雷電對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及機(jī)房的危害

關(guān)于雷電對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及機(jī)房的危害第1頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日直擊雷雷電波侵入雷電電磁脈沖地電位反擊傳播途徑網(wǎng)絡(luò)及機(jī)房設(shè)備抗干擾分析雷電災(zāi)害實(shí)例分析第2頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，特別是信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，自動(dòng)控制、通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等微電子設(shè)備和電子系統(tǒng)在氣象行業(yè)內(nèi)外得到日益增加的廣泛應(yīng)用，雷擊事故帶來(lái)的損失和影響也越來(lái)越大，尤其是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，雷擊造成的電子設(shè)備直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)雷電災(zāi)害總損失的80%以上。雷電災(zāi)害已成為聯(lián)合國(guó)公布的10種最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。第3頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日據(jù)有關(guān)部門(mén)估計(jì)，全世界平均每分鐘發(fā)生雷暴2000次，全球每年因雷擊造成的人員傷亡超過(guò)1萬(wàn)人，所導(dǎo)致的火災(zāi)、爆炸等時(shí)有發(fā)生。1995年，德國(guó)一保險(xiǎn)公司雷電災(zāi)害賠款是火災(zāi)和水災(zāi)的近10倍，高居首位。2003年8月14日，美國(guó)東北部和加拿大發(fā)生大面積停電，其原因可能是閃電擊中美國(guó)紐約州北部一家電廠并引起火災(zāi)。雷電災(zāi)害被列為“電子時(shí)代的一大公害”。第4頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日雷電災(zāi)害，也是目前中國(guó)十大自然災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有21個(gè)省、區(qū)、市雷暴日在50天以上，最多的可達(dá)134天。雷暴給人們生活帶來(lái)了極大的安全隱患。尤其是近年來(lái)，中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、信息技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅速，城市高層建筑日益增多，雷電危害造成的損失也越來(lái)越大。僅1998年和1999年兩年的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)因雷擊造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)百萬(wàn)元以上的有38起。每年因雷電災(zāi)害傷亡的人員約為3000-5000人，造成的財(cái)產(chǎn)損失在70100億元左右第5頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日我國(guó)的雷電災(zāi)害損失80%以上涉及電子、通訊和配電系統(tǒng)。如，2000年8月18日12時(shí)56分，一次閃電造成上海證劵交易所衛(wèi)星地面站機(jī)房遭雷擊，致使股票交易行情傳輸中斷54分鐘。總之雷電可以通過(guò)各種途徑危害地面的物體和人畜，雷電事故，既造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也給社會(huì)帶來(lái)難以估量的間接損失，對(duì)社會(huì)影響很大。第6頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日歸納起來(lái)，雷電的危害如圖3.1所示，它包括直接雷擊的危害和雷擊電磁脈沖的危害。

第7頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第一節(jié)直擊雷的危害一、直擊雷又叫直接雷擊當(dāng)雷云較低，且周?chē)譀](méi)有帶異性電荷的云層，則雷云就會(huì)通過(guò)距離其最近的物體以波速向大地放電，這就是直接雷擊。二．雷電流的熱效應(yīng)及其危害在雷云對(duì)地放電時(shí)，強(qiáng)大的雷電流從雷擊點(diǎn)注入被擊物體，由于雷電流幅值高達(dá)數(shù)十至數(shù)百千安，其熱效應(yīng)可以在雷擊點(diǎn)局部范圍內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)600010000C，甚至更高的溫度，能夠使金屬熔化，樹(shù)木、草堆引燃；當(dāng)雷電波侵入建筑物內(nèi)低壓供配電線路時(shí)，可以將線路熔斷。這些由雷電流的巨大能量使被擊物體燃燒或金屬材料熔化的現(xiàn)象都屬于典型的雷電流的熱效應(yīng)破壞作用，如果防護(hù)不當(dāng)，就會(huì)造成災(zāi)害。第8頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第9頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第10頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.雷擊點(diǎn)處的熱量現(xiàn)代建筑、高層、金屬結(jié)構(gòu)，兼作防雷裝置，引導(dǎo)雷電流。雷電流作用，對(duì)金屬物體的破壞作用必須考慮，雷擊金屬物時(shí)，雷電放電通道直接與金屬物接觸，在雷擊點(diǎn)產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)在雷電流持續(xù)時(shí)間內(nèi)的積分來(lái)計(jì)算，即（3.1）

式中W—熱量，J；UAR—金屬物體上雷擊點(diǎn)處電弧壓降，其經(jīng)驗(yàn)值取為20～30V；i—從雷擊點(diǎn)注入金屬物體的雷電流，A；第11頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日上式中，考慮到UAR近似取為常數(shù)，并代入電荷表達(dá)式式式中Q—電荷量，C。第12頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日由上式可知：在雷擊點(diǎn)處產(chǎn)生的熱量與雷電放電通道注入的電荷量成正比。雷云對(duì)地放電具有隨機(jī)性，雷擊時(shí)放電通道注入地面被擊物體的電荷量也是個(gè)隨機(jī)量，其概率分布如圖3.3所示。圖3.3注入電荷的概率分布量—全部雷擊過(guò)程；-----僅首次雷擊1—正雷；2—負(fù)雷第13頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日雷電流熱效應(yīng)的計(jì)算由于雷電流的作用時(shí)間很短，在計(jì)算（3.2）雷擊點(diǎn)處的溫升以及雷電流通過(guò)金屬物體所產(chǎn)生的溫升時(shí)，均可以忽略散熱的影響，于是雷擊點(diǎn)處的溫度升高可表示為式中ΔT——溫升，℃；m——金屬物體質(zhì)量，㎏；λ——比熱，J/（㎏·℃）。第14頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日當(dāng)溫升值過(guò)高時(shí)，就會(huì)造成金屬的熔化。由試驗(yàn)和理論計(jì)算，可估計(jì)出注入單位電荷作用下幾種常用金屬的熔化體積當(dāng)量為：鋁：12mm3/c；銅：5.4mm3/c；鋼：4.4mm3/c。在通常情況下，雷電流幅值雖然很高，但其作用時(shí)間卻很短，只能產(chǎn)生局部瞬時(shí)的高溫，使雷擊點(diǎn)處局部小面積的金屬發(fā)生熔化，對(duì)于大面積的金屬物體，雷電流熱效應(yīng)的熔化能力是相當(dāng)有限的。如果金屬屋面和金屬罐等大型物體的鋼板壁厚超過(guò)4mm時(shí)，則可直接承受雷擊，即可用于接受直擊雷電流。第15頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

在建筑物遭受雷擊后，雷電流會(huì)沿建筑體內(nèi)各種金屬導(dǎo)體通路流入大地，由于金屬體自身存在著電阻，雷電流流過(guò)它們時(shí)也會(huì)產(chǎn)生熱量，這種熱量可表示為（3.3）式中R——金屬式中R——金屬導(dǎo)體電阻，；i——雷電流，A。在防雷分析中，常用單位歐姆熱量這一參數(shù)，其表達(dá)式為式中W/R——單位歐姆熱量，J/W。由于雷電流具有隨機(jī)性，W/R也是個(gè)隨機(jī)量，第16頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.3給出了它的概率分布。圖3.3W/R的概率分布

