CH 2 雷電暫態(tài)過電壓及其傳輸

1、CH 2 雷電暫態(tài)過電壓及其傳輸雷電暫態(tài)過電壓及其傳輸 主講：主講：施廣全施廣全 在發(fā)生雷擊時(shí)，強(qiáng)大的雷電流及其所產(chǎn)生的空間電磁脈沖能夠通過傳導(dǎo)、感應(yīng)和耦合等方式在建筑物內(nèi)電子系統(tǒng)中產(chǎn)生各種暫態(tài)過電壓 。 本章討論幾種常見雷電暫態(tài)過電壓的產(chǎn)生及其對電子設(shè)備的危害機(jī)制，并介紹暫態(tài)過電壓波傳輸過程的分析方法。 2.1暫態(tài)電位抬高暫態(tài)電位抬高 雷電流將在防雷系統(tǒng)中產(chǎn)生暫態(tài)高電位，這一暫態(tài)現(xiàn)象稱為暫態(tài)電位抬高 。避雷針系統(tǒng)避雷針系統(tǒng) 如果引下線與其周圍電子或電氣設(shè)備之間絕緣距離不夠，且設(shè)備又不與避雷針系統(tǒng)共地，則兩者之間就會出現(xiàn)很高的電壓并會發(fā)生放電擊穿，造成所謂反擊現(xiàn)象。反擊的發(fā)生能導(dǎo)致電子或電氣設(shè)

2、備嚴(yán)重?fù)p壞，甚至危及人身安全。 GB50057-94 第三章第二節(jié)第3.2.1條第五款“有關(guān)防反擊距離要求的規(guī)定” 。對于一類建筑物而言 ： 1、獨(dú)立避雷針和架空避雷線（網(wǎng)）的支柱及其接地裝置至被保護(hù)建筑物及與其有聯(lián)系的管道、電纜等金屬物之間的距離應(yīng)符合一定的要求，最小不小于3米； 防雷裝置至被保護(hù)物的距離防雷裝置至被保護(hù)物的距離1.地上部分： 當(dāng)hx5Ri時(shí)， Sa10.4(Ri+0.1hx)當(dāng)hx5Ri時(shí)， Sa10.1(Ri+hx) 2地下部分： Sel0.4Ri 式中：Sa1空氣中距離(m)；Se1地中距離(m)；Ri 獨(dú)立避雷針或架空避雷線（網(wǎng)）支柱處接地裝置的沖擊接地電阻()； h

3、x被保護(hù)物或計(jì)算點(diǎn)的高度(m)。 2、架空避雷線至屋面和各種突出屋面的風(fēng)放散管等物體之間的距離應(yīng)符合一定的要求，最小不小于3米； 1 當(dāng)(h+l/2)5Ri時(shí)，Sa2 0 . 2 Ri+ 0 . 0 3 ( h + l / 2 )2當(dāng)(h+l/2)5Ri時(shí)Sa20.05Ri+0.06(h+l/2)式中Sa2 避雷線(網(wǎng))至被保護(hù)物的空氣中距離(m)；h 避雷線(網(wǎng))的支柱高度(m)；l 避雷線的水平長度(m)。3、獨(dú)立避雷針、架空避雷線或架空避雷網(wǎng)應(yīng)有獨(dú)立的接地裝置，每一引下線的沖擊接地電阻不宜大于10。土壤電阻率高的地區(qū)，可適當(dāng)增大沖擊接地電阻。 第3.2.2條 第一款、第二款 1、金屬屋面

4、周邊每隔1824m應(yīng)采用引下線接地一次?，F(xiàn)場澆制的或由預(yù)制構(gòu)件組成的鋼筋混凝土屋面，其鋼筋宜綁扎或焊接成閉合回路，并應(yīng)每隔1824m采用引下線接地一次。 2、平行敷設(shè)的管道、構(gòu)架或電纜金屬外皮等長金屬物，其凈距離小于100mm時(shí)應(yīng)采用金屬線跨接，跨接點(diǎn)的間距不應(yīng)大于30m；交叉凈距小于100mm時(shí)，其交叉處亦應(yīng)跨接。一根專用接地線在高頻下其阻抗為： 22)( LRZ（m）L（ s）（1MHZ）1MHZ時(shí)時(shí)10MHZ時(shí)時(shí)100MHZ時(shí)時(shí)R L=XLR L=XLR L=XL34005 25 015 250 05 25K 6901 57 03 570 10 57K 122002 126 06 126

