信息系统综合防雷培训

雷 击 电 磁 脉 冲
之
静电感应
当空间有带电的雷雨云出现时，雷雨云下的地面及建筑物等都 由于静电感应的作用带上异性电荷。由于从雷雨云的出现到发生所 需要的时间相对于主放电过程的时间要长得多，因此大地可以有充 分的时间积累大量异性电荷。同样，与雷雨云先导通道下端靠近的 电力线、信号线等长导线受到很强的电场力的作用，积聚起大量异 性电荷，这些电荷与先导通道内的电荷之间因有电力线作用而被束 缚住。
先驱放电常常表现为分枝状，这些分枝状的先驱放电通 常只有一条放电分枝到达大地。当先驱放电到达大地， 或与大地放电迎面会合以后，就开始放电阶段，这就是 雷击。
在主放电中雷雨云与大地之间所聚集的大量电荷，通过 先驱放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈的电荷中和， 放出能量，以至发出强力的闪光和震耳的雷鸣。在雷击 中，雷击点有巨大的电流流过。
雷电是脉冲放电现象
雷电流大多数是重复的，通常一次雷电包括3～4次放电。 由于雷雨云非常之大，它各部分密度不完全相同，导电 性能也不一样，所以它所包含的电荷不能一次放完，第 一次放电是由雷雨云最低层发出的，随后放电是从较高 云层、或相邻区发出的。一次放电全部时间可达十分之 几秒。
雷电是雷雨云对地或雷雨云之间剧烈放电现象，它具有 电流的一切效应。大多数雷电流为几十kA ，也有少数 上百kA甚至几百kA ，电流变化率高，一次放电约为 几～几十μs。
三、雷电的分类
空
间
晴天闪电
云内闪电
位
雷云闪电
置
云际闪电 云地闪电
线状闪电（链状）
形
状 带状闪电（球状）
片状闪电（球状）
声
有声闪电
相
对
直击雷
音
无声闪电
建
侧击雷
筑
物 雷击电磁脉冲（LEMP）
四、雷电流特性
雷击的发生、雷电流的大小与许多因素有关，主要 与地理位置、地质条件、季节和气象。
一般平原地区比山地雷电流大，正闪击比负闪击大， 第一次闪击比随后闪击大。
同理： i:雷电流（A），取三类后续雷击雷电流i=25kA。 则在距高杆灯雷击点100处的无屏蔽空间磁场强度H
H=i/(2*π*Sa)=25*103/(2π*100)≈40(A/m)。 磁感应强度B= µ 0H=4π*10-7* 25*103/(2π*100)=0.5GS 若距高杆灯雷击点距离减小一倍，即50米处时，无屏蔽空间磁感 应强度将增加一倍，分别可达4.0GS和1.0GS。 由此可见，无屏蔽空间的磁感应强度将对机电设备具有足够的破 坏力。因此，必须对其采取屏蔽、均压等措施。
浙江虎格电气有限公司
建筑物防雷产品介绍
虎格电气
一、概述 二、雷电形成 三、雷电分类 四、雷电流特性 五、雷电的危害方式 六、雷电的防护措施
一、概述
雷击是自然界强大的脉冲放电现象，它 通过各种途径危害地面物体。
雷电灾害被国际电工委员会（IEC）称 为“电子化时代的一大公害”。
雷击放电的模拟波形
kA
首次雷击
-40
-20
i
两次雷击时间相差几微妙
后续雷击
0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
一个雷击放电的能量效应可以通过10/350us脉冲电流波形来进行模拟。
首
次
G B
雷 击
5的
0雷
0电
5流 7参
|量
9 4
雷电流参数
I幅值（kA） T1波头时间(μ S) T2半值时间(μ S)
当下行的梯式先道接近地面时，产生回击放电，主放电 通道的电荷与地面积聚的大量异性电荷迅速中和而消失。 此时长导线上积聚的电荷就可以自由运动，其产生的高 压沿导线以近于光速向两端传播，这便是感应过电压波， 它是一种脉冲冲击波形式。
雷击电磁脉冲 之电磁感应
由于雷电流有极大峰值和陡度， 在它周围的空间出现瞬变电磁场， 处于这瞬变电磁场之中的导体会 感应出较大的电动势。假如一个 5m*5m的开口金属框，在雷电流 峰值为100kA时，距离雷击点 200M处也可以感应到1KV左右 的电压。微电子设备内一个很小 的开口金属环，在紧靠避雷针引 下线处放置，当雷电流通过引下 线入地时，在小金属环开口处可 感应出高达数KV的高电压，足 以击坏附近的电子元器件。
