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技術(shù)文章
防雷知識
閱讀：315 發(fā)布時間：2010-10-19一、雷電知識
隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，集成電路對電壓和電流脈沖的敏感程度越來越高，除直接雷擊影響外，雷電引起的沖擊過電壓和電流成為造成電子設(shè)備損壞和工作中斷新的主要因素之一。據(jù)廣東省防雷中心雷電災(zāi)害調(diào)查辦公室1996年就廣東省范圍調(diào)查報告顯示：1996年廣東全省發(fā)生雷電災(zāi)害1196起，直接經(jīng)濟(jì)損失約1.374億元，間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5-10億元；僅深圳去年因雷暴造成損失就近6000萬元；而*每年的雷害損失超過100億美元，更多的雷災(zāi)損失表明，90%以上是感應(yīng)雷擊造成的。特別是zui近兩年，氣候不穩(wěn)定，雷電災(zāi)害較以往頻繁，大部分用戶單位在直接開支中需占30%的費用，用來更換或維修因雷災(zāi)損壞的設(shè)備。因此，對雷擊的防護(hù)，尤其是感應(yīng)雷擊的防護(hù)，已經(jīng)成為郵電通信、電力、鐵路、銀行（計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)）等行業(yè)重點關(guān)注和防范的課題。
1） 雷擊的形成及入侵途徑雷擊形成雷擊主要有兩種形式：
直接雷擊和感應(yīng)雷擊
直接雷擊:雷擊直接擊在物體上，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力,稱之為直接雷擊。
感應(yīng)雷擊:雷電放電時，在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的靜電效應(yīng)和電磁感應(yīng)，可能使金屬部件之間產(chǎn)生火花，稱之為感應(yīng)雷擊。
感應(yīng)雷擊的入侵途徑
1、傳統(tǒng)避雷針的副作用產(chǎn)生二次感應(yīng)雷擊效應(yīng)，雷電電流經(jīng)過避雷針導(dǎo)地時感應(yīng)到市內(nèi)的傳輸線上。幾十年來的通訊設(shè)備是從電子管、晶體管向集成電路過渡的。由于電子管、晶體管的耐沖擊能力較強(qiáng)，因此二次雷擊效應(yīng)對電子管、晶體管通訊設(shè)備沒有造成太大損害。集成化度較高的微電子設(shè)備，其耐沖擊能力差受雷擊更易使微電子設(shè)備受到損壞。通過對部分雷擊事故的分析，發(fā)現(xiàn)許多雷擊事故都是在避雷針接地完好的情況下發(fā)生的。分析其原因就是二次雷擊效應(yīng)造成的。
2、通過電源線、信號線或天饋線引入感應(yīng)雷擊通過電感性耦合（磁感應(yīng)）耦合到各類傳輸線而破壞設(shè)備。電源線引入感應(yīng)雷擊市區(qū)以外的移動通信基站的供電線路大多采用架空明線。試驗表明，雷電頻譜在幾十MHZ以下頻域，主要能量集中分布在工頻附近。因此，雷電與市電相耦合的概率很高。信號線引入雷擊為了擴(kuò)大信號覆蓋范圍，就要盡可能地增加天線架設(shè)高度（65m以上的鐵塔約占50%）。這樣，在提高信號覆蓋范圍的同時，也增加了鐵塔引雷的概率。當(dāng)鐵塔上的避雷針引雷入地產(chǎn)生二次雷擊效應(yīng)是順?biāo)碌奶祓伨€*。可一旦二次雷擊效應(yīng)以信號方式進(jìn)入饋線時，收發(fā)信號設(shè)備端口損壞也就在所難免了。
3、地點位反擊引入感應(yīng)雷擊通過阻性耦合方式經(jīng)數(shù)據(jù)線破壞設(shè)備。 通過阻性耦合方式經(jīng)中線及地線破壞設(shè)備。上述各種耦和會產(chǎn)生高達(dá)6000伏（根據(jù)BS6651，CCITT，LIT，IEEE及我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)）的瞬間電壓而破壞電子設(shè)備。
二、雷擊的防護(hù)
1、直擊雷的防護(hù)
主要依據(jù)是電工委員會IEC1312_1～3《雷電電磁脈沖的防護(hù)》、《電子計算機(jī)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》、《電子設(shè)備雷擊導(dǎo)則》、《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》等。目前，防避直擊雷都是采用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)作為接閃器，然后通過良好的接地裝置迅速而安全把它送回大地。