5、K 20 126K 183103 195 09 195K 30 195K 305505 346 15 346K 50 346K 銅導(dǎo)體在自由大氣中的電阻和電抗銅導(dǎo)體在自由大氣中的電阻和電抗 225mm 將信息系統(tǒng)的工作頻率，專用引下線18m的R、L代入上式，阻抗高達(dá)近200 ，因此，當(dāng)這個(gè)接地裝置的阻抗即便很低（如小于1）也是毫無意義的。 在信息系統(tǒng)上安裝電涌保護(hù)器，當(dāng)電涌保護(hù)器承受雷電沖擊而對地泄放時(shí)，被保護(hù)的信息系統(tǒng)設(shè)備絕緣承受的電涌電壓為電涌保護(hù)器上的殘壓和其連接線上的電壓將之和，即： dtdiLUresU 電涌保護(hù)器連接線的全長不宜超過0.5m。 在設(shè)備所在樓層按S型或M型設(shè)接地基準(zhǔn)點(diǎn)

6、（ERP）或環(huán)形接地母排，并將其與建筑物主鋼筋連接，達(dá)到局部等電位連接 。鄰近未受雷擊建筑物內(nèi)的反擊鄰近未受雷擊建筑物內(nèi)的反擊 2.2感應(yīng)過電壓 雷電放電能夠在回路中和線路上感應(yīng)出暫態(tài)過電壓，其中前者屬于磁場感應(yīng)，后者主要屬于電場感應(yīng)。1、回路感應(yīng)過電壓 當(dāng)建筑物遭受直接雷擊或建筑物附近發(fā)生雷擊時(shí)，在建筑物防雷系統(tǒng)中流過的暫態(tài)電流或雷電放電通道中的雷電流將在建筑物內(nèi)部空間產(chǎn)生脈沖暫態(tài)磁場，這種快速變化的磁場交鏈這些回路后，將在回路中感應(yīng)出暫態(tài)過電壓，危及與這些回路相端接的電子設(shè)備 ?；芈犯袘?yīng)過電壓實(shí)例回路感應(yīng)過電壓實(shí)例 窄長感應(yīng)回路窄長感應(yīng)回路 （a、b兩圖中兩圖中絕緣擊穿的情況有所不同絕緣擊

7、穿的情況有所不同） GB50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范 注：注：當(dāng)環(huán)路不是當(dāng)環(huán)路不是矩形時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)換為矩形時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)換為相同環(huán)路面積的矩相同環(huán)路面積的矩形環(huán)路。形環(huán)路。 圖中的電力圖中的電力線路或信息線路也線路或信息線路也可以是鄰近的兩端可以是鄰近的兩端做了等電位連接的做了等電位連接的金屬物。金屬物。 格柵形屏蔽建筑物附近遭雷擊時(shí)在格柵形屏蔽建筑物附近遭雷擊時(shí)在LPZ1區(qū)內(nèi)環(huán)路的感應(yīng)區(qū)內(nèi)環(huán)路的感應(yīng)電壓和電流電壓和電流 無屏蔽線路構(gòu)成的環(huán)路，其開路最大感應(yīng)電壓Uoc/max 宜按下式確定： Uoc/max =0blH1/max/ T1 （V）式中：0真空的磁導(dǎo)系數(shù)，其值等于4107Vs/（Am）

8、； b環(huán)路的寬（m）； l環(huán)路的長（m）；H1/maxLPZ1區(qū)內(nèi)最大的磁場強(qiáng)度（A/m）T1雷電流的波頭時(shí)間（s）。 若略去導(dǎo)線的電阻（最壞情況），最大短路電流isc/ max 可按下式確定：isc/ max =0blH1/ max/ L （A）式中 L環(huán)路的自電感（H）。 矩形環(huán)路的自電感可按下式計(jì)算：L= 0.8l2+b20.8(l+b) +0.4lln(2b/r)/ 1+1+(b/l)2 +0.4bln(2l/r)/ 1+1+(l/b)2 106 （H）式中 r 環(huán)路導(dǎo)線的半徑（m）。格柵形屏蔽建筑物遭直接雷擊時(shí)在格柵形屏蔽建筑物遭直接雷擊時(shí)在LPZ1區(qū)內(nèi)環(huán)路的感應(yīng)區(qū)內(nèi)環(huán)路的感應(yīng)電壓和