直击雷危害 之
雷电流 冲击波 的破坏作用
正如前述，雷电通道的温度可高达数千直至数 万度，空气受热急剧膨胀，并以超声速向四周扩散， 其外围附近的空气被强烈压缩，形成“击波"造成 破坏。
直击雷危害 之
雷电流电动力效应 的破坏作用
由物理学可知，在载流导体周围空间存在磁场， 在磁场里的载流导体受到电磁力的作用。根据安培 定律推理可知，凡拐弯的导体或金属构件，在拐弯 部分将受到电动力作用，它们之间的夹角越小，受 到的电动力越大。
雷灾成因
普遍以为只要在建筑物上安装了避雷针、在 设备上安装了避雷器就可高枕无忧了。
微电子技术的发展，使雷电的破坏由主要以 击毁人和物为主，发展到当今的由于雷击电 磁脉冲，以损毁电气、电子设备为主。
雷灾成因
随着电子技术的飞速发展，人类进入了电子时 代, 信息系统普遍应用
电子元件体积越来越小，结构越来越紧凑，功 耗越来越低，工作电压不断降低，而它的耐过 电压、过电流的能力越来越脆弱，其耐受能量 已由从电子管元器件0.1～10J降至集成电路的 10-8 ～ 10-6J，只相当于以前 的千万分之一 。
国外曾作过试验，LEMP感应强度达0.03高斯，计算 机会出现误操作；磁脉冲感应强度达0.75高斯，计算机器 件会出现假性损坏；磁脉冲感应强度达2.4高斯，计算机 器件会出现真正损坏。
雷击电磁脉冲传输途径是多渠道的，大体可分为两类：
一类是空间传输的辐射干扰；另一类是通过各种金属管道 和导体的传导干扰。
雷击概率分析 （符合IEC61024-1）
25 20 15 10
5 0
雷击幅度 [kA],正闪击和负闪击
雷击概率, %
0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100 100-110 110-120 120-130 130-140 140-150 150-160 160-170 170-180 180-190 190-200
云层对地是否发生闪电，取决于云体的电荷量及 对地高度或者说云地间的电场强度。
雷击过程小结
天空带电的雷雨云在电场的作用下，少数带电的云粒 （或水成物）也向地面靠拢，这些微粒的靠拢，叫做先 驱注流，也叫电流先导。
先驱注流的延续将形成电离的微弱导通，这一阶段称为 先驱放电。开始产生的先驱放电是不连续的，是一个一 个脉冲地相继向前发展。其平均速度为105～ 106m/s。 各脉冲间隔约30 ～90µs，每阶段推进约50m。
资料表明，各次雷击闪电电流大小和波形差别很大， 尤其是不同种类放电差别更大。
带负电荷的雷雨云向大地放电为负闪击, 带正电荷 的雷雨云向大地放电为正闪击,雷雨 云对大地放电多为负闪击,其电流峰值以20～ 50kA居多。
通常一次雷电包括3～4次放电，一般是 第一次放电的电流最大，正闪击的电流比负 闪电的电流大，其电流峰值往往在100kA以 上。
QS电荷量(C) W/R单位能量（MJ/Ω ）
防雷建筑物类别 一类 二类 三类
200 150 100
10
10 10
350 350 350
100 75 50
10 5.6 2.5
防雷建筑物类别
首 次
雷电流参数
一类 二类 三类
以
I幅值（kA）
50 37.5 25
后 T1波头时间(μ S) 0.25 0.25 0.25
雷 击 的
T2半值时间(μ S) I/ T1平均陡度 （kA/μ S）
100 200
100 100 150 100
雷
电
流
参
量
长
平均电流 I≈Q1/T
时
防雷建筑物类别
间
雷电流参数 一类 二类 三类
雷
击
Q1电量(C) 200
150
100
的
T时间(S)
0.5 0.5 0.5
雷
电
流
参
量
雷电特性小结
雷击是强大的脉冲放电现象，它具有电的一切特性。 雷电之所以破坏性很强，主要是因为它把雷雨云蕴藏的
能量在短短的几十微秒放出来，从瞬间功率来讲，它是 巨大的。 雷电流总是集中在电阻最小的地方流通。
