第一章 防 雷 原 理

雷电是发生在大气层的光、电物理现象，它给人类的生活带来很大影响。雷电造成的灾害自远古以来一直威胁着人类和地球上的一切生物。随着科学技术的发展，现代化微电子技术的广泛应用和大量高科技电子通信设备的使用，特别是计算机网络系统，由于各种设备大量采用集成电路模块和系统分散控制用的CPU单元，这些由微电子器件组成的电路普遍对电网电压的质量要求很高，对雷击电磁脉冲承受能力较弱，使雷电灾害的危害程度加剧，如何避免雷击电磁脉冲的破坏已成为迫切需要解决的问题。

一、雷击的分类

    雷击一般分为直击雷和感应雷击两种形式，分述如下：

直击雷---直击雷是指闪电直接击在建筑物、其他物体、大地或防雷装置上，产生电效应、热效应和机械力者。直击雷具有电压高、电流大、瞬时性等特点，因此直接雷击的破坏最为严重。

感应雷击---雷击时，雷击点的周围会产生强大的交变磁场（感应半径达1.5公里），处在磁场中的天馈线、信号线、电源线及金属导体会因电磁效应产生强大的雷击电磁脉冲（LEMP），该脉冲信号以过电压的形式窜入用电设备，直接摧毁微电子设备。感应雷击对弱电设备，特别是通讯系统及电子计算机网络系统的危害最大，据统计80%以上的雷击事故是由感应雷击造成的。因而必须在相应部位，安装与被保护设备有关参数相一致的浪涌保护器。

二、雷电防护区域的划分

  按照IEC1312-1及GB50057-94（2000）防雷法规的要求，将被保护的空间划分为不同的防护区，以区分各部分空间环境中的雷击电磁脉冲的严重程度及指明各防护区等电位连接的位置。各区以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分防雷区的特征。防雷区域按照以下分区（图1）：

                                       图1

LPZ 0A区：

直击雷非防护区，本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；本区内的电磁场没有衰减。

LPZ OB区：

直击雷防护区，本区内的各物体不可能遭到直接雷击，但本区内的电磁场没有衰减。

LPZ 1区：

屏蔽防护区，本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZOB更小；本区内的电磁场可能衰减，这取决于屏蔽措施。

LPZ 2区：

后续雷击区，当需要进一步减小导入的电流和电磁场时，应引入后续雷区，并按照需要保护的系统所需求的环境选择后续防雷区的要求条件。通常，防雷区的数越高电磁环境的参数越低。

在两个防雷区的界面上应将所有通过界面的金属物做等电位连接，并采取屏蔽措施。

三、雷电对电子设备的损害途径

    主要有三个途径：

（1）            直接雷击经过接闪器（如避雷针、避雷带、避雷网等）引下线而直放入大地，导致地网电位上升。高电位由设备接地线引入电子设备形成高电位差，发生地电位反击。

（2）雷电流沿引下线入地时，在引下线周围产生磁场，引下线周围的各各金属管（线）上经感应而产生过电压。

（3）进出大楼或机房的电源线和通讯线等在大楼外受直击雷或感应雷而加载的雷击过电压及过电流沿线窜入，入侵电子设备。

四、针对此三种途径所进行的防护

（1）接闪与接地：

大楼通过建筑物主钢筋，上端与接闪器，下端与地网连接，中间与各层均压环或环形均压带连接，对进入建筑物的各种金属管线实施均压等电位连接，具有特殊要求的各种不同地线进行等电位连接处理。这样就形成一个法拉第笼式接地系统。它是消除地电位反击的有效措施。

（2）均压连接与屏蔽：

安装均压环，同时通讯电缆槽及地线线槽需要用金属屏蔽线槽，且做等电位连接。其布放应尽量远离建筑物立柱与横梁，通讯电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能与建筑物立柱或横梁交叉。

（3）分流：

进入建筑物大楼电源线和通讯线应在不同的防雷交界处，以及终端设备的前端根据IEC1312—雷电电磁脉冲防护标准，安装上不同类别的电源类SPD以及通讯网络SPD（SPD瞬态过电压保护器）。SPD是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手段

第二章 综合防雷设计思路

一、方案设计原则

严格按照国标、部颁标准以及相关的国际标准实施防雷工程

根据电子及电气设备不同功能及保护程度确定防雷要点，作分类保护。

在做好系统防雷的基础上，达到最大节约资金的目的。

二、外部防雷保护措施

     外部防雷保护措施主要是防止直接雷击直接击在建筑物、构筑物上，造成损坏。对于直接雷击的防护常见的有避雷针、避雷网格、避雷带、避雷线。选用何种直接雷击防护措施要根据该建筑物、构筑物所处的地理位置、当地雷击情况、建筑物的高度等进行选择。

三、内部防雷措施

建筑内部过电压防护根据雷击过电压产生的原因有屏蔽、分流、等电位接地几种措施，一个完善的防护系统应是以上几种措施的有机结合，通过良好的屏蔽可最大限度的降低雷电磁场对电源及通信导线的耦合，分流是屏蔽措施的有效补充，等电位接地则可消除设备之间的电位差。避免高电位差造成设备损坏。