1——正雷；2——負(fù)雷

第17頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日實(shí)際上，當(dāng)雷電流流過(guò)建筑體內(nèi)的金屬物體（如各種結(jié)構(gòu)鋼筋或鋁合金導(dǎo)條等）時(shí)，所產(chǎn)生的熱效應(yīng)溫升常不足以使這些導(dǎo)體熔化，這是因?yàn)閺睦讚酎c(diǎn)經(jīng)過(guò)分流后，流過(guò)各導(dǎo)體通路的雷電流將減小，而導(dǎo)體通路的尺寸又較大。但如果雷電流侵入建筑物內(nèi)電氣或電子線路時(shí)，往往會(huì)使它們?nèi)蹟啵驗(yàn)檫@些線路的導(dǎo)體截面較小，難以耐受雷電流的熱效應(yīng)。第18頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第19頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日另外，從式（3.3）還可以看出，嚴(yán)重的熱效應(yīng)還會(huì)出現(xiàn)在雷電流通路上有較高電阻的地方，特別是那些引流導(dǎo)體之間的接觸不良處，在這些地方常可能出現(xiàn)金屬熔化，有時(shí)甚至出現(xiàn)熔體飛濺。這種飛濺熔體產(chǎn)生的火花對(duì)存儲(chǔ)易燃易爆物品的建筑物來(lái)說(shuō)，是極具危害性的。第20頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2．雷電流的電效應(yīng)及其危害雷電的直接破壞作用除了熱效應(yīng)外，還有電效應(yīng)和沖擊波。在雷云對(duì)地放電時(shí)，這種效應(yīng)與熱效應(yīng)一樣，均能被擊物體造成嚴(yán)重?fù)p害。但從危害的方式來(lái)看，與前者有所不同，主要是不是雷擊時(shí)，雷電流通過(guò)載流導(dǎo)體產(chǎn)生電動(dòng)力的破壞作用，下面將討論雷電流的電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及其破壞作用。第21頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日由電磁學(xué)可知，在載流導(dǎo)體周?chē)目臻g存在著磁場(chǎng)，而在磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體又會(huì)受到電磁力的作用。圖3.5給出兩根載有相同方向雷電流的長(zhǎng)直導(dǎo)體，導(dǎo)體A上的電流在其周?chē)臻g產(chǎn)生磁場(chǎng)，而導(dǎo)體B在這一磁場(chǎng)中將受到一個(gè)電磁力的作用（，其方向垂直指向?qū)wA。同樣，導(dǎo)體B上的電流也會(huì)在其周?chē)臻g產(chǎn)生磁場(chǎng)，得處在該磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體A也受到一個(gè)電磁力的作用,其方向垂直指向?qū)wB。于是，在這兩根平行載流導(dǎo)體之間就存在著電磁力的相互作用，這種作用力稱(chēng)為電動(dòng)力。圖3.5兩根平行導(dǎo)體之間的電動(dòng)力作用

第22頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日按安培定律，不難推導(dǎo)出圖3.5所示兩根長(zhǎng)直平行載流導(dǎo)體之間的電動(dòng)（3.4）

力計(jì)算公式：圖3.5兩根平行導(dǎo)體之間的電動(dòng)力作用間的電動(dòng)力作用式中i1、i2—兩根平行導(dǎo)體上的電流。kA；d—導(dǎo)體之間的距離，m；F—單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的電動(dòng)力，kg/m。第23頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日由圖3.5可見(jiàn)，在電動(dòng)力作用下，兩根導(dǎo)體之間將相互吸引，有靠攏的趨勢(shì)。同理，如果i1與i2反向，則兩根導(dǎo)體在電動(dòng)力的作用下就會(huì)相互排斥，有分離的趨勢(shì)。因此，在雷電流的作用下，載流導(dǎo)體就有可能會(huì)變形，甚至?xí)徽蹟?。?4頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.6載有雷電流的彎曲導(dǎo)體受力示意

圖3.7引下線的走線方式（a）正確（b）不正確第25頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日另外，對(duì)于同一根載有雷電流的彎曲導(dǎo)體或金屬個(gè)構(gòu)件，如圖3.6所示，其中AP段的電流i所產(chǎn)生的磁場(chǎng)可使PB段受到電動(dòng)力的作用，同樣PB段電流i所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也會(huì)使AP段受到電動(dòng)力的作用，當(dāng)這種電動(dòng)力足夠大時(shí)，就可能會(huì)使導(dǎo)體或構(gòu)件受到破壞。由安培定律可知，凡含有拐彎部分的載流導(dǎo)體或金屬構(gòu)件，其拐彎部分都將受到電動(dòng)力的作用，拐彎處的夾角越小，受到的電動(dòng)的作用，拐彎處的夾角越小，受到的電動(dòng)力就越大。所以當(dāng)拐彎夾角為銳角時(shí)，所受到的電動(dòng)力相對(duì)較大；而當(dāng)拐彎處的夾角為鈍角時(shí)，所受到的電動(dòng)力相對(duì)較小。第26頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日因此，在防雷設(shè)計(jì)與施工中，避雷引下線的走線方式應(yīng)盡可能走直線路徑，在必須拐彎的情況下，應(yīng)采取鈍角并帶圓弧向下走線，而應(yīng)避免采用銳角或繞直角向下走線，如圖3.7所示。當(dāng)避雷引下線非要走銳角路徑不可時(shí)，應(yīng)在線路的銳角拐彎處采取牢固的機(jī)械固定措施，以防被電動(dòng)力拉動(dòng)。第27頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.8是一飛機(jī)被雷擊壞的例子。第28頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3．雷擊產(chǎn)生的內(nèi)壓力和沖擊波效應(yīng)及其危害雷電的機(jī)械效應(yīng)所產(chǎn)生的破壞作用主要表現(xiàn)為兩種形式：一是雷電流注入樹(shù)木或建筑構(gòu)件時(shí)在它們內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)壓力；二是雷電流的沖擊波效應(yīng)。在雷云對(duì)地放電時(shí)，這兩種效應(yīng)亦能對(duì)地面被擊物體造成嚴(yán)重?fù)p害。第29頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（1）雷擊產(chǎn)生的內(nèi)壓力及其危害在被擊物體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)壓力是雷電流機(jī)械效應(yīng)破壞作用的一種表現(xiàn)形式。由于雷電流幅值很高，且作用時(shí)間又很短，當(dāng)雷擊于樹(shù)木或建筑構(gòu)件時(shí)，在它們的內(nèi)部將瞬時(shí)地產(chǎn)生大量熱量。在短時(shí)間內(nèi)熱量來(lái)不及散發(fā)出去，以致使這些內(nèi)部的水分被大量蒸發(fā)成水蒸氣，并迅速膨脹，產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力。這種內(nèi)壓力是一種爆炸力，能夠使被擊樹(shù)木劈裂和使建筑構(gòu)件崩塌。有關(guān)這類(lèi)現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外均時(shí)有報(bào)道。第30頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.9a，b，是最近（2005年7月）在江蘇揚(yáng)州市石塔附近文昌中路拍攝的兩長(zhǎng)照片，據(jù)揚(yáng)州老人介紹，路中間綠化帶中的一棵百年古銀杏樹(shù)是在抗日戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期被雷擊，從地面起樹(shù)身被雷擊為兩半，但沒(méi)有引起燃燒，顯然這是雷擊產(chǎn)生的內(nèi)壓力對(duì)這棵古樹(shù)的損害，圖3.9a被雷擊劈裂樹(shù)的全貌，圖3.9b被雷擊裂樹(shù)的一半，這棵古樹(shù)至今還活著，成為美化環(huán)境、供人們觀賞一個(gè)景觀。第31頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.9a被雷擊劈裂樹(shù)的全貌