9、電流電壓和電流 開路最大感應(yīng)電壓Uoc/ max宜按下式確定：Uoc/ max =0bln（1+l /dl/ w）kH（w /d1/ r ）io/ max / T1（V） 式中： dl/ w環(huán)路至屏蔽墻的距離（m）；dl/ r環(huán)路至屏蔽頂?shù)钠骄嚯x（m）；io/ maxLPZ0A 區(qū)內(nèi)的雷電流最大值（A）；kH 形狀系數(shù)，取w 格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬（m）。)/1 (01. 0mkH 若略去導(dǎo)線的電阻（最壞情況），最大短路電流若略去導(dǎo)線的電阻（最壞情況），最大短路電流isc/ max可按下式確定：可按下式確定： LidWkdlbiorHwlsc/ )/( )/1ln(max/1/0max/雷擊發(fā)生

10、的情況下，建筑物內(nèi)的空間電磁場強(qiáng)度。 sd 雷擊點(diǎn)與屏蔽空間之間的平均距離（m） 一、閃電擊于格柵型大空間屏蔽以外附近的情況下 在無屏蔽的情況下產(chǎn)生沒有衰減的磁場強(qiáng)度，計(jì)算公式為： H0=i0/（2Sd） （A/m） 式中: i0雷電流（A）； Sd雷擊點(diǎn)與屏蔽空間之間的平均距離（m） 由此得出，首次雷擊所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度最大值為：H0/f/max=if/ max /（2Sd）（A/m） 后續(xù)雷擊所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度最大值為： H0/s/max=is/max/（2Sd）（A/m） 當(dāng)有屏蔽時(shí)，即在格柵形大空間屏蔽內(nèi)（此空間看作是LPZI區(qū)），磁場強(qiáng)度從H0 減為 H1其值應(yīng)按下式計(jì)算： H1=H0/

11、10SF/20（A/m） 式中SF屏蔽系數(shù)（dB），按下表的公式計(jì)算 注：1、適用于首次雷擊的磁場； 2、適用于后續(xù)雷擊的磁場； 3、相對磁導(dǎo)系數(shù)r200； 4、W格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬度（m），適用于W5m； r格柵形屏蔽網(wǎng)格導(dǎo)體的半徑（m）。 26/10181r材材 料料SF（dB）25KHZ（見注（見注1）1MHZ（見注（見注2）銅銅/鋁鋁20 log（8 5/w）20 log（8 5/w）鋼（見注鋼（見注3） 20 log （8 5/w）/ 20 log（8 5/w） 上表的計(jì)算值僅對在LPZI區(qū)內(nèi)距屏蔽層有一安全距離ds/1的安全空間Vs內(nèi)才有效（見下圖），ds/1應(yīng)按下式計(jì)算： ds/

12、1=wSF/10（m） 式中w格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬度（m）。 二、閃電擊于格柵型大空間屏蔽上的情況下在LPZ1區(qū)中Vs空間內(nèi)某一點(diǎn)磁場強(qiáng)度H1為： （A/m）由此得出，LPZ1區(qū)中Vs空間內(nèi)某一點(diǎn)由首次雷擊所致的磁場強(qiáng)度最大值為： （A/m）在LPZ1區(qū)中Vs空間內(nèi)某一點(diǎn)由后續(xù)雷擊所致的磁場強(qiáng)度最大值為： （A/m） drdwiKwH/(01)/(max/max/1drdwiKwfHf)/(max/max/1drdwiKwsHs 式中：dr： 被考慮的點(diǎn)距LPZ1的屏蔽體的頂之間的最短距離。（m） dw： 被考慮的點(diǎn)至LPZ1的屏蔽體的墻之間的最短距離。（m） kH： 形狀系數(shù)，可取KH=0.0

13、1 w： LPZ1區(qū)格柵形屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)眼寬度（m） i0： LPZ0區(qū)中的雷電電流（A）由上式計(jì)算的磁場強(qiáng)度對距屏蔽體有一安全距離 ds/2的空間Vs內(nèi)有效；ds/2應(yīng)符合下式的要求： ds/2=w （m） 只有在Vs空間內(nèi)部才可以安裝信息系統(tǒng)設(shè)備，在緊挨著格柵處的很高的磁場值不作為信息系統(tǒng)設(shè)備的干擾源來考慮。 三、LPZ2區(qū)及以上雷電防護(hù)區(qū)的格柵形屏蔽防護(hù) 在LPZ2區(qū)及以上格柵形屏蔽的雷電防護(hù)區(qū)雷電流將不會有實(shí)質(zhì)性的影響。處在LPZn區(qū)內(nèi)的LPZn+1區(qū)的磁場強(qiáng)度將由LPZn區(qū)內(nèi)的磁場強(qiáng)度Hn減至LPZn+1區(qū)內(nèi)的Hn+1，其值可近似的按下式計(jì)算：Hn+1=Hn/10SF/20 （A/m）其

