信号综合防雷系统

建筑物、附近的避雷针遭受雷击或雷电直接击中附近树或地面时，
4.3.3侵入电气电子系统设备的雷电电磁脉 冲强度
1) 输电线上的雷电浪涌 （大线路） 日本国家电力公司实测经输电线传到变电站的电压 大部分小于100kV，最高400 kV，波形较缓，波前 宽度20μs～30μs，波尾宽度50μs～500μs。 美国标准IEEEC62.41：2002的附录A 介绍，在美国， 幅值为100 kA的直接雷击占全部直击雷的5%，建筑 物遭100 kA直击雷的 概率是400年一次，而输电线 路每一铁塔受幅值为100 kA的直接雷击的概率是 8000年一次，雷电流在三相线的每一相线上分配的 电流即使不计线路衰耗，最大也不过30 kA。
3 ）屏蔽
• 防雷电磁屏蔽是指导体的外壳对它的内部起 到“保护”作用，使它的内部不受外部电场、 磁场的影响。实际上是对两个空间区域之间 进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁 波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。 • 用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或 整个系统的干扰源包围起来，防止它的干扰 电磁场向外扩散同时用屏蔽体将接收电路、 设备或系统包围起来，防止它们受到外界电 磁场的影响
感应雷电压波形
3）纵向过电压和横向过电压的概念
共模信号是大小相等，方向相同的信号。 差模信号是大小相等，方向相反的信号。 共模信号，在电路中没有回流，以分布电容共 同作用于大地， 信号相位相同。 差模信号，在电路中有回流。 如果说两根线上存在差模信号，那么信号是以X轴对称的，通 俗的说，两根导线 上的差模信号矢量和为零，共模的矢量和增加。
电源线在远端遭直接或感应雷击，沿线路进入设备（S3、S4 ）； 通信线在远端遭直接或感应雷击，沿线路进入设备（ S3 、S4 ） 网络数据线在远端遭受直接或感应雷击，沿线路进入设备（ S3、 S4） ；
雷击发生在1000米范围内时（包括临近建筑物避雷针接闪或云中
放电）产生电磁辐射（S2） a.建筑物内的电源回路感应雷击电磁脉冲辐射，进入设备； b.建筑物内的通信线路感应雷击电磁脉冲辐射，进入设备； c.建筑物内的网络线路感应雷击电磁脉冲辐射，进入设备； 由地线引入设备（S2） 。
3）场和路的概念
场：电磁场辐射，雷电电磁冲可以在建筑建 物内的电气电 子设备上感应出浪涌。 雷电电磁脉冲也可以在进入建筑物的各 种线路上感应出浪涌，经线路传导到设 备。因此，远方落雷的雷电电磁脉冲也 可进入设备造成设备损坏、 路：称远方落雷经由线路传导到设备的雷浪 涌为传导雷。由线路端口进入。
• 简而言之，途径无外乎“场”和“路”。“场”指 的是电气电子设备系统处于雷电电磁场内，使系统 出现感应过电压。“路” 指的是和电气电子系统设 备连接的线路传导外界的雷浪涌。
•
•
2.1.1直击雷的特点
1）放电电压高500kV以上； 2）放电电流大，可达200kA ； 3）放电过程时间短，一次闪电放电时间约 40μs； 4）闪电电流波形波头陡度大，在不到1μs 的时间可达100 kA以上。
4.1.2 雷电电磁脉冲
• 雷电电磁脉冲是因云内、雷云间或雷云大地间放电 时产生的感应过电压过电流影响。由闪电电流诱导 产生，而产生源不限于直击雷（云地闪）一种。它 可以有静电产生静电感应脉冲和电磁感应产生的电 磁感应浪涌。 • 雷电电磁脉冲有以下特点： • 1)雷电感应电压幅值与雷云放电时的电流有关； • 2)与雷击点与或与云间、云内闪电与地面电线路 间相对位置有关； • 3)与直击雷雷击点周围环境如土壤电阻率有关 ；
4） 接地
• 接地是利用大地作为接地电流回路，采 用电气、电子设备与大地之间的低阻抗 电气连接，让已经侵入线路的直击雷雷 电流和雷电电磁脉冲电流顺利地流入大 地迅速泄放，并使地电位不至于有较大 升高。另外一个作用是 它将设备接地处 的电位固定为所允许的值，使该点便于 成为地电位防护的参考零电位。
5 ）分流（保护）
4.3 电气电子设备的防雷原理