雷击电磁脉冲的属于高频（10KHZ-几百KHZ）的范围， 所以工频（50HZ）下的参数及定律已经不适用了。由 于许多雷击过电压导致的物理现象的物理量都是电流I 的函数，例如：U=L*di/dt，Q=∫I*L*di/dt（t1-t2）， W=∫I*I*L*di/dt，
五、雷电的危害方式
雷电危害
直击雷
雷击电磁脉冲
电热 机 效效 械 应应 力
静电电 雷 电磁磁 电 感感脉 反 应应冲 击
直 击 雷 危 害
雷电热效应的破坏作用
由于雷电流很大，通过时间又短，被雷击的 物体间将产生大量热量。尽管时间很短，但雷击 通道的温度可高达6000——10000℃，甚至更高， 在雷电流通道上遇到易燃物质，极易引起火灾。
假设一闪电击在收费场站的高杆灯上（高杆灯一般为收费广场， 相对较易遭雷击）。则由其产生的在100 米处无屏蔽空间的磁感 应强度：首次雷击的磁感应强度可达2.0GS，而后续雷击的磁感 应强度可达0.5GS 。
H=i/(2πSa)(A/m) 其中 i:雷电流（A），取三类首次雷击雷电流i=100kA。 Sa：雷击点与无屏蔽空间的距离（m）, 取Sa =100 m。 则在距高杆灯雷击点100处的无屏蔽空间磁场强度H H=i/(2πSa)=100*103/(2π*100)≈159(A/m)。 磁感应强度B= µ0H=4π*10-7* 100*103/(2π*100)=2.0GS
所以在机房内布置设备时，设备应远离建筑物外墙主筋 和引下线放置。装有电子设备金属柜体、通信设备机架、 铝合金门窗、防静电在板、吊顶金属龙骨等应接地良好。
雷击电磁脉冲
雷击电磁脉冲（LEMP）是在三维空间范围里对一切 电子设备发生作用，可以是在闭合的金属回路产生感应电 流；也可以是在不闭合的导体回路产生感应电动势，由于 其迅变时间极短，所以感应电压可以很高，发生空气电离 以致产生电火花。
据德国一家保险公司统计，在德国各种 灾害造成的损害中，雷击造成的损害高 居榜首，占全部灾害损失的33．8％。
雷电灾害统计
过失损失 23%
水灾 6%
火灾 5%
失窃 7%
其他损失 27%
风暴 1%
9000次事故分析
过电压（浪涌） 31%
信息时代雷灾新特点
一、受灾面大大扩大 二、入侵途径从三维空间入侵到任何角落 三、一次雷击可能危害一个较大的区域 四、雷灾的经济损失和危害程度大大增加
正闪电和负闪电
测试表明，大地被雷击时，大多数是负电荷从雷 雨云向大地放电，少数是雷雨云上的正电荷向大 地放电；在一块雷雨云发生的多次雷击中，最后 一次雷击往往是雷雨云上的正电荷向大地放电。
雷雨云上的正电荷向大地放电，即正电荷由云到 地称为正闪电，负电荷向大地放电，即负电荷由 云到地称为负闪电。
二、雷电的形成
雷电是带电的云层之间， 或者是带电的云层对大地之 间迅猛的放电。这种迅猛的 放电过程产生强烈的闪光并 伴随巨大的声音。
雷电与带电的云层存在分不开，人们通常把发生闪电的云称 为雷雨云,其实有几种云都与闪电有关,如层积云、雨层云、积云、 积雨云，最重要的则是积雨云，一般专业书中讲的雷雨云就是指 积雨云。
雷击电磁脉冲是信息系统损坏的主要原因
一位奥地利人对其所在地区自1960年～1992年 间雷击损失保险理赔件数进行统计，发现在这 33年间，该地区因直接雷击造成的事故（火灾、 建筑物破坏等）每年都约为100起左右；而电子 设备的损坏却由1960年的931起上升到1992年 的23768起。
我国一些机构的统计数字也表明，因LEMP作用 是电子设备的直接损失约占雷电灾害总损失的 80%以上，且呈增长趋势。
典型雷雨云中的电荷分布
左端是按理论归 纳的理想模式，右面 是雷云常见的电荷实 际分布（直接观测） H: 相对地面的高度 l: 水平距离 C: 库仑
关于雷雨云的起电机理的假设很多，但至今尚未有一种被公认为无 懈可击的完整学说。
雷击过程：
当天空中有雷雨云 时，因雷雨云带有大 量。的电荷，由于静电 感应作用，雷雨云下 方的地面和地面上的 物体都带上了与雷雨 云相反的电荷。当雷 雨云与地面之间的电 场强度达到一定数值 时，地面上突出的物 体会产生明显地放电 现象。