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防雷知识

   

     随着电子技术的快速发展,集成电路对电压和电流脉冲的敏感程度越来越高,除直接雷击影响外,雷电引起的冲击过电压和电流成为造成电子设备损坏和工作中断新的主要因素之一。据广东省防雷中心雷电灾害调查办公室1996年就广东省范围调查报告显示:1996年广东全省发生雷电灾害1196起,直接经济损失约1.374亿元,间接经济损失达5-10亿元;仅深圳去年因雷暴造成损失就近6000万元;而全世界每年的雷害损失超过100亿美元,更多的雷灾损失表明,90%以上是感应雷击造成的。特别是最近两年,全球气候不稳定,雷电灾害较以往频繁,大部分用户单位在直接开支中需占30%的费用,用来更换或维修因雷灾损坏的设备。因此,对雷击的防护,尤其是感应雷击的防护,已经成为邮电通信、电力、铁路、银行(计算机网络)等行业重点关注和防范的课题。
  
1) 雷击的形成及入侵途径雷击形成雷击主要有两种形式:
A、直接雷击和感应雷击
   直接雷击:雷击直接击在物体上,产生电效应、热效应和机械力,称之为直接雷击。
 感应雷击:雷电放电时,在附近导体上产生的静电效应和电磁感应,可能使金属部件之间产生火花,称之为感应雷击。
  
B、感应雷击的入侵途径
 1、传统避雷针的副作用产生二次感应雷击效应,雷电电流经过避雷针导地时感应到市内的传输线上。几十年来的通讯设备是从电子管、晶体管向集成电路过渡的。由于电子管、晶体管的耐冲击能力较强,因此二次雷击效应对电子管、晶体管通讯设备没有造成太大损害。集成化度较高的微电子设备,其耐冲击能力差受雷击更易使微电子设备受到损坏。通过对部分雷击事故的分析,发现许多雷击事故都是在避雷针接地完好的情况下发生的。分析其原因就是二次雷击效应造成的。
  2、通过电源线、信号线或天馈线引入感应雷击通过电感性耦合(磁感应)耦合到各类传输线而破坏设备。电源线引入感应雷击市区以外的移动通信基站的供电线路大多采用架空明线。试验表明,雷电频谱在几十MHZ以下频域,主要能量集中分布在工频附近。因此,雷电与市电相耦合的概率很高。信号线引入雷击为了扩大信号覆盖范围,就要尽可能地增加天线架设高度(65m以上的铁塔约占50%)。这样,在提高信号覆盖范围的同时,也增加了铁塔引雷的概率。当铁塔上的避雷针引雷入地产生二次雷击效应是顺塔而下的天馈线首当其冲。可一旦二次雷击效应以信号方式进入馈线时,收发信号设备端口损坏也就在所难免了。
  3、地点位反击引入感应雷击通过阻性耦合方式经数据线破坏设备。 通过阻性耦合方式经中线及地线破坏设备。上述各种耦和会产生高达6000伏(根据BS6651,CCITT,LIT,IEEE及我国相关标准)的瞬间电压而破坏电子设备。
  
二、雷击的防护
  1、直击雷的防护
  主要依据是国际电工委员会IEC1312_1~3《雷电电磁脉冲的防护》、《电子计算机机房设计规范》、《电子设备雷击导则》、《建筑物防雷设计规范》等。目前,防避直击雷都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网作为接闪器,然后通过良好的接地装置迅速而安全把它送回大地。  
  
  2、感应雷的防护  
  (1) 电源防雷   
  根据楼房建设的要求,配电系统电源防雷应采用一体化防护,由于避雷器生产厂家的设计思想各不相同,相应其避雷器的性能特点也不尽一致。
  
  (2)信号系统防雷   
    与电源防雷一样,通讯网络的防雷主要采用通讯避雷器防雷。目前,计算机远程联网常采用的方式有电话线、专线、X.25、DDN和帧中继等,通讯网络设备主要为MODEM、DTU、路由器和远程中断控制器等。通常根据通讯线路的类型、通讯频带、线路电平等选择通讯避雷器,将通讯避雷器串联在通讯线路上。
  
  (3)等电位连接
  等电位连接的目的,在于减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差。 防止雷电反击。将机房内的主机金属外壳,UPS及电池箱金属外壳、金属地板框架、金属门框架、设施管路、电缆桥架、铝合金窗的等电位连接,并以最短的线路连到最近的等电位连接带或其它已做了等电位连接的金属物上,且各导电物之间的尽量附加多次相互连接。
  
  (4)金属屏蔽及重复接地 在做好以上措施基础上,还应采用有效屏蔽,重复接地等办法,避免架空导线直接进入建筑物楼内和机房设备,尽可能埋地缆进入,并用金属导管屏蔽,屏蔽金属管在进入建筑物或机房前重复接地,最大限度衰减从各种导线上引入雷电高电压。
  
三、关于雷电和浪涌电压   
  闪电的常识-- 闪电的的平均电流是:   
  闪电的平均电流:30,000A (目前记录的最大值:300,000A)  
  闪电中心的空气温度: 摄氏3000度  90%以上的闪电是云层对云层放电过程  
  云层对地面的闪电次数:每秒种100次 (全球范围)  
  闪电的强度可达1000000000 伏   
  一个中等强度雷暴的功率有10000000 瓦(相当于一个小型核电站的输出功率)   每年因雷击造成的直接损失超过1000000000 美元(全球不含中国的统计)   
  