圖3.9b被雷擊裂樹(shù)的一半，這棵古樹(shù)至今還活著，成為美化環(huán)境、供人們觀賞一個(gè)景觀。

第32頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.10是另外為兩棵樹(shù)被雷擊劈裂和折斷的典型實(shí)例。第33頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（2）雷擊產(chǎn)生的沖擊波效應(yīng)及其危害雷云對(duì)地放電過(guò)程中的回?fù)綦A段，放電通道中既有強(qiáng)烈的空氣游離又有強(qiáng)烈的異性電荷中和，通道中瞬時(shí)溫度非常高，這使得通道周?chē)目諝饧眲∨蛎?，以超聲波速度向四周擴(kuò)散，從而形成沖擊波。同時(shí)，通道外圍附近的冷空氣被嚴(yán)重壓縮，在沖擊波波前到達(dá)的地方，空氣的密度、氣壓和溫度都會(huì)突然增大，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，這種沖擊波與爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波是類(lèi)似的，可以使其附近的建筑物、人、畜受到破壞或傷害。沖擊波向外傳播的速度遠(yuǎn)大于聲速，但很快就會(huì)衰減，轉(zhuǎn)化為聲波，于是人們就能夠聽(tīng)到雷鳴聲。沖擊波的強(qiáng)度與回?fù)魰r(shí)雷電流的大小有關(guān)，其破壞作用與波陣面氣壓和環(huán)境大氣壓有關(guān)。第34頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.11建筑物的崩塌第35頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)雷電波侵入

一、直接雷擊過(guò)電壓直接雷擊放電電流可達(dá)幾十至幾百千安，由于被擊物與大地之間都有一定的電阻，雷電電流通過(guò)被擊物泄入大地時(shí)，必然在這個(gè)電阻上產(chǎn)生極大的電壓降，這種因直接雷擊而在物體上產(chǎn)生電壓升高的現(xiàn)象就被稱(chēng)為直接雷擊過(guò)電壓。

第36頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、雷電直接襲擊架空線路的方式電氣設(shè)備遭雷擊主要是通過(guò)架空電力線路或通信線路傳入的，因而架空線路是雷電侵入的重要渠道，雷電直接襲擊架空線路主要有三種方式，即：遠(yuǎn)點(diǎn)雷擊、近點(diǎn)雷擊和錯(cuò)相位雷擊第37頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.遠(yuǎn)點(diǎn)雷擊由于我國(guó)的電壓基本波形是每秒50Hz的正弦波形曲線，在電力線上形成每秒50次的交變磁場(chǎng)。如遇到雷雨天氣時(shí)，在雷電未擊穿大氣時(shí)，將呈現(xiàn)出高壓電場(chǎng)形式。根據(jù)電學(xué)基本原理，磁場(chǎng)與電場(chǎng)之間是相互共存可逆變化的，那么，雷電高壓電場(chǎng)通過(guò)靜電吸收原理，向大地方向運(yùn)動(dòng)。假設(shè)電力線桿有5米高，那么在相對(duì)濕度25%時(shí)，要擊穿5米空氣，需要15×106V雷擊高壓（3000V/mm）。如果在相對(duì)濕度95%（下雨時(shí)），擊穿5米空氣需要5×106V雷擊高壓（1000V/mm）。電力線上的交變磁場(chǎng)對(duì)雷云的吸引小于大地的靜電吸引。如果，雷云擊穿5米空氣入地，需要很高的電壓，雷電首先擊在電力線上，并從電力線的負(fù)載保護(hù)地線入地釋放，這樣就擊穿了設(shè)備。第38頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.近點(diǎn)雷擊所謂近點(diǎn)雷擊，實(shí)際上是雷電襲擊建筑物避雷針，從而引起的雷電電磁脈沖的問(wèn)題。雷電打在建筑物避雷裝置上，由于避雷針與引下線的電感的作用，最多只能將50%的電流引入大地（IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）1312定義），余下的電流將通過(guò)電力線屏蔽槽、水管、暖氣管、金屬門(mén)窗等與地面有連接接的金屬物質(zhì)聯(lián)合引雷，但也只引下少部分雷電流，余下總電流的25%流竄至建筑物內(nèi)的UPS輸入輸出的電源線、局域網(wǎng)線等，擊穿小型機(jī)和局域網(wǎng)端，最終由邏輯地線處下泄入大地。對(duì)設(shè)備而言，部分雷電流將由UPS的輸入電源線對(duì)機(jī)房保護(hù)地線進(jìn)行L－PE、N－PE泄放，UPS輸出L－PE`（邏輯地）、N－PE`泄放,小型機(jī)L－PE`泄放，局域網(wǎng)線對(duì)邏輯地線等進(jìn)行泄放，最終結(jié)果，將擊穿UPS輸出對(duì)地線和輸入對(duì)地線端、小型機(jī)電源對(duì)邏輯地線、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線對(duì)邏輯地線。第39頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.錯(cuò)相位雷擊一個(gè)高能量的雷擊在一條架空線上，一個(gè)低能量的雷擊在另一條架空線上，線線之間產(chǎn)生一個(gè)壓差，從而侵入設(shè)備造成雷電的二次雷擊稱(chēng)錯(cuò)位雷擊。第40頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)雷擊電磁脈沖的危害一．雷電的靜電感應(yīng)及其危害雷電的靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)作用屬于雷電的間接破壞作用。由雷電的靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓比以上所述的直接破壞作用具有更大的危害范圍，它能夠損壞建筑物內(nèi)的信息系統(tǒng)和電氣設(shè)備，甚至造成人員傷亡，因此，在防雷設(shè)計(jì)中，一直受到關(guān)注。第41頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1．在有金屬頂建筑物上的靜電感應(yīng)在建筑物頂部金屬體上的靜電感應(yīng)城鎮(zhèn)的建筑物區(qū)域，?？梢砸?jiàn)到一些頂部大面積金屬體的建筑物，例如半球形銅殼裝飾成的圓頂樓，用銅材或鐵皮包裝屋頂?shù)慕ㄖ?。?dāng)這種建筑物上空有雷云生成并向下發(fā)展下行先導(dǎo)時(shí)，由于雷云和先導(dǎo)通道中電荷的感應(yīng)作用，在建筑物頂部的金屬體上將出現(xiàn)反極性的感應(yīng)電荷，如圖3.12所示。在該圖中示出的是常見(jiàn)的負(fù)雷云對(duì)地放電，雷云及下行先導(dǎo)通道中的電荷為負(fù)，而在建筑物金屬屋頂上感應(yīng)出的電荷為正。這些感應(yīng)正電荷在屋頂上的聚集速度取決于先導(dǎo)發(fā)展的速度，因?yàn)橄葘?dǎo)發(fā)展的速度約比回?fù)羲俣刃?00倍，所以在先導(dǎo)發(fā)展階段，金屬屋頂上有足夠的時(shí)間來(lái)聚集大量正電荷。圖3.11金屬屋頂上的靜電感應(yīng)第42頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日這些正電荷受到先導(dǎo)通道中負(fù)電荷的束縛，不能自由運(yùn)動(dòng)。當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展到附近地面時(shí)，回?fù)暨^(guò)程便開(kāi)始，先導(dǎo)通道中攜帶的負(fù)電荷將被地面上的正電荷自上而下地迅速中和，伴隨著負(fù)電荷的消失，金屬屋頂上的正電荷將失去束縛，變?yōu)樽杂呻姾桑捎谖蓓斀饘袤w與地之間的電荷流散路徑上存在著數(shù)值可觀的電阻，這些被釋放的正電荷不能以與回?fù)舭l(fā)展同樣的速度來(lái)消散。第43頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日在回?fù)艉蟮亩虝r(shí)間內(nèi)，可以近似認(rèn)為金屬體上仍有大量正電荷存在，于是金屬體與地之間將構(gòu)成一個(gè)電容器，金屬體對(duì)地將具有一個(gè)高電位，它可用下式來(lái)表示：（3.5）

