深入理解两种防雷保护的方法

作者:老电工2019年07月03日 06:34

有关两种不同防雷保护方法的应用实例,常规(传统)的防雷保护方法,电子信息系统的防雷保护,电子信息设备受雷击的概率较高,更应该做好避雷防雷措施。

二种防雷保护的方法

一种以信息技术为核心的高技术得到了迅速发展,从而引发了一场新的科技革命,信息技术已成为这场科技革命的基础与核心。

因此,国内外都十分重视信息技术的开发与应用,尤其是最近10年来,国内各行各业都在日益广泛地采用信息技术装备自己,其规模和速度都是空前的,但是在这种信息技术的开发与应用中,由于信息系统的电磁兼容能力低下,抗雷电电磁脉冲过电压的能力十分脆弱,在闪电环境下的易损性较高,因此雷电已成为信息技术应用中的一大公害。

为了消除这一公害,人们采用了各种防雷保护措施,以求雷电安全,但是其结果是有的取得了预期的防雷效果,保证了电子信息系统的雷电安全;而有的则反遭雷击,损失更大。究其原因就在于不同的防雷保护方法,其保护对象、保护重点、保护措施都是截然不同的,如不能正确的应用,必然会造成不良的后果,为此本文特作如下阐述,以供交流。

一、常规(传统)的防雷保护方法

由《建筑物防雷设计规范》可以看出,常规防雷的保护对象主要是保护建筑物免遭直接雷击,防雷保护的措施主要是装设避雷针或避雷网(带),其中避雷针的应用最为普遍,如各种建筑物、各种设施的顶端(如楼顶、塔顶、油罐顶、烟囱顶、柱灯顶、独立避雷塔顶等)都布满了避雷针,这说明避雷针是深受“欢迎”的。问题在于这种常规的防雷方法已有250年的历史了,人们经过长期的实践证明它对直击雷的保护是有效的,因此给人们一种错觉,以为防雷就是装避雷针保护就行了,但实际上它是引雷的。

它是通过自身的高度,在其尖端的高突处形成电场的畸变,在雷云电场的作用下,当尖端的电场强度大于空气电离场强时,开始电离空气,形成迎面先导,并与雷云的雷电先驱相遇,完成雷击过程,也就是说避雷针是通过把雷电引向自身来完成避雷针周围保护区范围内的被保护对象免遭直接雷击的,所以避雷针的保护是靠“引火烧身”来实现的。但在这“引火烧身”的过程中会产生许多负面效应,其中最主要的有:产生感应雷、增加雷击概率和地电位反击。

1.1 产生感应雷

避雷针引雷后,在强大的雷击电流入地的过程中,由于雷电流陡度di/dt的作用,在其周围金属体内产生再生电压,即感应脉冲过电压,它可以来自云中放电,也可以来自对地雷击,所以其概率比直击雷大得多,而且作用范围也大,如一个30kA的中等雷落在避雷针上所产生的感应脉冲过电压为:uj=0.2(ln1000/a-1/2)di/dt10-6(kV/m) (1)

式中,a为雷电流引线与被感应导体间的平行距离(m);di/dt为雷电流陡度,为30/2.6=11.5(kA/μs)。

由式(1)可知,30kA的雷击在避雷针周围导体上耦合的感应脉冲过电压值见表1。

两种不同的防雷保护方法1

由表可以看出,避雷针周围500m范围内的电子信息设备都是其破坏对象。

根据(1)式可以看出,感应雷的幅值与雷击点的距离成反比,与雷电流的幅值和陡度成正比,所以雷击点越近,雷电流的陡度越大,感应脉冲过电压就越大,也就越危险,所以用避雷针保护时,由于雷击点距被保护设备最近,耦合的感应脉冲过电压最大、危害也就最大。

1.2 增加雷击概率

避雷针保护必须要有足够的高度才能完成其防直击雷的目的,而避雷针的高度与雷击概率的关系是

N=0.015TK1K2h2×10-4(次/年) (2)

式中,T为年雷电日数(日);K1为落雷不均匀系数,易受雷击的建筑物K1=1.5~2.0;K2为建筑物材料影响系数。金属材料K2=1.5,非金属材料K2=0.15;h为避雷针高度(m)。

由此可知,在同样条件下雷击概率N与避雷针高度h平方成正比,因此采用避雷针保护不但是引雷的,而且会大大增加雷击概率。例如,仪征油库于1990年6月安装了两座65m高的消雷器,据计算雷击概率增加4.7倍,建成后第10天就招来了第一次雷击,事隔4年又招来了第二次雷击,使库区内的测控设备损坏,造成严重的经济损失。

1.3 地电位反击

在强大的雷击电流入地后,地电位会瞬间升高,这时的地电位是

ux=iR+l0hdi/dt(kV) (3)

式中,i为雷击电流(kA),此处i=30kA;R为接地电阻(Ω),此处R=4Ω;l0为引下线每米电感量(μH/m),取l0=1.67(μH/m);h为接地引下线长度(m),取h=20m。

