CH 2 雷電暫態(tài)過電壓及其傳輸

CH2

雷電暫態(tài)過電壓及其傳輸

主講：施廣全在發(fā)生雷擊時，強大的雷電流及其所產生的空間電磁脈沖能夠通過傳導、感應和耦合等方式在建筑物內電子系統(tǒng)中產生各種暫態(tài)過電壓。

本章討論幾種常見雷電暫態(tài)過電壓的產生及其對電子設備的危害機制，并介紹暫態(tài)過電壓波傳輸過程的分析方法。

§2.1暫態(tài)電位抬高

雷電流將在防雷系統(tǒng)中產生暫態(tài)高電位，這一暫態(tài)現象稱為暫態(tài)電位抬高。避雷針系統(tǒng)

如果引下線與其周圍電子或電氣設備之間絕緣距離不夠，且設備又不與避雷針系統(tǒng)共地，則兩者之間就會出現很高的電壓并會發(fā)生放電擊穿，造成所謂反擊現象。反擊的發(fā)生能導致電子或電氣設備嚴重損壞，甚至危及人身安全。

GB50057-94第三章第二節(jié)第3.2.1條第五款“有關防反擊距離要求的規(guī)定”。對于一類建筑物而言：1、獨立避雷針和架空避雷線（網）的支柱及其接地裝置至被保護建筑物及與其有聯系的管道、電纜等金屬物之間的距離應符合一定的要求，最小不小于3米；

防雷裝置至被保護物的距離1.地上部分：當hx＜5Ri時，

Sa1≥0.4(Ri+0.1hx)當hx≥5Ri時，

Sa1≥0.1(Ri+hx)2．地下部分：

Sel≥0.4Ri

式中：Sa1──空氣中距離(m)；Se1──地中距離(m)；Ri──獨立避雷針或架空避雷線（網）支柱處接地裝置的沖擊接地電阻(Ω)；hx──被保護物或計算點的高度(m)。2、架空避雷線至屋面和各種突出屋面的風放散管等物體之間的距離應符合一定的要求，最小不小于3米；

1．

當(h+l/2)＜5Ri時，Sa2≥0.2Ri+0.03(h+l/2)2．當(h+l/2)≥5Ri時Sa2≥0.05Ri+0.06(h+l/2)式中Sa2──避雷線(網)至被保護物的空氣中距離(m)；h──避雷線(網)的支柱高度(m)；l──避雷線的水平長度(m)。3、獨立避雷針、架空避雷線或架空避雷網應有獨立的接地裝置，每一引下線的沖擊接地電阻不宜大于10Ω。土壤電阻率高的地區(qū)，可適當增大沖擊接地電阻。

第3.2.2條

第一款、第二款

1、金屬屋面周邊每隔18~24m應采用引下線接地一次?，F場澆制的或由預制構件組成的鋼筋混凝土屋面，其鋼筋宜綁扎或焊接成閉合回路，并應每隔18~24m采用引下線接地一次。

2、平行敷設的管道、構架或電纜金屬外皮等長金屬物，其凈距離小于100mm時應采用金屬線跨接，跨接點的間距不應大于30m；交叉凈距小于100mm時，其交叉處亦應跨接。一根專用接地線在高頻下其阻抗為：

（m）L（

s）（>1MHZ）1MHZ時10MHZ時100MHZ時R

L=XLR

L=XLR

L=XL340．05

25

0．15

250

0．5

2．5K

690．1

57

0．3

570

1．0

5．7K

12200．2

126

0．6

1．26K

2．0

12．6K

18310．3

195

0．9

1．95K

3．0

19．5K

30550．5

346

1．5

3．46K

5．0

34．6K

銅導體在自由大氣中的電阻和電抗

將信息系統(tǒng)的工作頻率，專用引下線18m的R、

L代入上式，阻抗高達近200

，因此，當這個接地裝置的阻抗即便很低（如小于1

）也是毫無意義的。

在信息系統(tǒng)上安裝電涌保護器，當電涌保護器承受雷電沖擊而對地泄放時，被保護的信息系統(tǒng)設備絕緣承受的電涌電壓為電涌保護器上的殘壓和其連接線上的電壓將之和，即：