2、感應(yīng)雷的防護(hù)
（1） 電源防雷
根據(jù)樓房建設(shè)的要求，配電系統(tǒng)電源防雷應(yīng)采用一體化防護(hù)，由于避雷器生產(chǎn)廠家的設(shè)計思想各不相同，相應(yīng)其避雷器的性能特點也不盡一致。
（2）信號系統(tǒng)防雷 與電源防雷一樣，通訊網(wǎng)絡(luò)的防雷主要采用通訊避雷器防雷。目前，計算機(jī)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)常采用的方式有線、專線、X.25、DDN和幀中繼等，通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要為MODEM、DTU、路由器和遠(yuǎn)程中斷控制器等。通常根據(jù)通訊線路的類型、通訊頻帶、線路電平等選擇通訊避雷器，將通訊避雷器串聯(lián)在通訊線路上。
（3）等電位連接
等電位連接的目的，在于減小需要防雷的空間內(nèi)各金屬部件和各系統(tǒng)之間的電位差。 防止雷電反擊。將機(jī)房內(nèi)的主機(jī)金屬外殼，UPS及電池箱金屬外殼、金屬地板框架、金屬門框架、設(shè)施管路、電纜橋架、鋁合金窗的等電位連接，并以zui短的線路連到zui近的等電位連接帶或其它已做了等電位連接的金屬物上，且各導(dǎo)電物之間的盡量附加多次相互連接。
（4）金屬屏蔽及重復(fù)接地 在做好以上措施基礎(chǔ)上，還應(yīng)采用有效屏蔽，重復(fù)接地等辦法，避免架空導(dǎo)線直接進(jìn)入建筑物樓內(nèi)和機(jī)房設(shè)備，盡可能埋地纜進(jìn)入，并用金屬導(dǎo)管屏蔽，屏蔽金屬管在進(jìn)入建筑物或機(jī)房前重復(fù)接地，zui大限度衰減從各種導(dǎo)線上引入雷電高電壓。
三、關(guān)于雷電和浪涌電壓
閃電的常識 -- 閃電的的平均電流是：
閃電的平均電流： 30,000A （目前記錄的zui大值：300,000A）
閃電中心的空氣溫度： 攝氏3000度 90%以上的閃電是云層對云層放電過程
云層對地面的閃電次數(shù)：每秒種100次 （范圍）
閃電的強(qiáng)度可達(dá) 1000000000 伏
一個中等強(qiáng)度雷暴的功率有 10000000 瓦（相當(dāng)于一個小型核電站的輸出功率） 每年因雷擊造成的直接損失超過1000000000 美元（不含中國的統(tǒng)計）
A.浪涌雷電是浪涌電壓的一種 首先讓我們看看什么是浪涌。浪涌也叫突波，顧名思義超出正常工作電壓的瞬間過電壓。日本一些資料將浪涌分為四個組成部分。
B.SPD 我們常常說的防雷器的英文是 SPD - SURGE PROTECTION DEVICE 即 [ 浪涌保護(hù)器 ]，因此防雷事實上是浪涌保護(hù)器的一種功能，由于雷擊的浪涌電壓和能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他種類浪涌電壓，所以我們通常稱 SPD為防雷器了。
各防雷分區(qū)說明：
1、IEC 的防雷分區(qū)： LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZ2....
2、IEC 的防雷分區(qū)通俗說明： LPZ0A - 天空、沒有避雷針保護(hù)的大樓外部、上面沒有頂棚等覆蓋物的地面... 等等雷電可能會直接擊中的的空間。如大樓頂部避雷針保護(hù)范圍之外的空間。 LPZ0B - 沒有避雷針保護(hù)的非屏蔽大樓內(nèi)部、有避雷針保護(hù)的大樓天臺受保護(hù)部分、避雷線下的電纜等等雷電不易直接擊中的LEMP沒有衰減空間。如大樓頂部避雷針保護(hù)范圍之內(nèi)的空間和沒有屏蔽的大樓內(nèi)部或有屏蔽大樓內(nèi)部的窗口附近。 LPZ1 - 雷電不易直接擊中，但LEMP因屏蔽而衰減的空間。如上述屏蔽大樓內(nèi)部（不包含窗口附近）。 LPZ2 - 在LPZ1區(qū)內(nèi)，再次屏蔽的空間。如上述屏蔽大樓的另外設(shè)立的屏蔽網(wǎng)絡(luò)中心。 LPZ3 - 在LPZ2區(qū)內(nèi)，再次屏蔽的空間。如上述屏蔽網(wǎng)絡(luò)中心內(nèi)的機(jī)器金屬外殼內(nèi)部，或接地機(jī)柜內(nèi)部。
3、假如我們把所有雷擊與浪涌的電源保護(hù)的措施分為"五級"