式中—金屬體電位；Q—金屬體上的電荷；C—金屬體對(duì)地電容。

上式中的實(shí)際是金屬體上感應(yīng)電壓的最大值。隨后，金屬體上正電荷將通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)中的路徑向地流散，設(shè)該流散路徑的電阻為R，這種電荷流散過(guò)程本質(zhì)上是一個(gè)一階RC電路的零輸入響應(yīng)過(guò)程，因此建筑物金屬屋頂?shù)膶?duì)地電壓u將按以下規(guī)律變化：（3.6）第44頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日如果建筑物金屬屋頂或頂部金屬對(duì)地絕緣，則在靜電感應(yīng)所引起的高電壓作用下，金屬體對(duì)其下方的某些接地物體將會(huì)造成火花放電，導(dǎo)致設(shè)備和人員的損壞和傷亡，還可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)。如果頂部金屬體的接地引下線在某個(gè)部位斷開(kāi)或電阻過(guò)大，則在這些部位也將出現(xiàn)高電壓，造成局部火花放電，危及建筑物內(nèi)設(shè)備與人員的安全。很明顯，要減小雷電靜電感應(yīng)的危害程度，就必須設(shè)法減少在建筑物頂部金屬體上的感應(yīng)電荷，這就需要將金屬體良好地接地，以盡可能快地將感應(yīng)電荷泄放入地。第45頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.在架空線路上的靜電感應(yīng)在各種架空線路上，同樣會(huì)因雷云對(duì)地放電而產(chǎn)生靜電感應(yīng)電荷?，F(xiàn)仍以常見(jiàn)的負(fù)雷云對(duì)地放電為例，來(lái)說(shuō)明架空線路上感應(yīng)電荷和高電壓的產(chǎn)生機(jī)理。圖3.12架空線上感應(yīng)過(guò)電壓的形成（a）回?fù)羟埃╞）回?fù)艉蟮?6頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日如圖3.12（a）所示，當(dāng)雷云下行負(fù)先導(dǎo)向地面發(fā)展時(shí)，先導(dǎo)通道攜帶的負(fù)電荷將在最靠近其前端的一段導(dǎo)線上感應(yīng)出正電荷，在先導(dǎo)尚未到達(dá)地面，即回?fù)羯形窗l(fā)生時(shí)，這些正電荷將受到先導(dǎo)通道中負(fù)電荷的束縛，成為不能自由運(yùn)動(dòng)的束縛電荷。圖3.12架空線上感應(yīng)過(guò)電壓的形成（a）回?fù)羟埃╞）回?fù)艉蟮?7頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日而此時(shí)導(dǎo)線上與正束縛電荷相應(yīng)的負(fù)電荷則被排斥向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)線路的泄漏電導(dǎo)和電網(wǎng)的中性點(diǎn)進(jìn)入大地。先導(dǎo)到達(dá)地面時(shí)，回?fù)艟桶l(fā)生，如圖3.12（b）所示，原先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷被迅速中和，這就消除了對(duì)導(dǎo)線上正電荷的束縛，這些失去束縛的正電荷將向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，形成過(guò)電壓波，其波速接近于光速。由于回?fù)舻钠骄俣群芸欤瑢?dǎo)線上正電荷被釋放的時(shí)間也很短，所以過(guò)電壓波的幅值是很高的。第48頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日實(shí)際上，在回?fù)暨^(guò)程中，伴隨著回?fù)綦娏鞯某霈F(xiàn)，該電流所產(chǎn)生的暫態(tài)脈沖磁場(chǎng)將部分地交鏈于由導(dǎo)線、桿塔和大地構(gòu)成的回路，在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，但由于回?fù)敉ǖ涝诳臻g上近似與導(dǎo)線垂直，兩者之間的互感很小，這種磁場(chǎng)感應(yīng)電壓遠(yuǎn)比靜電感應(yīng)電壓小，因此在總的過(guò)電壓中，靜電感應(yīng)分量占主要地位。在工程上，過(guò)電壓的幅值可按下式來(lái)估算：第49頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（3.7）上式中的具有電阻量綱，與回?fù)羲俣汝P(guān)系不大。感應(yīng)過(guò)電壓波向?qū)Ь€兩側(cè)傳播，當(dāng)它沿線路進(jìn)入建筑物內(nèi)時(shí)，將會(huì)對(duì)建筑物內(nèi)的信息系統(tǒng)和電氣設(shè)備造成損壞。這種沿線路進(jìn)入建筑物內(nèi)的感應(yīng)過(guò)電壓波常稱(chēng)為雷電侵入波，它是一種典型的雷電暫態(tài)過(guò)電壓，對(duì)信息系統(tǒng)中的電子和微電子設(shè)備極具危害性，在防雷設(shè)計(jì)中需要采取專(zhuān)門(mén)的措施加以防護(hù)。第50頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3．雷電的電磁感應(yīng)及其危害雷電通道和防雷保護(hù)系統(tǒng)的導(dǎo)線上的雷電流，在接地系統(tǒng)的沖擊接地電阻上產(chǎn)生電壓降，同時(shí)也會(huì)在建筑物內(nèi)部導(dǎo)線形成的環(huán)路感應(yīng)出浪涌電壓和電流。特別是由于雷擊的磁干擾輻射，周?chē)鷧^(qū)域的雷擊在設(shè)備環(huán)路上感應(yīng)出浪涌電壓和電流。如果雷擊架空電線時(shí)，在電源進(jìn)線上就有傳導(dǎo)的出浪涌電壓和電流（與上一節(jié)陳述的雷云在架空導(dǎo)線上的靜電感應(yīng)有區(qū)別，但不論那種形式在架空電線上感應(yīng)出浪涌電壓和電流，其傳導(dǎo)形式是相同的）。由于電磁干擾的輻射，云間閃電在電力線和其他大范圍的導(dǎo)線系統(tǒng)上也會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)的浪涌電壓和電流。第51頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日根據(jù)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB5700-94估算，雷擊時(shí)，全部雷電流的50%流入建筑物的接地系統(tǒng)，另外50%（ia）分配于引入建筑物的各種外來(lái)導(dǎo)電物、電力線、通信線等設(shè)施。如圖3.13．流入每一設(shè)施的電流i，等于ia/n，n為若上述各導(dǎo)體的個(gè)數(shù)。流經(jīng)無(wú)屏蔽或者沒(méi)有穿圖3.13進(jìn)入建筑物各種設(shè)施之間的雷電流分配金屬管的電纜芯線的電流ib等于ib/m，m為芯線數(shù)。第52頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日在PeterHasse的“低壓系統(tǒng)防雷保護(hù)”中提到了各外部導(dǎo)體和導(dǎo)線分擔(dān)的雷電流ii取決于外部導(dǎo)體和導(dǎo)線的數(shù)量、其等效接地電阻和接地系統(tǒng)的等效接地電阻。即（3.8）

