雷电的危害和防范

雷电的危害和防范 雷电的危害与防范一 概述现代化的城市一座座高楼如雨后春笋般拔地而起 造成雷电击穿空气的距离缩短 因为雷击的概率与建筑的高度成正比 所以雷击概率加大 同时 由于全球气候变暖 城市热岛现象增多 使城市的大气环流形势出现了新特点 夏季雷暴期延长 而更重要的是 随着科技的进步 微电设备被广泛应用 城市通信电源大幅增多 城市电磁场发生变化 特别是微电子产品普遍绝缘强度低 过电压耐受力差 容易遭受雷电侵袭 其中电脑网络 通讯指挥系统和公用天线都是重灾区 从某种意义上说 科技越发达 雷击对人们的威胁就越大 虽然在绝大多数情况下 电子设备使用者在硬件方面的损失 可以从其保险公司得到补偿 然而软件方面的损失 以及设备停机所造成的巨大财政负担都常常没有任何保障特别是电子信息技术设备的普及和应用 其中借助计算机系统进行信息处理 数据处理 自动化控制 网络通讯等随着技术的进步这类电子产品中是采用大规模及超大规模的电子集成电路技术 电路集成越高 内部的线间距离就越小 则元器件的耐压程度也就越低 受到过电压冲击后即损坏 更经不起雷电的强烈冲击 同时电气系统的开关操作和静电放电所产生的瞬态浪涌也对电子设备造成了极大的危害 另 一方面 各系统的网络化程度越来越高如通讯系统 视频监控系统 工业自动化控制系统 计算机网络系统等 它们的传输线路 特别是在室外的长距离传输线以及电力电源的输送线路等在遭受雷击产生过电压时 将经过这些传输线路进入设备并将其击毁图一二 雷电和电涌危害直接对设备和人身安全构成危害的雷电基本可分成直击雷 感应雷和电压浪涌三种.1 直击雷在雷暴活动区域内 雷云直接通过人体 建筑物或设备等对地放电所产生的电击现象称之为直接雷击 此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位 雷电击中人体建筑物或设备时 强大的雷电流转变成热能 雷击放电的电量大约为 25-100C 据此估算雷击点的发热量大约 500-2000J 该能量可以熔化 50-200mm 的钢材 因此雷电流的高温热效应将灼伤人体 引起建筑物燃烧使设备部件熔化 在雷电流流过的通道上 物体水分受热汽化而剧烈膨胀 产生强大的冲击性机械力.该机械力可以达到 5000-6000N 因而可使人体组织 建筑物结构 设备部件等断裂破坏 从而导致人员伤亡 建筑物破坏以及设备毁坏等 雷电流在闪击中直接进入金属管道或导线时 它们沿着金属管道或导线传送到很远的地方除了沿管道或导线产生电或热效应 破坏其机械和电气连接之外 当它侵入与此相连的金属设施或用电设备时 还会对金属设备或用电设备的机械结构和电气结构产生破坏作用 并危及有关操作和使用人员的安全 雷电流从导线传送到用电设备 如电气或电子设备时 将出现一个强大的雷电冲击波及反射分量 反射分量的幅值尽管没有冲击波大 但其破坏力也大大超过半导体或集成电路等微电子器件的负荷能力 尤其是它与冲击波叠加 形成驻波的情况下 便形成一种强大的破坏力2 感应雷感应雷的破坏也称为二次破坏 雷电流变化梯度很大 会产生强大的交变磁场 使得周围金属构件产生感应电流 这种电流可能向周围物体放电 如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸 而感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性1 静电感应雷带有大量负电荷的雷云所产生的电场E将会在架空零线上感生出被电场束缚的正电荷 当雷云对地放电或对云间的放电时 云层中的负电荷在一瞬间消失了 严格说是大大减弱 那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚 在电势能的作用下 这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击 从而对电器设备产生不同程度的影响2 电磁感应雷雷击发生的供电线路附近或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场 此交变电磁场 的能量将感应于线路并最终作用到设备上 对用电设备造成极大危害.3 电压涌浪然而最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的 而是雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电压浪涌引起的 一方面由于设备内部结构高度集成化 VLSI 芯片 从而造成设备耐压 耐过电流的不断下降 对雷电 包括感应雷及操作过电压浪涌 的承受能力下降 另一方由于信号来源路径增多 系统较以前更容易遭受雷电波侵入 电压浪涌可以从电源线或信号线等途径窜入电脑设备 我们就这两方面分别讨论1 电源系统浪涌电源系统浪涌并不仅源于雷击 当电力系统出现短路故障都会产生电源系统的浪涌 电网绵延千里 不论是雷击还是线路浪涌发生的机率都很高 当距你几百公里的远方发生了雷击时雷击浪涌通过电网光速传输 经过变电站等衰减 到你的电脑时可能仍然有上千伏 这个高压很短只有几十到几百个微秒 或者不足以烧毁电脑 但是对于电脑内部的半导体元件却有很大的损害 正如旧音响的杂音比新的要大 