四、常见雷击原因分析

一般情况下，室内设备与外界的联系可分为三种（如图2），电源线、信号线（包括数据通讯、天馈线等）及设备地线，设备因雷击损坏时，无论瞬态过电压产生的原因如何，其最终会通过这三个途径中一种或几种对设备放电，造成设备损坏。因此对于任何一个需要保护的空间内的设备，只要截断该需要保护的空间与外界瞬态过电压的途径，即可达到保护的要求。

因此，设备因过电压损坏，其损坏程度的原因可归纳为为两点：线路传导过电压及地电位反击。

                           图  2

(一)、线路传导过电压的形成方式

线路传导过电压产生的形成可分为三种：

（1）远点雷击过电压的入侵

远点雷击过电压的入侵对于存在架空线路的通讯系统危害最为严重。建筑物内部的通讯系统，室内其它设备及建筑物近旁由于防雷装置的保护，不会遭受直接雷击。但若大楼内的电力线、信号线为架空引入，则在建筑物远处可能因直接雷击产生瞬态过电压。另外，静电感应、雷击电磁脉冲辐射也可产生较高幅值的过电压，沿线路传导的瞬态过电压侵入设备内部，造成设备损坏。其瞬态过电压形成如图3。

                                  图 3

（2）近点雷电磁场感应

近点雷电磁场感应是近年来通讯系统损坏的主要原因。当建筑物遭受雷击或在建筑物近旁发生雷击时，强大的累积电磁脉冲会在周围空间产生交变磁场（以雷电为中心1.5-2KM的范围内都有可能产生危险的过电压），处于磁场中的导体相对切割磁力线而感应出高电压（闭合回路则会产生感应过电流），另外雷击发生时产生的电磁脉冲以电磁波的形式耦合到对瞬态电磁脉冲极为敏感的通信线路，沿线路产生的过电压窜入设备，从而造成设备损坏。其形成过见图4。

图 4

（3）电感、电容性负载的起动

电感、电容性负载起动，即通常所说的开关操作过电压。电压在极短的时间内发生瞬变，电压时间特性曲线的陡度（DU/DT）较高，形成幅度较高的脉冲电压加载在供电线路上，沿线路窜入设备内部，造成设备损坏。其形成原理图如图5。

                             图5

当U0取值为24V时，适当的L和C_S，加载在设备上端的脉冲电压幅值即可达4000V，这远远超过了脆弱电子设备的耐受能力。

  (二)、线路传导过电压的防护

根据线路传导过电压形成的三种方式及其传播途径，对于室内的防雷保护可从两个方面进行考虑：

    （1）线路屏蔽埋地接地处理

对于设备来讲。单纯的电场与磁场干扰是很少见的，干扰总是以电场、磁场同时存在，表征电磁屏蔽作用的效果主要是以电磁波穿过屏蔽层时的能量衰减程度的大小来定，屏蔽体对电磁波的衰减有三种不同的机理，一种为波反射，当电磁波到达金属界面时，会发生反射，削减能量；第二种为涡流耗损，电磁波进入金属导体后会产生涡流，消耗部分能量；第三种为多重反射、折射所产生的涡流消耗的能量；一般来讲一个完善的屏蔽系统能大约衰减50%-70%的能量。

根据国标GB50057-94（2000）及《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》YD/T5098-2001要求：“出入局（站）的网络金属数据线应穿金属管道或采用屏蔽电缆后，再从地下引入其它机房，金属管与铠装电缆的金属护层两端应就近与大地网焊接”“出入通信局（站）的光缆或电缆，应在进线室将金属铠装外护层做接地处理，另外光缆应将缆内的金属构件，在终端处接地。”（见《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》）因此，对出入建筑物的电源及通讯电缆的金属护套均应在入户处进行等电位接地处理。对于存在架空线路通讯机房，架空线路应穿管埋地处理。

（2）       安装过电压保护器

（电源线路过电压防护）

根据IEC防雷分区原理及机房通讯设备的特殊性，其供电线路过电压的防护可通过多级防雷保护来实现（图6）。第一级过电压保护器一般采用通过一级分类测试实验的SPD（10/350us）或大能流量限压型SPD(8/20us)。

建筑物架空线入口处必须安装通过10/350us测试的一级SPD，主要因为在建筑物入口处的金属导体极易遭受直接雷击或传导雷击，该能量巨大，而一级防雷产品与二级、三级防雷产品最大的区别就是测试冲击能量不同，用于处理雷击电流的一级SPD的耐受能量通常为用于进一步限压的二级、三级的几十到几百倍。第二级及后续防雷过电压保护器可采用限压型SPD，限压型防雷器核心器件为压敏电阻，压敏电阻具有通流容量较大，低残压的特点。                   

  图6

（通信线路过电压防护）

为达到对设备的有效保护，依据IEC防雷分区原理及GB50343的要求，信号部分也可采用多级保护方式将雷电流幅值降到设备耐受能力范围内。一般情况下，对于A类机房或存在架空线路时，可在LP0与LP1的交界处进行粗级防雷保护，在LP1与LP2的交界处，采用精细保护防雷器。目前信号过电压产品一般均具有综合防护功能，既能泄放大电流又能达到限压的目的。

因此，对于处于0区与1区交界处的通讯线路可在入户端，安装具有综合防护功能的信号SPD，达到泄流限压，限制能量的目的。另外，由于雷电磁场的存在，因此对于处于室内的通信电缆尽管其不可能遭受直接雷击，但仍可能产生较高的雷击过电压，因此对于室内重要的通信设备仍需要安装精细类过电压保护器。