式中Z為接地系統(tǒng)的等效接地電阻；Zi為外部導(dǎo)體和導(dǎo)線的等效接地電阻；n為外部導(dǎo)體和導(dǎo)線的總數(shù)；I為按保護(hù)等級(jí)確定的雷電流。第53頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日雷擊防雷系統(tǒng)雖然有分流，在每一分支導(dǎo)體或?qū)Ь€上雷電流減小了。但雷電流具有很大的幅值和波頭上升陡度，能在所流過(guò)的路徑周?chē)a(chǎn)生很強(qiáng)的暫態(tài)脈沖磁場(chǎng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這種快速變化的脈沖磁場(chǎng)交鏈導(dǎo)體回路時(shí)，能在回路中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生過(guò)電壓和過(guò)電流。在現(xiàn)代建筑物內(nèi)，通常布置和鋪設(shè)著各種電源線、信號(hào)線和金屬管道（如供水管、供熱管和供氣管等），這些線路和管道常常會(huì)在建筑物內(nèi)的不同空間構(gòu)成導(dǎo)體回路或回環(huán)，如圖3.14a中陰影部分所示。第54頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.14感應(yīng)回路所端接的電子設(shè)備損壞示意圖（a）金屬管形成的回路（b）天饋線形成的回路第55頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日脈沖磁場(chǎng)在回路中感應(yīng)出電壓大小與回路尺寸、雷電流波頭陡度以及回路與載流導(dǎo)體之間的距離有關(guān)，載流導(dǎo)體產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)對(duì)其附近回路的電磁感應(yīng)作用可用兩者之間的互感系數(shù)來(lái)表征，借助于互感系數(shù)，回路中的

（3-9）感應(yīng)電壓可表示為式中u1—回路感應(yīng)電壓，V；M—互感系數(shù)，H；ic—分支導(dǎo)體上流過(guò)的雷電流，A。第56頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.15回路感應(yīng)過(guò)電壓損壞端接電子設(shè)備第57頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日從雷電流波形特征來(lái)看，其波頭部分的變化率遠(yuǎn)大于其波尾部分，所以在考慮雷電流的電磁感應(yīng)危害性時(shí)，一般只考慮（3-10）

雷電流波頭部分的變化率，即波頭陡度，并將取為波頭的平均陡度，于是回路中感應(yīng)電壓的幅值可表示為式中U1—回路感應(yīng)電壓幅值，V；Ic—分支導(dǎo)體上流過(guò)的雷電流幅值，A；f—雷電流波頭時(shí)間，μs。第58頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日在一般情況下，要精確計(jì)算各種空間位置上的回路與載雷電流分支導(dǎo)體之間的互感系數(shù)往往是相當(dāng)困難的，為此在工程上常采用一些近似公式，這里將給出其中兩種在防雷設(shè)計(jì)中較為常用的互感系數(shù)公式。第59頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日對(duì)于圖3.16所示的情況，載流導(dǎo)體為感應(yīng)回路的一部分，當(dāng)、a1，a2?r時(shí)，載流導(dǎo)體與感應(yīng)回路之間的互感系數(shù)為式中M—互感系數(shù)，H；a1，a2—感應(yīng)回路的寬和長(zhǎng)，m；對(duì)于如圖3.16所示的情況，載流導(dǎo)體與感應(yīng)回路分離，兩者之間的互感系數(shù)可近似表示為（3-12）式中a1，a2—感應(yīng)回路的寬和長(zhǎng)，m；a3—載流導(dǎo)體與感應(yīng)回路之間的距離，m。圖3.16載流導(dǎo)體為感應(yīng)回路的一部分第60頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日在近似確定互感系數(shù)后，按式（3.10）即可估算出感應(yīng)回路開(kāi)口處感應(yīng)電壓幅值，再由空氣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度的臨界值就能進(jìn)一步估算出開(kāi)口處不發(fā)生擊穿的最短距離為（3-13）

式中dmin—開(kāi)口處不發(fā)生擊穿的最短距離，m；EL—電感降壓的空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，其值按本章第三節(jié)的式（3.17）確定。圖3.17載流導(dǎo)體與感應(yīng)回路分離第61頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日在上式中，波頭時(shí)間可取為苛刻情況下的數(shù)值0.25μs。即后續(xù)雷擊的雷電流波頭時(shí)間。在實(shí)際場(chǎng)合下，如果回路的開(kāi)口距離小于dmin，則開(kāi)口處的空氣就會(huì)在回路感應(yīng)過(guò)電壓作用下發(fā)生擊穿，出現(xiàn)火花放電，這將可能引燃或引爆附近的易燃易爆品，從而產(chǎn)生災(zāi)害。當(dāng)感應(yīng)回路不開(kāi)口或開(kāi)口被擊穿時(shí)，在感應(yīng)過(guò)電壓作用下，閉合回路中將出現(xiàn)電流。第62頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日對(duì)于圖3.16和圖3.17的兩種情況，假設(shè)此時(shí)開(kāi)口處已閉合，分支載流導(dǎo)體中的電流與閉合回路中的電流之間將滿足以下關(guān)系：（3-14）式中in—閉合感應(yīng)回路中的電流，A；L—回路的自感系數(shù)，H。