是因为内部元件受到损害一样 随着这些损害的加深电脑也逐渐变的越来越不稳定 或有可能造成您重要数据的丢失 美国 GE 公司测定一般家庭 饭店 公寓等低压配电线 110V 在 10000 小时约一年零两个月 内在线间发生的超出原工作电压一倍以上的浪涌电压次数多达 800 余次 其中超过 1000V 的就有300 余次 这样的浪涌电压完全有可能一次性将电子设备损坏2 信号系统浪涌信号系统浪涌电压的主要来源是雷电感应 电磁干扰 无线电干扰和静电干扰 金属物体 如电话线 受到这些干扰信号的影响 会使传输中的数据产生误码 影响传输的准确性和传输速率 排除这些干扰将会改善网络的传输状况目前 直击雷造成的灾害已明显减少 而随着城市经济的发展 感应雷和雷电波侵入造成的危害却大大增加 一般建筑物上的避雷针只能预防直击雷 而强大的电磁场产生的雷电感应和脉冲电压却能潜入室内危及电视 电话及联网微机等弱电设备三 瞬态过电压的产生及作用瞬态浪涌是由于闪电放电 电气系统的开关操作和静电放电而引起的 没有限压和泄流保护措施闪电放电所包含的能量对于即使是非常可靠的建筑物或工业装置的低压电源来说也还是太大了 尽管浪涌电压仅在百分之一秒的范围内瞬间发生 仍能够摧毁电子电路或击穿印刷电路板 即使电气或电子设备已经通过 了 CE 认 证 所 要 求 的 耐 压 试 验 IEC1000-4-5 仍然不能保证避免强电磁干扰 EMC 造成的损坏 瞬态过电压分别产生于开关过程 静电放电和雷放电 可以通过电流 电感或电容等耦合途径由电源测量设备或数据传输系统进入电气设备或电子设备内部 房屋内部的导线回路由电源线路和数据线路共同构成如图六所示 同样 也可以仅由数据传输线路的两根导线 或者一个电源线路的两根导线构成导线回路四 各种不同的保护需求电源馈电和信息线路的过电压保护一般可分为三个保护级 电源线路主要需配备雷电电流放电 过电压放电器和设备保护器 数据 电讯和 MCR 技术领域的接口灵敏度大大高于终端设备的电源输入口 因此 数据接口必须有高灵敏度的保护 电源的初级保护安装在房屋入口处或总配电箱及电表内 用雷电电流放电器 由于后续设备承受的残压仍旧过高必须按照保护范围的定义安装其它保护级设备 在后置配电设备内 如楼层配电屏柜或较大电子设备的接线盒 应安装过电压防雷器作为二级保护设备 作为三级设备保护的过电压防雷器应直接安装在设备前 例如 普通带断路器插座可以用带有集成过电压保护系统的插座替换 或者用可以与任一插座/开关产品匹配的设备保护器替换五 全面的过电压保护为了防止因雷电电磁脉冲 LEMP 开关电磁脉冲和静电放电等原因对电子设备造成的损坏. 国内 国际组织发布了一系列的标 准和 GB50057-94 2000 版 以及 IEC1312分别提出和了系 防雷保护统防护的概念 在建 外部防雷保 护 内部防雷保 护 过电压保护筑物内外建立均压等电位联接系统 在均 DIN VDE 0100 DIN VDE0675压等电位连接系统中 空间 均压等电 减少接 DIN VDE0800 接闪器 引下线 接 地 近耦合 DIN VDE0845 屏蔽 位系统 IEC 61312能做直接电气连接的 IEC 61643 IEC 61004金属供应系统 比如 DIN VDE 0185-T.100 ENV 61024-1无源管线 在进出 IEC 61024-1 GB50057-19942000版各雷电保护区界面处 卓有 成效 的保 护回路 图七做直接电气连接不能做直接电气连接的线 天馈路 比如电源线 信号线 天馈线等 需 过 程控 制 数据 设备/ 线路做特殊的等电位连接. 系统此特殊的等电位连接器 即 为 SPD Surge 低压配电系统Protective Device:电涌保护器 为了防止瞬态浪涌摧毁电气系统 所有处于危险中的接口 如信号输入和电源 必须安装防雷及电涌保护器如图 7 所示 通过 有效保护电路 我们可以完全地防止浪涌电压的侵害 保护方案的第一步是列出所有需要保护的设备和保护区域然后对所有登记的设备所需的保护级 ------通信------无线传输必须把被保护的系统或别进行评价不同类型的------数据处理 设备看成是在一个受保护区域内如图七所示 在所有的交叉点 线路----保护电路 应安装与需保护装置的具体电路类型或接口标称数据相匹配的防雷及电涌保护器. 如此保护电路之内的区域是安全的不可能受外部耦合浪涌电压的侵害 保护区的内部范围的设计应保证过电压不能从外部进入 同样 各种不同电路 如该范围内的电源线路和数据线路的相互影响也必须完全排除这样就可能以采取用接地金属框架的地面沟道布线方式取代窗框沟道布线 电源线路和数据线路相互屏蔽 敷设于特殊的沟道里 当所有进入或离开该过电压保护区的电路均通过适当的电涌保护器之后 所有的导电部件 例如管道 也应与均压等电位系统建立连接 根据过电压保护方案所纳入建筑和电气规划阶段的不同 此类过电压保护区分别可以涵盖整个建筑 一个空间 一个空间的局部或者仅仅一台计算机如果本来仅需一台计算机工作 甚至也许是单项工作 而要将过电压保护区扩展到整个房间或整个建筑 就不经济了结束语基于上述原因 迅速提高和增强人们对雷电灾害的认识和防御意识 深入开展防雷技术的研究 推出高品质的防雷产品 实施有效的雷害防护措施 是我们公司在雷害防护事业的发展目标