14、中：SF是由表1計(jì)算出的屏蔽系數(shù)（dB）Hn：LPZn區(qū)內(nèi)的磁場強(qiáng)度（Am）該式適用于LPZn+1區(qū)內(nèi)距其屏蔽有一定安全距離ds/1的空間Vs的磁場強(qiáng)度： ds/1= wSF/10 （m）建筑物電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)區(qū)的劃分 1）、按IEC原理將建筑物需要防護(hù)的空間由表及里劃分為不同的防雷保護(hù)區(qū)（LPZ），有如下實(shí)際意義：可以計(jì)算出各LPZ內(nèi)空間雷擊電磁脈沖的強(qiáng)度，以確認(rèn)是否需要采取進(jìn)一步的屏蔽措施。可以確定等電位連接的位置（一般是各LPZ區(qū)交界處）?？梢源_定在不同LPZ交界處選用電涌保護(hù)器的具體指標(biāo)。可以選定敏感電子設(shè)備的安全放置位置?？梢源_定在不同LPZ交界面處等電位連接導(dǎo)體的最小芯線截面。

15、 2）、劃分的原則將需要保護(hù)和控制雷擊電磁環(huán)境的建筑物空間，從外部到內(nèi)部劃分為多個(gè)不同的雷電防護(hù)區(qū)（LPZ），以便規(guī)定各部分LPZ空間的雷擊電磁脈沖（LEMP）強(qiáng)度變化的嚴(yán)重程度，以便采取不同的防護(hù)措施。各區(qū)在其交界處的電磁環(huán)境有明顯改變，這是劃分不同防雷區(qū)和等電位連接點(diǎn)位置的確定的主要依據(jù)條件。3）、雷電防護(hù)區(qū)分類及定義 一、 LPZ0A區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭到直接雷擊和導(dǎo)走全部雷電流；本區(qū)內(nèi)的電磁場強(qiáng)度沒有衰減；本區(qū)屬于完全不設(shè)防區(qū)； 二、 LPZ0B區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到大于所選滾球半徑對應(yīng)的雷電流直接雷擊，但本區(qū)內(nèi)的電磁場強(qiáng)度沒有衰減；本區(qū)屬于充分暴露的直擊雷防護(hù)區(qū)； 三、

16、LPZ1區(qū)（第一屏蔽防護(hù)區(qū)）：本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，流經(jīng)各導(dǎo)體的電流比LPZ0B區(qū)更小，本區(qū)內(nèi)的電磁場強(qiáng)度可能衰減，這取決于屏蔽措施； 四、 LPZn+1后續(xù)防雷區(qū)：當(dāng)需要進(jìn)一步減小流入的電流和電磁場強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)增設(shè)后續(xù)防雷區(qū)，并按照需要保護(hù)的對象所要求的環(huán)境區(qū)選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。N=1、2雷電防護(hù)區(qū)劃分和做符合要求的等電位連接的示例雷電防護(hù)區(qū)劃分和做符合要求的等電位連接的示例2、線路感應(yīng)過電壓、線路感應(yīng)過電壓 架空線感應(yīng)過電壓架空線感應(yīng)過電壓 研究表明，過電壓靜電分量的幅值與先導(dǎo)通道中的電荷密度以及架空線的對地高度成正比，與雷擊點(diǎn)到架空線的最短距離成反比。 在總的暫態(tài)過電壓中

17、，靜電分量占主要地位。 2.3耦合與轉(zhuǎn)移過電壓耦合與轉(zhuǎn)移過電壓 高位耦合與轉(zhuǎn)移高位耦合與轉(zhuǎn)移 電纜中耦合過電壓電纜中耦合過電壓 2在電纜的金屬護(hù)套上流過時(shí)，所產(chǎn)生的磁鏈將完全交鏈電纜芯線，于是就能夠通過磁耦合在芯線與金屬護(hù)套以及芯線與芯線之間產(chǎn)生暫態(tài)過電壓。 芯線與金屬護(hù)套之間的暫態(tài)過電壓能夠損壞設(shè)備1和設(shè)備2的輸入和輸出端對地絕緣，而芯線與芯線之間的暫態(tài)過電壓則可以損壞設(shè)備1和設(shè)備2的輸入或輸出電路。 電纜中芯線與金屬護(hù)套之間的暫態(tài)過電壓峰值可按下式來計(jì)算： U2m =I2m R r 上式 U2m為過電壓峰值；I2m 為金屬護(hù)套中雷電流的峰值；R r為金屬護(hù)套與芯線轉(zhuǎn)移電阻，它與護(hù)套的屏蔽性