  A.浪涌雷电是浪涌电压的一种   首先让我们看看什么是浪涌。浪涌也叫突波,顾名思义超出正常工作电压的瞬间过电压。日本一些资料将浪涌分为四个组成部分。
  B.SPD  我们常常说的防雷器的英文是SPD - SURGE PROTECTION DEVICE 即[ 浪涌保护器],因此防雷事实上是浪涌保护器的一种功能,由于雷击的浪涌电压和能量要远远高于其他种类浪涌电压,所以我们通常称SPD为防雷器了。
  
  各防雷分区说明:  
  1、IEC 的防雷分区:   LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZ2....   
  2、IEC 的防雷分区通俗说明:  LPZ0A - 天空、没有避雷针保护的大楼外部、上面没有顶棚等覆盖物的地面... 等等雷电可能会直接击中的的空间。如大楼顶部避雷针保护范围之外的空间。  LPZ0B - 没有避雷针保护的非屏蔽大楼内部、有避雷针保护的大楼天台受保护部分、避雷线下的电缆等等雷电不易直接击中的LEMP没有衰减空间。如大楼顶部避雷针保护范围之内的空间和没有屏蔽的大楼内部或有屏蔽大楼内部的窗口附近。   LPZ1 - 雷电不易直接击中,但LEMP因屏蔽而衰减的空间。如上述屏蔽大楼内部(不包含窗口附近)。  LPZ2 - 在LPZ1区内,再次屏蔽的空间。如上述屏蔽大楼的另外设立的屏蔽网络中心。  LPZ3 - 在LPZ2区内,再次屏蔽的空间。如上述屏蔽网络中心内的机器金属外壳内部,或接地机柜内部。  
  3、假如我们把所有雷击与浪涌的电源保护的措施分为"五级"  
  第一级:避雷针、避雷线、避雷网等直击雷的金属引下接地等装置- 属于外部防雷   
  第二级:IEC CLASS-I 进线端总电源防雷或LPZ0区进入LPZ1区界面的等电位连接- 属于内部防雷   
  第三级:IEC CLASS-II 分配端的电源防雷或LPZ1区进入LPZ2区界面的等电位连接- 属于内部防雷   
  第四级:IEC CLASS-III 设备端的电源防雷或LPZ2区进入LPZ3区界面的等电位连接- 属于内部防雷   
  第五级:合格的通过正常设计和安装的电子设备内部应该具备的基本浪涌吸收能力- 基本浪涌吸收能力  
  
  IEC LPZ防雷分区   
  
  LPZ 0A - 易造受直接雷击,因而可能必须传导全部的雷电流。LEMP*无衰减(例如大楼外部,而且不在避雷针保护范围内的部分)。   
  LPZ 0B - 不易造受直接雷击,但LEMP* 无衰减(例如大楼外部,但在避雷针保护范围以内的部分)。  
  LPZ 1 - 不易造受直接雷击,但LEMP* 比LPZ 0B区 有衰减(例如钢筋水泥框架结构大楼内部)。   
  LPZ 2 - 后续防雷区
  2,较LPZ 1区进一步减小传导电流或电磁场(例如大楼内部的屏蔽机房)。   
  LPZ
  3 - 后续防雷区3,随着要求可以进一步设立防雷分区(例如屏蔽机房内的屏蔽接地的主机柜)。*LEMP - 雷电电磁脉冲辐射-闪电电流和闪电电磁场参见[为什么要进行三级保护]  
  IEC分级防雷   
  
  级间线路距离不能太短,避免前后级防雷器线路距离太近导致的前级防雷器不动作问题末级和设备间线路距离不能太长,避免前末级和设备间的线路感应新的雷击电压,导致的设备端限制电压超过安全值。  
  
  电源系统的保护-- 电源保护   
  信号系统的保护(包括有线通信、无线通信、网络通信、遥感遥测等)-- 信号保护
  
  根据雷击引入设备的渠道对可能遭受雷击的设备实施防雷保护-- 从防雷方案看SPD绝大多数单位的内部防雷,根据雷击可能引入的途径和感应途径不外乎从以下几个方面进行保护:  
  
  1 电源三级防雷(IEC相关规定、三级防雷的要求及原因、分级防雷的级间距离、8/20和10/350波...)   
  
  2 网络系统防雷(网络防雷注意事项、各种形式的网络、网络专线的防雷...)   
  
  3 通讯系统防雷(电话线路防雷、专线系统的防雷、无线通信...)   
  
  4 信号系统防雷(无线通信、监控监视信号、遥感遥测遥控...)   
  
  5 地电位均衡(地极防雷) (地电压反击、地电位均衡...)
  
    参见[内部防雷和外部防雷] [雷击引入的渠道] 既然雷电对线路的感应和地电位反击是造成设备损坏的最重要的原因,那么就应该在线路中加装设备对瞬态过电流、过电压进行有效的抑制,这种设备被称为避雷器、称浪涌抑制器、防雷保安器等。由于雷电感应主要是通过供电线路和各种信号线破坏设备的,因此对计算机信息系统的防雷保护主要地是合理地加装电源和信号避雷器,并进行合理的等电位连接。  
  
  结束语
  随着科技和经济的发展,计算机的应用已越来越广泛。我们对复杂的雷电机理还在进一步深入了解研究,目前的防雷方案也许还有一定的局限性,还难以完全有效地防止雷电的破坏。我们将继续不懈地研究和探讨,尽量将雷击可能造成的损害减少到最低限度,以保障各网络系统的安全运行。