上式中，閉合感應(yīng)回路的自感系數(shù)由下式來(lái)計(jì)算（在r?a1、a2情況下）在閉合感應(yīng)回路中出現(xiàn)電流后，如果回路中某個(gè)部位的接觸不良，則可能在此處產(chǎn)生嚴(yán)重的局部發(fā)熱，有可能引發(fā)易燃易爆品的燃燒或爆炸等事故。如果回路中各部分導(dǎo)體接觸良好，則回路中的電阻就小，在感應(yīng)過(guò)電壓作用下就會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流，過(guò)電流的熱效應(yīng)可能會(huì)使回路導(dǎo)體受到被損害。第63頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日4．雷電流在信號(hào)線上的耦合

雷電流產(chǎn)生的暫態(tài)脈沖磁場(chǎng)在建筑物內(nèi)的導(dǎo)體回路中感應(yīng)出過(guò)電壓和過(guò)電流是通過(guò)阻性耦合、感性耦合和容性耦合感應(yīng)出過(guò)電壓和過(guò)電流來(lái)影響設(shè)備。（1）阻性耦合在由雷擊引起的暫態(tài)過(guò)程中，暫態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流常?？梢酝ㄟ^(guò)信號(hào)或電源等線路耦合或轉(zhuǎn)移到電子設(shè)備上，造成電子設(shè)備的損壞。為了說(shuō)明這一情況，先來(lái)看一個(gè)例子，如圖3.18所示。第64頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.18過(guò)電壓阻性耦合轉(zhuǎn)移第65頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日當(dāng)雷擊樓1防雷系統(tǒng)時(shí)，雷電流將流過(guò)樓1的接地電阻Rg1將引起樓1的地電位以及與這個(gè)地相連的設(shè)備1外殼電位抬高，其值可以高達(dá)100Kv，此時(shí)的信號(hào)線尚處于零電位，于是在設(shè)備1外殼與信號(hào)線之間將出現(xiàn)暫態(tài)過(guò)電壓，并會(huì)使這里的絕緣擊穿。擊穿發(fā)生后，信號(hào)線在設(shè)備1端的電位將抬高，這個(gè)電位抬高將沿信號(hào)線傳輸?shù)綐?中的設(shè)備2端，由于設(shè)備2外殼是與樓2接地相連，與設(shè)備1外殼接地分離，因此這時(shí)的設(shè)備2外殼也可視為零電位，則信號(hào)線與設(shè)備2外殼之間也被擊穿。這種通過(guò)線路兩端絕緣依次擊穿來(lái)向電子設(shè)備轉(zhuǎn)移暫態(tài)高電位是一種典型的阻性耦合過(guò)電壓情況。該浪涌電流的幅值（其峰值可能達(dá)到kA）取決與歐姆電阻Rg1和Rg1的相對(duì)值。第66頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（2）感性耦合如前所述，金屬回路通過(guò)雷電流通道或雷電流導(dǎo)線的感應(yīng)場(chǎng)而感應(yīng)過(guò)電壓。分雷電流在多芯電纜中流動(dòng)時(shí)，芯線與電纜的金屬屏蔽層之間產(chǎn)生的電壓稱(chēng)縱向電壓U1，施加在所連接的設(shè)備輸入端與接地外殼的絕緣上。出現(xiàn)在芯線之間的電壓，稱(chēng)橫向電壓U2，給所連接的設(shè)備的輸入電路施壓。如果分雷電流i2已知，那么縱向電壓可根據(jù)電纜的藕合阻抗計(jì)算。下面是幾個(gè)例子。第67頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.19多芯線纜過(guò)電壓感性耦合和轉(zhuǎn)移第68頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日如圖3.19，當(dāng)樓１防雷系統(tǒng)遭受雷擊后，由于分流作用，較大部分雷電流ｉ１將沿樓1的接地體入地，而較小部分雷電流ｉ2則經(jīng)過(guò)設(shè)備1外殼、電纜金屬護(hù)套、設(shè)備2外套和樓2的接地體入地。ｉ2在電纜的金屬護(hù)套上流過(guò)時(shí)，所產(chǎn)生的磁鏈將完全交鏈電纜芯線，于是能夠通過(guò)磁耦合在芯線與金屬護(hù)套（縱向電壓）以及芯線與芯線之間（橫向電壓）產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓。芯線與金屬護(hù)套之間的暫態(tài)過(guò)電壓能夠損壞設(shè)備1和設(shè)備2的輸入和輸出端對(duì)地絕緣，而芯線與芯線之間的暫態(tài)過(guò)電壓則可以損壞設(shè)備1和設(shè)備2的輸入或輸出電路。第69頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日電纜中芯線與金屬護(hù)套之間的暫態(tài)過(guò)電壓峰值可按下式來(lái)計(jì)算：U2m=I2m*Rr式中U2m為過(guò)電壓峰值；I2m為金屬護(hù)套中雷電流的峰值；Rr為金屬護(hù)套與芯線轉(zhuǎn)移電阻，它與護(hù)套的屏蔽性能有關(guān)，一般由試驗(yàn)來(lái)確定。第70頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日耦合過(guò)電壓還會(huì)發(fā)生在地下電纜中。許多通信電纜常埋設(shè)在地下，當(dāng)雷擊與電纜附近的地面時(shí)，在雷擊點(diǎn)與電纜之間將會(huì)產(chǎn)生電弧，電弧又會(huì)燒傷距雷擊點(diǎn)近處的電纜外層絕緣，使部分雷電流從這一絕緣燒傷部位進(jìn)入電纜的金屬護(hù)套層，并向電纜左右兩側(cè)傳輸，如圖3.20（a）所示。第71頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