*級：避雷針、避雷線、避雷網(wǎng)等直擊雷的金屬引下接地等裝置 - 屬于外部防雷
第二級：IEC CLASS-I 進(jìn)線端總電源防雷或LPZ0區(qū)進(jìn)入LPZ1區(qū)界面的等電位連接 - 屬于內(nèi)部防雷
第三級：IEC CLASS-II 分配端的電源防雷或LPZ1區(qū)進(jìn)入LPZ2區(qū)界面的等電位連接 - 屬于內(nèi)部防雷
第四級：IEC CLASS-III 設(shè)備端的電源防雷或LPZ2區(qū)進(jìn)入LPZ3區(qū)界面的等電位連接 - 屬于內(nèi)部防雷
第五級：合格的通過正常設(shè)計和安裝的電子設(shè)備內(nèi)部應(yīng)該具備的基本浪涌吸收能力 - 基本浪涌吸收能力
IEC LPZ防雷分區(qū)
LPZ 0A - 易造受直接雷擊，因而可能必須傳導(dǎo)全部的雷電流。LEMP*無衰減（例如大樓外部，而且不在避雷針保護(hù)范圍內(nèi)的部分）。
LPZ 0B - 不易造受直接雷擊，但 LEMP* 無衰減（例如大樓外部，但在避雷針保護(hù)范圍以內(nèi)的部分）。
LPZ 1 - 不易造受直接雷擊，但 LEMP* 比LPZ 0B區(qū) 有衰減（例如鋼筋水泥框架結(jié)構(gòu)大樓內(nèi)部）。
LPZ 2 - 后續(xù)防雷區(qū)
2，較LPZ 1區(qū)進(jìn)一步減小傳導(dǎo)電流或電磁場 （例如大樓內(nèi)部的屏蔽機(jī)房）。
LPZ
3 - 后續(xù)防雷區(qū)3，隨著要求可以進(jìn)一步設(shè)立防雷分區(qū) （例如屏蔽機(jī)房內(nèi)的屏蔽接地的主機(jī)柜）。 *LEMP - 雷電電磁脈沖輻射-閃電電流和閃電電磁場 參見[為什么要進(jìn)行三級保護(hù)]
IEC分級防雷
級間線路距離不能太短，避免前后級防雷器線路距離太近導(dǎo)致的前級防雷器不動作問題末級和設(shè)備間線路距離不能太長，避免前末級和設(shè)備間的線路感應(yīng)新的雷擊電壓，導(dǎo)致的設(shè)備端限制電壓超過安全值。
電源系統(tǒng)的保護(hù) -- 電源保護(hù)
信號系統(tǒng)的保護(hù)（包括有線通信、無線通信、網(wǎng)絡(luò)通信、遙感遙測等） -- 信號保護(hù)
根據(jù)雷擊引入設(shè)備的渠道對可能遭受雷擊的設(shè)備實施防雷保護(hù) -- 從防雷方案看SPD絕大多數(shù)單位的內(nèi)部防雷，根據(jù)雷擊可能引入的途徑和感應(yīng)途徑不外乎從以下幾個方面進(jìn)行保護(hù)：
1 電源三級防雷 （IEC相關(guān)規(guī)定、三級防雷的要求及原因、分級防雷的級間距離、8/20和10/350波 ...）
2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)防雷 （網(wǎng)絡(luò)防雷注意事項、各種形式的網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)專線的防雷 ...）
3 通訊系統(tǒng)防雷 （線路防雷、專線系統(tǒng)的防雷、無線通信 ...）
4 信號系統(tǒng)防雷 （無線通信、監(jiān)控監(jiān)視信號、遙感遙測遙控 ...）
5 地電位均衡（地極防雷） （地電壓反擊、地電位均衡 ...）
參見 [內(nèi)部防雷和外部防雷] [雷擊引入的渠道] 既然雷電對線路的感應(yīng)和地電位反擊是造成設(shè)備損壞的zui重要的原因，那么就應(yīng)該在線路中加裝設(shè)備對瞬態(tài)過電流、過電壓進(jìn)行有效的抑制，這種設(shè)備被稱為避雷器、稱浪涌抑制器、防雷保安器等。由于雷電感應(yīng)主要是通過供電線路和各種信號線破壞設(shè)備的，因此對計算機(jī)信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)主要地是合理地加裝電源和信號避雷器，并進(jìn)行合理的等電位連接。
結(jié)束語
隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，計算機(jī)的應(yīng)用已越來越廣泛。我們對復(fù)雜的雷電機(jī)理還在進(jìn)一步深入了解研究，目前的防雷方案也許還有一定的局限性，還難以*有效地防止雷電的破壞。我們將繼續(xù)不懈地研究和探討，盡量將雷擊可能造成的損害減少到zui低限度，以 保障各網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。