• 4.3.1 雷害源 • 国际电工委员会IEC标准认 定的雷害源为： • S1：雷击建筑物 • S2：雷击建筑物的邻近区 域 • S3：雷击进入建筑物的公 共设施 • S4：雷击进入建筑物公共 设施的邻近区域
建筑物内电气电子设备的雷害源
S1：雷击提供业务的建筑物 S2：雷击建筑物的邻近区域 S3：雷击进入建筑物的公共(服务)设施 S4：雷击入户公共(服务)设施的邻近区域
雷云
直击雷电流产 生的电磁感应
雷电击中或避 雷带、避雷网 建筑物内的电子设备
雷电 流产 生的 磁场
数据线
电源线
• 建筑物避雷 针引下线在 有雷电时是 能量最大的 雷害源
接地体
避雷针或避雷带、避雷网引起的电感耦合
直击雷形成的地电位反击
建筑物避雷针 电子设备 外来电源线或通信线 设备工 作（保护）地
避雷器 被保护 设备
接地体
4.2雷电防护的基本原则和基本方法
4.2.1 雷电防护的基本原则 1）雷电防护的思想指导原则 基本原则思想原则：科学、经济和可靠。 科学：遵循雷电的科学规律，深入研究雷 电的机理，认识关于雷电防护的偏差及 识别伪科学。 经济和可靠：能在雷害频繁的地方消除大 部分雷害，或统计上证明可靠。
• 茨城通信研 究所在2km的 CCP-AP电缆 上获得了图 上的感应电 压波形，分 析了感应电 磁场的产生 原因
感应雷电压波形
V（V） V（V）
300
200
300 200 100
100
50 100 150 200 250
t(μs)
50 100 150 200 250
t(μs)
(a)推导出的波形
(b)实测波形
I1 I2 I3 IR R
G
（1）纵向过电压：平衡线路某 点出现的对地过电压，也叫共模 过电压。 （ 2）横向过电压：平衡线路线与 线之间或不平衡线路的线对地之 间出现的过电压（连接电子设备 的同轴电缆，横向过电压就是纵 向过电压），也叫差模过电压。
（3）电缆上被感应的雷过电流
• 平衡电缆上感 应的雷电流以 “一束”电缆 为电位I0，电 缆栏中每一条 线的感应电流 为I0 /n，n为 中芯线条数而 不是“对数”
建筑物内电气电子设备重点不是防直击雷
• 只要直击雷发生，在闪电道周围一定会 感应出电场和磁场，该电磁场内的金属 物体，一定会被感应出感应电流和感应 电压。远方雷击产生的雷电电磁场都会 对电气电子设备造成潜在的威胁，因此 室内的电气电子设备防护的重点是雷电 电磁脉冲瞬态过电压而不是直击雷。
1感应雷电电磁脉冲的形成
第四部分 信号综合防雷系统
4.1直击雷和雷电电磁脉冲
• • 根据雷击过电压进入通信、信号、电力等设备可以 将浸入设备的分为直接雷击和雷电电磁脉冲（二次雷 击）。 4.1.1 直击雷 “直接击在建筑物或其它物体、大地或防雷装置上， 通过它们入地并产生电效应和机械力的闪电”。 破坏性很强。雷电直接击在受害物上，产生电效应、 热效应和机械力，从而对设施或设备造成破坏和人畜 造成伤害。 地球上每年发生数亿次直击雷。直击雷放电电流可达 200kA以上，并 有1MV以上的高电压。雷云放电大 多具有重复放电的性质，一次雷电的全部时间一般不 超过500ms，大约50%的直击雷每次雷击有三四个冲 击，最多能出现几十个冲击。
— — — — — — — — — — —
+ + + + + + + + + + + +
平衡电缆线间没有感应电流
• 对于感应源，平衡电缆中的一对线的线间 距离和电缆对干扰源的距离相比，可以忽 略不计。
l1 =l2
L与l1 、l2
l1
雷电
比较，可 以忽略
电缆中的 一对芯线
L
l2
• 电磁感应在对称电缆上每条线条上感应 的雷电流是相等的，没有横向电流，也 就没有横向电压。只是对地间感应有纵 向电流， 因此有纵向电压。这是为什么 防雷器安装在线与地间。
2）雷电电磁脉冲频谱
• 室内实验模拟波1.5/40µ s、8/20µs、10/700µ s 的90%锋值电流积累值频率分布分别为86kHz、 24kHz、和11 kHz附近。 • 其能量积累值频率分布分别为18kHz、10 kHz、 和3 kHz。
1、雷电波越陡即由零变到锋值的时间越短，它的谐波越丰 富。 2、 雷电能量其实大部分分布在低频段，雷电波在线路上传 播时一定按行波方式前进，因此必然产生延时和衰耗，真正 传到设备时，频率会更低。不同线路上波形不同。 3、雷电直击时的波形比雷电感应时的波形频带宽，主频频 率也高高。
雷电电磁脉冲