18、能有關(guān)，一般由試驗(yàn)來確定。地下電纜中耦合過電壓地下電纜中耦合過電壓 2.4共模量與差模量 1、共模與差模電壓和電流 定義共模與差模電壓的示意電路定義共模與差模電壓的示意電路 用共模與差模電壓表示的電路用共模與差模電壓表示的電路 共模與差模電流示意圖共模與差模電流示意圖 2、產(chǎn)生共模暫態(tài)過電壓的實(shí)例 跨接兩座樓的通訊系統(tǒng)跨接兩座樓的通訊系統(tǒng) 由芯線構(gòu)成的感應(yīng)回路由芯線構(gòu)成的感應(yīng)回路 實(shí)際出現(xiàn)在電子系統(tǒng)中的雷電暫態(tài)過電壓大部分表現(xiàn)為共模形式，只有少數(shù)表現(xiàn)為差模形式。比較典型的差模過電壓情況常出現(xiàn)在多芯電纜中，當(dāng)雷電流在電纜的金屬護(hù)套上流過時(shí)，它所產(chǎn)生的暫態(tài)磁場交鏈由芯線構(gòu)成的回路，在芯線之間感應(yīng)出

19、差模過電壓。 配備在電子系統(tǒng)中的暫態(tài)過電壓保護(hù)裝置在抑制共模過電壓時(shí)，由于各個(gè)保護(hù)元件之間的動作分散性，也會將共模過電壓轉(zhuǎn)化為差模過電壓。 2.5暫態(tài)過電壓波的傳輸 由于雷電暫態(tài)過電壓變化速度快，其波形頻譜中含有豐富的高頻分量，對于這種波過程不宜采用傳統(tǒng)的集總參數(shù)電路方法來處理，而需要應(yīng)用分布參數(shù)電路理論來分析。 一、均勻傳輸線方程典型結(jié)構(gòu)的傳輸線 電流在這些均勻?qū)Ь€中流動時(shí)有以下特點(diǎn) ： 電流在導(dǎo)線的電阻中流過將產(chǎn)生沿線的電壓降；同時(shí)又在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生變化的磁場，該變化磁場沿全線產(chǎn)生感生電壓（電感電壓降），所以導(dǎo)線間的電壓是連續(xù)變化的。 兩根導(dǎo)線（在上圖d中，可將大地看成是另一根導(dǎo)線）構(gòu)成電容

20、，在導(dǎo)線之間有位移電流流過，又由于導(dǎo)線之間的媒質(zhì)不是完全的絕緣體，導(dǎo)線之間還有泄漏電流存在。于是在沿線的不同地方，導(dǎo)線中的電流將是不同的。 均勻傳輸線均勻傳輸線 均勻傳輸線電路模型均勻傳輸線電路模型 基爾霍夫電流定律 基爾霍夫電壓定律 dxdxxuutCdxxuuGdxxiiiO)()()(0dxtiLidxRdxxuuu00)(tiLiRxuO0tuCuGxiootiLxuotuCxio忽略電阻RO和電導(dǎo)GO （1） （2） 將方程（1）對x求偏導(dǎo)，將方程（2）對t求偏導(dǎo) txiLtxiLxixLxu020022tuCtuCtutCtxi2202200222222222tiCLxituCLx

21、uoooo 以上方程就是無損線的波動方程，其通解可表示為： )()(),(vtxuvxxutxubf)()()()(1),(vtxivtxivtxuvtxuZtxibfbf 在以上兩式中，稱為波速度，Z稱為波阻抗，它們分別表示為： ooCLv1oCLZ0 對式中的電壓分量uf（x-vt）進(jìn)行討論。設(shè)在t=to時(shí)，該電壓分量為：當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間t后，該電壓分量將變成為：)(),(00vtxutxuff)()(),(000vtxxuvttvxuttxufff二、波的折射和反射 當(dāng)線路突然改變時(shí)，波將在參數(shù)突變的邊界處發(fā)生折射和反射。運(yùn)用波動方程的通解表達(dá)式，再加上線路上出現(xiàn)參數(shù)突變處的邊界條件，可以對折射和反射波進(jìn)行計(jì)算。不同波阻抗的兩條線路串聯(lián)不同波阻抗的兩條線路串聯(lián) 211fbfuuu211fbfiii111/ ZuiffUuZuiZuifffbb1222111/,/以及將代入上式：21fbuuU22111ZuZuZUfbUUZZZuUf21222UUZZZZuub211212122ZZZu2112ZZZZU2112ZZZi2121ZZZZi12fifii11fibii三種特殊情況 1、線路末端開路 u=2，u=1，i=0，i=-1，折射與反射波形如下圖所示： 線路末端開路時(shí)的折射與反射波形 線路1中反射波與來波