電涌保護器連接線的全長不宜超過0.5m。

在設備所在樓層按S型或M型設接地基準點（ERP）或環(huán)形接地母排，并將其與建筑物主鋼筋連接，達到局部等電位連接。鄰近未受雷擊建筑物內的反擊

§2.2感應過電壓

雷電放電能夠在回路中和線路上感應出暫態(tài)過電壓，其中前者屬于磁場感應，后者主要屬于電場感應。1、回路感應過電壓

當建筑物遭受直接雷擊或建筑物附近發(fā)生雷擊時，在建筑物防雷系統(tǒng)中流過的暫態(tài)電流或雷電放電通道中的雷電流將在建筑物內部空間產生脈沖暫態(tài)磁場，這種快速變化的磁場交鏈這些回路后，將在回路中感應出暫態(tài)過電壓，危及與這些回路相端接的電子設備?；芈犯袘^電壓實例

窄長感應回路

（a、b兩圖中絕緣擊穿的情況有所不同）

GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》

注：①當環(huán)路不是矩形時，應轉換為相同環(huán)路面積的矩形環(huán)路。

②

圖中的電力線路或信息線路也可以是鄰近的兩端做了等電位連接的金屬物。

格柵形屏蔽建筑物附近遭雷擊時在LPZ1區(qū)內環(huán)路的感應電壓和電流

無屏蔽線路構成的環(huán)路，其開路最大感應電壓Uoc/max

宜按下式確定：

Uoc/max=μ0·b·l·H1/max/T1

（V）式中：μ0──真空的磁導系數，其值等于4π·10－7[V·s/（A·m）]；

b──環(huán)路的寬（m）；

l──環(huán)路的長（m）；H1/max──LPZ1區(qū)內最大的磁場強度（A/m）T1──雷電流的波頭時間（s）。

若略去導線的電阻（最壞情況），最大短路電流isc/max

可按下式確定：isc/max=μ0·b·l·H1/max/L（A）式中L──環(huán)路的自電感（H）。

矩形環(huán)路的自電感可按下式計算：L={0.8√l2+b2－0.8(l+b)+0.4·l·ln[(2b/r)/1+√1+(b/l)2]+0.4·b·ln[(2l/r)/1+√1+(l/b)2]}·10－6

（H）式中r──環(huán)路導線的半徑（m）。格柵形屏蔽建筑物遭直接雷擊時在LPZ1區(qū)內環(huán)路的感應電壓和電流

開路最大感應電壓Uoc/max宜按下式確定：Uoc/max=μ0·b·ln（1+l/dl/w）·kH·（w/√d1/r

）·io/max/T1（V）

式中：

dl/w——環(huán)路至屏蔽墻的距離（m）；dl/r——環(huán)路至屏蔽頂的平均距離（m）；io/max——LPZ0A

區(qū)內的雷電流最大值（A）；kH——形狀系數，取w——格柵形屏蔽的網格寬（m）。若略去導線的電阻（最壞情況），最大短路電流isc/max可按下式確定：

雷擊發(fā)生的情況下，建筑物內的空間電磁場強度。

sd

——

雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離（m）

一、閃電擊于格柵型大空間屏蔽以外附近的情況下

在無屏蔽的情況下產生沒有衰減的磁場強度，計算公式為：

H0=i0/（2·л·Sd）（A/m）

式中:

i0——雷電流（A）；Sd——雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離（m）

由此得出，首次雷擊所產生的磁場強度最大值為：H0/f/max=if/max/（2·л·Sd）（A/m）

后續(xù)雷擊所產生的磁場強度最大值為：

H0/s/max=is/max/（2·л·Sd）（A/m）

當有屏蔽時，即在格柵形大空間屏蔽內（此空間看作是LPZI區(qū)），磁場強度從H0

減為H1其值應按下式計算：

H1=H0/10SF/20（A/m）

式中SF——屏蔽系數（dB），按下表的公式計算

注：1、適用于首次雷擊的磁場；2、適用于后續(xù)雷擊的磁場；3、相對磁導系數μr≈200；4、W——格柵形屏蔽的網格寬度（m），適用于W≤5m；r——格柵形屏蔽網格導體的半徑（m）。