雷电磁感应t通 过电缆线路传 导
雷电电磁脉冲 雷电磁场感应
4）雷电电磁脉冲侵入电气电子系统设备 的途径
1、辐射（场）：主要是直接感应到印刷电 路板，经屏蔽后的电路模 块，发生较少； 2、传导（路）：量大，S2、S3、S4都可以形 成由路入侵； 3、地电位反击（路）：量大，有S1、S2后 土壤被击穿，形成等电位 半球，地电位升高，端口 电位低，形成反击。
2 ） 均压
最小化电位差、消弱雷击磁场强度） • 宏观等电位和微观等电位： • 对于等电位体结构中任意两点，由于导体的 冲击电压降是的这两点之间的冲击电位差， 这个电位差也许只有几V或数十V，对人畜 的生命的威胁并不会很大，对电气设备的威 胁也不会很大，所以说从宏观看，这两点是 等电位的。但是，若这两点间与电子设备相 关联，这个微小的电位差可以损坏电子设备 端口，从等电位防护的观点看，“微观”上 就不等电位了。
远方电位为零
箭头方向地电位逐渐降低 直到远方为零电位每一线表示 一等电位面
导电半球 由接地体形状决定的喇叭形地 面电位分布
直击线路后的传导（路）
感应雷电图
直击雷或邻近雷击: 1 击在外部防雷系统，如机房避雷网、架空电缆上等。
1a 1b 2b 2a
浪涌电流在接地电阻Rst上引起电压降。 闭合环路感应产生过电压
1）静电感应形成的雷电电磁脉冲
电荷 q
—
电荷 q=0
—
— —
—
—
— —
+ + + + + + + + + － － － － － － － － － － －
+
+
+
+
+
+
+
+
+
＋ ＋
＋ ＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
2）电磁感应形成的雷电电磁脉冲
EH 水平电磁场
闪
电 道
EV 垂直电 磁场
E 闪电感应 的电磁场
雷闪引起的电产场
2）雷电防护的技术原则 基本技术原则： 泄流（传导雷电流安全接地、释放能量到大 地）、等电位防护 （消除接地回路及电位 差） 防护要点： 直击雷防护、侧击雷防护、雷电磁脉冲防 护 系统防雷由接闪、均压、屏蔽、接地、分 流（保护）构成。
4.2.2 完善的防雷系统
• 1）接闪 • 设置截获雷电流的装置，让在 一定程度范围内出现的闪电放 电不能任意地选择放电通道， 而只能按照人们事先设计的防 雷系统的规定通道，将雷电能 量泄放到大地中去。 截获雷电 流的装置实际就是我们常说的 避雷针、避雷网、避雷带或避 雷线。
• 在一切从室外来的导体（包括电力电源线、 数据线、电话线或天馈线等信号线）与防雷 接地装置或接地线之间并联一种适当的防雷 保安装置SPD，当直击雷或雷电电磁脉冲在 线路上产生的过电压波沿这些导线进入室内 或设备时，防雷保安装置开始工作，其电阻 突然降到近于零的低值，使大部分雷电电流 由此处分流入地。其余的少部雷电电流份沿 导线行进，在进入设备前再次加设防雷保安 装置，一直到雷电流产生的电压对设备部造 成为为威胁为止 。
1
L1 L2 L3 PEN
20 kV
2c 1b
2a
远处雷击: 击在远处架空输送线 缆 雷云之间的放电通过 架空线缆引起感应雷 电波及过电压。 在野外,雷电击中通信 线缆或电缆地面，在 地下电缆中感应出电 压
2b
1a
Rst 信息系统 电源系统
2c
云间放电的感应 （场和路）
场
路
侵入途径小结
直击雷接闪器遭受直接雷击（S1）；
S1
S4
信号机房
空间 感应 引雷
S2
外线引雷
S3 电缆外线引雷
机房内信 号设备
4.3.2雷电电磁脉冲的产生
• 根据直击雷定义，除非遭受球雷，直击 雷无法直击室内设备和地下电缆的。 • 轨边设备暴露在野外，有可能遭受直击 雷，因此室外设备必须装置在能屏蔽雷 电的铁壳中（一是直击雷通过铁壳地线 入地，而是可以屏蔽雷电电磁脉冲） • 室内通信信号和电子设备主要的雷害源 是S2、S3、S4 。
• 1）雷电电磁脉冲形成的“浪涌”
Hale Waihona Puke Baidu
所有雷电浪涌（冲击 波），都由直击雷引起， 直击雷的强大闪电电流 （入地电流）可以诱导 电磁冲击波。将闪电通 道看作是大电流通路， 导线流过电流后在导线周围产生磁场， 则在闪电道周围产生磁 磁场方向与电流方向符合安倍定律。 场。 图中不同方向电流的磁场方向不同
图 53 ：由正向电流引 起的磁场 图 54 ：由反向电流引 起的磁场