圖3.20地下電纜中耦合過(guò)電壓第72頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日在金屬護(hù)套中流過(guò)的雷電流一方面可直接在電纜的芯線與護(hù)套及芯線與芯線之間偶合出暫態(tài)過(guò)電壓分量；另一方面，由于護(hù)套自身有電阻，它還會(huì)在沿電纜長(zhǎng)度方向產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)梯度分布，在護(hù)套與土壤之間產(chǎn)生一定的暫態(tài)電位差，如圖3.20（b）所示。當(dāng)沿電纜長(zhǎng)度方向上某一點(diǎn)（如A點(diǎn)）處的金屬護(hù)套與土壤之間的電位差超過(guò)電纜外層絕緣強(qiáng)度時(shí)，外層絕緣就會(huì)被擊穿，在護(hù)套中流動(dòng)的雷電流將從這一點(diǎn)進(jìn)入土壤，并使該點(diǎn)處護(hù)套與土壤等電位。一般地說(shuō)，在電纜的長(zhǎng)度方向上會(huì)出現(xiàn)一系這樣的擊穿點(diǎn)，不斷地將金屬護(hù)套中的雷電流分流進(jìn)土壤，這一暫態(tài)分流過(guò)程將會(huì)在電纜芯線上耦合出另一個(gè)暫態(tài)過(guò)電壓分量，這些暫態(tài)過(guò)電壓分量向電纜兩端傳輸，能夠?qū)㈦娎|兩端連接的電子設(shè)備損壞。第73頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（a）信號(hào)線之間的回路（b）信號(hào)線與地之間的回路圖3.21通信線路的感應(yīng)回路第74頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.21給出了兩個(gè)典型的實(shí)例。在圖3.21（a）中，一對(duì)信號(hào)線連接著兩座建筑物內(nèi)的電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)這兩座建筑物之間的信號(hào)通信。這對(duì)信號(hào)線通過(guò)其兩端所端接的電子設(shè)備輸入或輸出電路構(gòu)成一個(gè)窄長(zhǎng)的回路。當(dāng)建筑物1（或建筑物2）遭受雷擊時(shí)，在其防雷裝置中流過(guò)的雷電流所產(chǎn)生的暫態(tài)脈沖磁場(chǎng)將會(huì)交鏈這一窄長(zhǎng)回路，在回路中感應(yīng)出過(guò)電壓，使電子設(shè)備1和2的輸入或輸出電路受損壞。在圖3.21（b）中，連接兩座建筑物內(nèi)電子設(shè)備的一條信號(hào)線通過(guò)其兩端的接地路徑與大地構(gòu)成一個(gè)窄長(zhǎng)回路，雷擊時(shí)由雷電流產(chǎn)生的暫態(tài)脈沖磁場(chǎng)在該回路中將感應(yīng)出過(guò)電壓，并能將信號(hào)線兩端電子設(shè)備1和2的對(duì)地的絕緣擊穿，在回路中產(chǎn)生過(guò)電流，損壞電子設(shè)備1和2。第75頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日近些年來(lái)，隨著信息處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大量電子設(shè)備正普遍地進(jìn)入各種建筑物內(nèi)，建筑物之間的信息交換與傳遞也日趨增強(qiáng)，這就使得雷電脈沖磁場(chǎng)的危害性變得越來(lái)越嚴(yán)重。

雷電流不僅能產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，而且也能產(chǎn)生脈沖電場(chǎng)，并能以電磁波的形式直接輻射到電子設(shè)備中去，使電子設(shè)備受到干擾或被損壞。第76頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（3）容性耦合

如果雷擊大地或接閃器，由于接地電阻Rg上的電位差，雷電通道或接閃器升至很高電壓（約100kV，與周?chē)啾龋?，如圖3.22所示，設(shè)備1與設(shè)備2之間的信號(hào)線與這種雷電通道或接閃器容性耦合。耦合電容被充電，引起“注入”電流（約10A），通過(guò)設(shè)備1和設(shè)備2的絕緣流入大地。第77頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.22過(guò)電壓阻性耦合轉(zhuǎn)移容性耦合

第78頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第三節(jié)暫態(tài)電位抬高及危害從18世紀(jì)50年代富蘭克林發(fā)明避雷針到20世紀(jì)60年代，在建筑物頂部安裝避雷針、線、帶、網(wǎng)保護(hù)建筑物不受雷擊，是延用了200多年的唯一的雷電防護(hù)技術(shù)。然而，隨著現(xiàn)代化電子科學(xué)的迅速發(fā)展，依據(jù)近30年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)雷電閃擊過(guò)程的研究和雷擊事件造成的災(zāi)害損失的統(tǒng)計(jì)分析，已經(jīng)清楚地表明：在雷電閃擊過(guò)程中，沿著接閃器的引下線和雷電閃擊的通道產(chǎn)生的雷電瞬態(tài)過(guò)電壓也會(huì)通過(guò)電源線、信號(hào)線等線路傳輸和電磁場(chǎng)感應(yīng)等方式嚴(yán)重地危害通信、監(jiān)控、計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化信息系統(tǒng)。因此雷電防護(hù)技術(shù)也隨之由單一的直擊雷的防護(hù)擴(kuò)大為直擊雷和感應(yīng)雷的現(xiàn)代化的綜合防雷技術(shù)。第79頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日由直接雷擊在建筑物防雷裝置中各個(gè)部位上產(chǎn)生的暫態(tài)電位升高現(xiàn)象，對(duì)于建筑物內(nèi)的設(shè)備與人員頗具危害性。暫態(tài)高電位能夠產(chǎn)生很大的暫態(tài)電位差，造成對(duì)設(shè)備的間接雷擊；它也能夠產(chǎn)生過(guò)大的跨步電壓和接觸電壓，對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。在防雷設(shè)計(jì)中，暫態(tài)電位升高一直是一個(gè)倍受重視的問(wèn)題。由于對(duì)暫態(tài)電位升高現(xiàn)象的詳細(xì)分析計(jì)算要涉及到許多較為復(fù)雜的內(nèi)容，本節(jié)從基本機(jī)理上來(lái)討論這一問(wèn)題。第80頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日一．暫態(tài)電位升高與雷電反擊由電路原理可知，暫態(tài)電流流過(guò)電阻與電感串聯(lián)支路時(shí)，將會(huì)在該支路上產(chǎn)生壓降，支路的總壓降中含電阻上壓降分量和電感上壓降分量。在建筑物遭受雷擊時(shí)，雷電流沿防雷裝置中各分支導(dǎo)體流動(dòng)，經(jīng)接地體匯入大地。從工程近似的角度，可以把分支導(dǎo)體看成是具有分布電感和電阻的電路，把接地體等值地看做是集中電阻，即接地電阻。于是雷電流流過(guò)防雷裝置中各分支導(dǎo)體和接地體時(shí)，將會(huì)在分支導(dǎo)體的電感、電阻和接地電阻上產(chǎn)生壓降，使防雷裝置中各個(gè)部位的對(duì)地電位都有不同程度的升高。由于雷電流持續(xù)時(shí)間很短，這種電位升高現(xiàn)象所持續(xù)的時(shí)間也很短，所以稱(chēng)為暫態(tài)電位升高。第81頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日為了便于分析防雷裝置中的暫態(tài)電位升高現(xiàn)象，先來(lái)介紹一下建筑物防雷裝置的基本結(jié)構(gòu)。一般地說(shuō)，防雷裝置包括三個(gè)基本環(huán)節(jié)，即接閃器、引下線和接地體，如圖3.23所示。接閃器是受雷環(huán)節(jié)，用于在發(fā)生雷擊時(shí)直接接受雷電流，常用作接閃器的有避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)、避雷帶以及具有足夠厚度的金屬屋面等。引下線是引導(dǎo)雷電流的環(huán)節(jié)、將雷電流從接閃器引導(dǎo)（分流）到接地體，它常敷設(shè)在建筑物墻壁上或設(shè)置在建筑體內(nèi)。接地體是泄散雷電流的環(huán)節(jié)，它埋在地下的土壤中或設(shè)置在混凝土基礎(chǔ)中，把引下線導(dǎo)入的雷電流散進(jìn)大地，常見(jiàn)的接地體有接地線、接地棒和基礎(chǔ)接地網(wǎng)等。圖3.23建筑物防雷裝置結(jié)構(gòu)示意第82頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.24繪出了一座建筑物的簡(jiǎn)單防雷裝置，當(dāng)接閃器受雷接閃時(shí)，雷電流將沿接閃器注入防雷裝置，并經(jīng)引下線和接地體匯入大地。在此雷電流的傳輸過(guò)程中，防雷裝置中任意一點(diǎn)A處的暫態(tài)電位可表示為式中UA—A點(diǎn)對(duì)真實(shí)地的暫態(tài)電位，kV；di/dt—雷電流波頭時(shí)間變化率，kA/μs；i—雷電流，kA；