材料SF（dB）25KHZ（見注1）1MHZ（見注2）銅/鋁20

log（85/w）20

log（85/w）鋼（見注3）20

log

（85/w）/20

log（85/w）

上表的計算值僅對在LPZI區(qū)內距屏蔽層有一安全距離ds/1的安全空間Vs內才有效（見下圖），ds/1應按下式計算：

ds/1=w·SF/10（m）

式中w——格柵形屏蔽的網格寬度（m）。

二、閃電擊于格柵型大空間屏蔽上的情況下在LPZ1區(qū)中Vs空間內某一點磁場強度H1為：

（A/m）由此得出，LPZ1區(qū)中Vs空間內某一點由首次雷擊所致的磁場強度最大值為：

（A/m）在LPZ1區(qū)中Vs空間內某一點由后續(xù)雷擊所致的磁場強度最大值為：（A/m）

式中：dr：被考慮的點距LPZ1的屏蔽體的頂之間的最短距離。（m）

dw：被考慮的點至LPZ1的屏蔽體的墻之間的最短距離。（m）

kH：形狀系數，可取KH=0.01w：LPZ1區(qū)格柵形屏蔽網的網眼寬度（m）i0：LPZ0區(qū)中的雷電電流（A）由上式計算的磁場強度對距屏蔽體有一安全距離ds/2的空間Vs內有效；ds/2應符合下式的要求：

ds/2=w（m）

只有在Vs空間內部才可以安裝信息系統(tǒng)設備，在緊挨著格柵處的很高的磁場值不作為信息系統(tǒng)設備的干擾源來考慮。

三、LPZ≥2區(qū)及以上雷電防護區(qū)的格柵形屏蔽防護

在LPZ2區(qū)及以上格柵形屏蔽的雷電防護區(qū)雷電流將不會有實質性的影響。處在LPZn區(qū)內的LPZn+1區(qū)的磁場強度將由LPZn區(qū)內的磁場強度Hn減至LPZn+1區(qū)內的Hn+1，其值可近似的按下式計算：Hn+1=Hn/10SF/20（A/m）其中：SF是由表1計算出的屏蔽系數（dB）Hn：LPZn區(qū)內的磁場強度（Am）該式適用于LPZn+1區(qū)內距其屏蔽有一定安全距離ds/1的空間Vs的磁場強度：

ds/1=

w?SF/10（m）建筑物電子信息系統(tǒng)雷電防護區(qū)的劃分

1）、按IEC原理將建筑物需要防護的空間由表及里劃分為不同的防雷保護區(qū)（LPZ），有如下實際意義：—可以計算出各LPZ內空間雷擊電磁脈沖的強度，以確認是否需要采取進一步的屏蔽措施?！梢源_定等電位連接的位置（一般是各LPZ區(qū)交界處）?！梢源_定在不同LPZ交界處選用電涌保護器的具體指標。—可以選定敏感電子設備的安全放置位置?！梢源_定在不同LPZ交界面處等電位連接導體的最小芯線截面。

2）、劃分的原則將需要保護和控制雷擊電磁環(huán)境的建筑物空間，從外部到內部劃分為多個不同的雷電防護區(qū)（LPZ），以便規(guī)定各部分LPZ空間的雷擊電磁脈沖（LEMP）強度變化的嚴重程度，以便采取不同的防護措施。各區(qū)在其交界處的電磁環(huán)境有明顯改變，這是劃分不同防雷區(qū)和等電位連接點位置的確定的主要依據條件。3）、雷電防護區(qū)分類及定義

一、

LPZ0A區(qū)：本區(qū)內的各物體都可能遭到直接雷擊和導走全部雷電流；本區(qū)內的電磁場強度沒有衰減；本區(qū)屬于完全不設防區(qū)；二、

LPZ0B區(qū)：本區(qū)內的各物體不可能遭到大于所選滾球半徑對應的雷電流直接雷擊，但本區(qū)內的電磁場強度沒有衰減；本區(qū)屬于充分暴露的直擊雷防護區(qū)；

