脈沖電壓抑制常用器件 避雷器件主要有陶瓷氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、半導(dǎo)體閘流管（TVS）、浪涌抑制電感線圈、X類浪涌抑制電容等，各種器件要組合使用。 氣體放電管的種類很多，放電電流一般都很大，可達(dá)數(shù)十kA，放電電壓比較高，放電管從點(diǎn)火到放電需要一定的時(shí)間，并且存在殘存電壓，性能不太穩(wěn)定；氧化鋅壓敏電阻伏安特性比較好，但受功率的限制，電流相對(duì)比放電管小，多次被雷電過(guò)流擊穿后，擊穿電壓值會(huì)下降，甚至?xí)?；半?dǎo)體T

60、VS管伏安特性最好，但功率一般都很小，成本比較高；浪涌抑制線圈是最基本的防雷器件，為防流過(guò)電網(wǎng)交流電飽和，必須選用三窗口鐵芯；X電容也是必須的，要選用容許紋波電流較大的電容。72圖3-153.7.1 3.7.1 氣體放電管氣體放電管圖3-16主要參數(shù)：（1）直流擊穿電壓。此值由施加一個(gè)低上升速率（dv/dt=100V/s）的電壓值來(lái)決定。（2）沖擊（或浪涌）擊穿電壓。它代表放電管的動(dòng)態(tài)特性，常用上升速率為dv/dt=1kV/us的電壓值來(lái)決定。（3）標(biāo)稱沖擊放電電流。8/20us波形（前沿8us，半峰持續(xù)時(shí)間20us）的額定放電電流，通常放電10次。（4）標(biāo)準(zhǔn)放電電流。通過(guò)50Hz交流電流的額