Rg—接地體的沖擊接地電阻，Ω；L0—引下線單位長(zhǎng)度電感，μH/mh—A點(diǎn)到接地體的長(zhǎng)度，m。第83頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日由上式可知，防雷裝置中任意一點(diǎn)暫態(tài)電位的幅值取決于由雷電流幅值與沖擊接地電阻所決定的電阻壓降和由雷電流波頭陡度與引下線電感所決定的電感壓降。研究表明，電阻壓降和電感壓降使空氣擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度是有差異的，電阻壓降的空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)可近似取為500kV/m。而電感壓降的空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)E則與雷電流的波頭時(shí)間有關(guān)，它們之間的關(guān)系為（3.16）

式中EL—電感壓降的空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，kV/m；f—雷電流波頭時(shí)間，μS。第84頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日防雷裝置暫態(tài)電位升高使得它的各個(gè)部位與周?chē)还驳氐慕饘袤w之間出現(xiàn)暫態(tài)電位差。例如在圖3.25中，引下線附近有一條金屬管道，該管道不與防雷裝置的接地體連接，當(dāng)建筑物遭受雷擊時(shí)，引下線上A點(diǎn)與管道上的B點(diǎn)之間將出現(xiàn)暫態(tài)電位差UAB。在UAB作用下，如果A、B兩點(diǎn)之間的間隙距離d滿足下式，則引下線與金屬管道之間的空氣間隙將被擊穿，使管道也帶上高電位。像這樣由暫態(tài)電位升高使防雷裝置中的某些部位與周?chē)饘袤w之間發(fā)生空氣間隙擊穿的現(xiàn)象稱(chēng)為雷電反擊。在發(fā)生反擊后，被反擊的金屬體帶上高電位，它又有可能繼續(xù)對(duì)其周?chē)钠渌饘袤w反擊，從而可能引發(fā)多個(gè)金屬體之間的一系列反擊，導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備損壞和人員傷亡。圖3.25防雷裝置中的暫態(tài)電位抬高第85頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日在許多情況下，暫態(tài)高電位還可以從雷擊處通過(guò)一定的渠道傳遞到較遠(yuǎn)的地方去，在那里再引起反擊，損壞設(shè)備。如圖3.26所示。在該圖中，兩座建筑物的接地通過(guò)金屬管道相連，當(dāng)其中一座建筑物遭受雷擊后，雷電流在該建筑物的接地體接地電阻上將產(chǎn)生暫態(tài)壓降，并使該建筑物內(nèi)接地母線的暫態(tài)電位升高。由于金屬管道與該接地母線相連，它也將帶上高電位于是它將作為傳遞渠道將高電位傳遞到另一座建筑物內(nèi)，使得該處的接地母線（與金屬管道相連）也帶上高電位，導(dǎo)致與接地母線相連的線路很容易對(duì)其鄰近的電源線或通信線發(fā)生反擊，造成用電設(shè)備和通信設(shè)備的損壞。圖3.26暫態(tài)高電位的傳遞第86頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日暫態(tài)電位的抬高往往也會(huì)對(duì)一些進(jìn)出屏蔽室的電源線或信號(hào)線發(fā)生反擊，如圖3.27所示。在該圖中，出于抗電磁干擾的目的，將某些重要電子設(shè)備安置在由致密金屬網(wǎng)編制的封閉的屏蔽室法拉第籠）內(nèi)，屏蔽室與建筑物接地系統(tǒng)可靠連接，為了讓室內(nèi)電子設(shè)備信號(hào)線與遠(yuǎn)處電子設(shè)備進(jìn)行信號(hào)傳輸，在屏蔽體上開(kāi)出小孔，供信號(hào)線進(jìn)出。在發(fā)生直接雷擊時(shí)，雷電流流過(guò)屏蔽室接地連線的寄生電感和接地電阻后，將產(chǎn)生很高的暫態(tài)壓降，使屏蔽室的暫態(tài)電位被抬高，而來(lái)自遠(yuǎn)處的信號(hào)線此時(shí)尚處于零電位，則在小孔處，屏蔽體與信號(hào)線之間將出現(xiàn)很高的電位差，這種電位差是流過(guò)沖擊接地電阻和屏蔽體的雷電流造成的。常規(guī)測(cè)量線和傳遞信息的信號(hào)線僅能耐受數(shù)百伏的沖擊電壓，這一高電壓很容易將兩者間氣隙擊穿，使信號(hào)線上也帶上高電位，該電位將會(huì)直接損壞室內(nèi)的電子設(shè)備，它也將沿信號(hào)線傳輸?shù)竭h(yuǎn)處線路終端，侵害終端處的電子設(shè)備。第87頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日?qǐng)D3.27屏蔽室開(kāi)孔處的反擊第88頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、跨步電壓與接觸電壓

暫態(tài)電位升高不僅對(duì)信息系統(tǒng)和電氣設(shè)備造成危害，而且也能對(duì)人身安全造成威脅。在發(fā)生雷擊時(shí)，雷電流經(jīng)接地體散入大地，將在周?chē)寥乐挟a(chǎn)生電壓降，使附近地面上不同地點(diǎn)之間出現(xiàn)電位差。如果人站在這塊具有不均勻電位分布的地面上，則在人的兩腳之間就存在著一定的電壓，如圖3.28所示。在工程上，常將人跨一步的步長(zhǎng)取為0.8m,并把把這一距離兩端的電位差稱(chēng)為跨步電壓。跨步電壓的大小直接關(guān)系到地面上行走人員的安全，是防雷圖3.28跨步電壓與接觸電壓第89頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日與接地設(shè)計(jì)中必須要考慮的一個(gè)重要安全指標(biāo)。它與多種因素有關(guān)，如接地體深度、土壤結(jié)構(gòu)、土壤電阻率、雷電流幅值與波頭陡度等。在土壤電阻率小的地方，接地體周?chē)臅簯B(tài)電位分布曲線比較平滑，?？绮诫妷狠^小，而在土壤電阻率大的地方，接地體周?chē)臅簯B(tài)電位分布曲線比較陡翹，跨步電壓較大。由圖3.28還可看到，越靠近接地體的地方,跨步電壓越大，當(dāng)跨步電壓超過(guò)允許值時(shí)，就會(huì)造成人員傷亡。第90頁(yè)，共102頁(yè)，2023年，2月20日，星期日暫態(tài)電位升高不僅會(huì)通過(guò)跨步電壓來(lái)威脅人身安全，而且還會(huì)通過(guò)人體接觸防雷裝置或與其相連的金屬體