若取i=30kA,R=4Ω,l0=1.67μH/m,h=20m,则uX=504.1kV,该值足以击穿1m的干空气。如果与避雷针的接地系统间距离不够时,就会产生地电位反击效应,使周围的设备受到损坏或人员受到伤害。因此用避雷针保护时,必须保持足够的安全距离(应符合GB50057-94规范的规定)。

二、电子信息系统的防雷保护

电子信息设备不同于一般的电气设备,因为电气设备具有较高的抗感应脉冲过电压的能力,而电子信息设备则截然不同。因为:

1) 电子信息设备抗感应脉冲过电压的能力低下,易受感应脉冲过电压的袭击

电子信息设备是集电脑技术与集成微电子技术于一身的产品,随着集成微电子技术的发展,芯片的尺寸越来越小,系统的信号电压也越来越低,现已降到10V以下,有的已降到5V以下,这种产品的电磁兼容能力很差,很容易受感应脉冲过电压的袭击。

2) 电子信息设备受雷击的概率较高

一般电气设备主要是受直击雷的危害,直击雷的概率相对较低;而电子信息设备不但要受直击的危害,而且还要受感应雷的危害,而感应雷的概率要比直击雷高得多。因为感应雷除由直击雷产生外,还包括远处放电的电磁脉冲感应,而且直击雷所产生的感应雷的作用达数百米之远,所以电子信息设备受闪电危害的概率较高。

3) 系统复杂、设备较多、线路较长,给雷电的耦合提供了条件

电子信息系统是由信息采集、加工处理、传输、检索等众多环节组成的。由于系统环节多、接口多、线路长等原因,给雷电的耦合提供了条件。例如,一个信息系统不但有电源进线接口,还有信号输入输出接口、天馈接口等。这些接口的线路较长,正符合闪电耦合的条件,是感应脉冲过电压容易侵入的原因,也是感应脉冲过电压波侵入的主要通道,所以电子信息系统的致命弱点是电磁兼容能力差,易受闪电的危害。

因此,根据雷电电磁脉冲防护标准(IEC-1312-1),电子信息系统的防雷保护应根据雷电电磁脉冲的严重程度进行分区保护,把需要保护的空间划分为不同的防雷区(LPZ),见图1。

图1中,LPZA为非直击雷保护区,LPZB为直击雷室外保护区,LPZ1为室内第一级建筑屏蔽区,LPZ2为室内第二级建筑屏蔽区。

在分区保护的原则下,进行信息防雷的系统设计是实现全方位保护的重要思想。从直击雷保护、均压设计,到感应脉冲过电压保护等的设计见图2。不能留有缺口,更不能简单地装根避雷针,或买些电子避雷器装上,就自认为是电子信息防雷保护了。

两种不同的防雷保护方法2

两种不同的防雷保护方法3

根据信息防雷的需要,信息系统的直击雷保护应采用抑制性的防雷方法,力求减少或避免直接雷击,因此应防止滥用避雷针保护,宜用避雷网(带)保护;均压设计应采用严格的一点接地网络系统,使所有信息设备均从一点获得基准零电位,所以即使雷电流通过一点接地网络,地电位只是瞬间升高,各地线间也不会出现毁坏性电位差,也只是“水涨船高”的关系,不会出现危险的基准电位差。

可见,信息防雷的均压设计是以信息设备的基准电位相同为基础的,并保证雷击时不会出现危险的基准电位差为标准的,这与传统的均压观是有差别的。感应脉冲过电压的保护应根据分区保护的原则,在信息系统的雷电通道上配置相应的电子避雷装置,使感应脉冲过电压波截获在信息设备之外。

实践证明,经过上述电子信息系统的防雷设计与安装后,信息系统的雷电安全是可以实现的。如西昌卫星发射中心来函中写到:“我中心地处四川省凉山州境内,属强雷暴区,做好雷电安全是保证航天发射的重要环节。为此,中心17#站、24#站、6#站、5#站、22#站都先后由银河公司负责电子信息系统避雷的设计与安装,至今未发生任何雷击事故。尤其是22#站,安装当年就记录到18次感应雷,设备均未受损,而以前存在设备经常被雷击现象。”如此等等,众多用户的反馈信息证明,只要根据信息防雷理论进行信息防雷的系统设计,信息系统的雷电安全是有保证的。

三、正确应用两种不同的防雷保护方法

上述两种防雷保护的对象、重点、方法都是不同的。常规防雷保护的对象是建筑物,防雷重点是直击雷的危害,防雷的方法是装避雷针或避雷网(带)保护;而电子信息系统的防雷重点是感应雷的危害,防雷方法是根据抗雷电电磁脉冲防护标准进行系统设计,通过分区保护来实现的。两者各有其不同的保护对象,不能盲目套用常规的防雷保护法去解决信息系统的雷电安全问题。

根据国际电工委员会(IEC)的标准,常规防雷为建筑物防雷,即IEC-1024-1;电子信息防雷为建筑物内或建筑物顶部信息系统的防雷,即IEC-1312-1,所以两种不同的防雷其IEC的标准是不同的。只有正确认识两种不同的防雷保护,完成各自不同的防雷保护任务,才能达到防雷的目的,才能有效地保护电子信息设备的雷电安全,使国家少受损失。

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