三、

LPZ1區(qū)（第一屏蔽防護區(qū)）：本區(qū)內的各物體不可能遭到直接雷擊，流經各導體的電流比LPZ0B區(qū)更小，本區(qū)內的電磁場強度可能衰減，這取決于屏蔽措施；四、

LPZn+1后續(xù)防雷區(qū)：當需要進一步減小流入的電流和電磁場強度時，應增設后續(xù)防雷區(qū)，并按照需要保護的對象所要求的環(huán)境區(qū)選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。N=1、2……雷電防護區(qū)劃分和做符合要求的等電位連接的示例2、線路感應過電壓

架空線感應過電壓

研究表明，過電壓靜電分量的幅值與先導通道中的電荷密度以及架空線的對地高度成正比，與雷擊點到架空線的最短距離成反比。

在總的暫態(tài)過電壓中，靜電分量占主要地位。

§2.3耦合與轉移過電壓

高位耦合與轉移

電纜中耦合過電壓

ｉ2在電纜的金屬護套上流過時，所產生的磁鏈將完全交鏈電纜芯線，于是就能夠通過磁耦合在芯線與金屬護套以及芯線與芯線之間產生暫態(tài)過電壓。

芯線與金屬護套之間的暫態(tài)過電壓能夠損壞設備1和設備2的輸入和輸出端對地絕緣，而芯線與芯線之間的暫態(tài)過電壓則可以損壞設備1和設備2的輸入或輸出電路。

電纜中芯線與金屬護套之間的暫態(tài)過電壓峰值可按下式來計算：

U2m=I2m·Rr

上式

U2m為過電壓峰值；I2m為金屬護套中雷電流的峰值；Rr為金屬護套與芯線轉移電阻，它與護套的屏蔽性能有關，一般由試驗來確定。地下電纜中耦合過電壓

§2.4共模量與差模量

1、共模與差模電壓和電流

定義共模與差模電壓的示意電路

用共模與差模電壓表示的電路

共模與差模電流示意圖

2、產生共模暫態(tài)過電壓的實例

跨接兩座樓的通訊系統(tǒng)

由芯線構成的感應回路

實際出現在電子系統(tǒng)中的雷電暫態(tài)過電壓大部分表現為共模形式，只有少數表現為差模形式。比較典型的差模過電壓情況常出現在多芯電纜中，當雷電流在電纜的金屬護套上流過時，它所產生的暫態(tài)磁場交鏈由芯線構成的回路，在芯線之間感應出差模過電壓。

配備在電子系統(tǒng)中的暫態(tài)過電壓保護裝置在抑制共模過電壓時，由于各個保護元件之間的動作分散性，也會將共模過電壓轉化為差模過電壓。

§2.5暫態(tài)過電壓波的傳輸

由于雷電暫態(tài)過電壓變化速度快，其波形頻譜中含有豐富的高頻分量，對于這種波過程不宜采用傳統(tǒng)的集總參數電路方法來處理，而需要應用分布參數電路理論來分析。

一、均勻傳輸線方程典型結構的傳輸線電流在這些均勻導線中流動時有以下特點：①電流在導線的電阻中流過將產生沿線的電壓降；同時又在導線周圍產生變化的磁場，該變化磁場沿全線產生感生電壓（電感電壓降），所以導線間的電壓是連續(xù)變化的。②兩根導線（在上圖d中，可將大地看成是另一根導線）構成電容，在導線之間有位移電流流過，又由于導線之間的媒質不是完全的絕緣體，導線之間還有泄漏電流存在。于是在沿線的不同地方，導線中的電流將是不同的。

均勻傳輸線均勻傳輸線電路模型

基爾霍夫電流定律

基爾霍夫電壓定律

忽略電阻RO和電導GO

（1）

（2）

將方程（1）對x求偏導，將方程（2）對t求偏導

以上方程就是無損線的波動方程，其通解可表示為：

在以上兩式中，ν稱為波速度，Z稱為波阻抗，它們分別表示為：

對式中的電壓分量uf（x-vt）進行討論。設在t=to時，該電壓分量為：

當經過一段時間△t后，該電壓分量將變成為：二、波的折射和反射

當線路突然改變時，波將在參數突變的邊界處發(fā)