通信综合防雷概述_搜狐科技_搜狐网

原标题：通信综合防雷概述

雷电基础知识、防雷基本原理、采用的主要技术手段和器材

雷电是一种自然现象。只要云层存在运动，满足一定条件后就会发生雷击。

一次雷闪发生的整个过程时间大约在几十微秒。

雷电的幅值可以达到几百千伏以上，瞬时能量极高。中等大小的雷积聚的能量等于8公斤汽油，一次闪电放电电荷Q可从零点几库仑到1000多库仑。第一次负闪击的放电量在10多库仑者居多。

因此，雷击不可能消灭，只能疏导并采取措施减少危害;

雷电流瞬时值i＝I0(e-ąt-e-βt)

雷电流发出的热量Q= R∫i2dt

I0 —— 雷电流峰值（从数kA到数百kA）

ą—— 波前衰减系数

β—— 波尾衰减系数

R —— 雷电流通道的电阻，Ω；

“迄今为止，尚无一种方法和设备能改变大自然的气象现象——阻止雷电的发生，或阻止雷电击中建筑物及附近大地”。

消雷、拒雷、阻雷、等离子避雷试图“人定胜天”，不如认识雷电趋利避害。

雷云对地电位可达上亿伏特

电荷:均值 30 库仑;

能量: 中等大小的雷积聚的能量等于8公斤汽油;

放电时间微秒级，瞬时功率极大;

发展速度极快：负极性的先导平均发展速度量级为105公里/秒;

下行先导前端的游离区半径可达百米;

因此，雷击不可能消灭，只能疏导并采取措施减少危害;

一、“路”的途径

“路”就是可传播信息的传导线，耦合线。从一端到另一端的途径。

二、“场”的途径

“场”就是电磁波。通过空间介质传播能量。

光纤虽然也是通过介质传播能量，但传播的是“光能”，不是“电能”。

我们知道，在同一负载上（设负载为纯电阻），功率P只与通过它的电流的平方成正比，通过计算，有：

W(ω)/W0=2/п（β－а）×[βarctg ω/а-arctgω/ β]ω

可得到雷电波的波能量比率积累的频率分布，如图：

浪涌电压的定义

雷电流波形图

雷电防护区划分

雷电防护区的划分是将需要保护的控制雷电电磁脉冲环境的建筑物，从外部到内部划分为不同的雷电防护区（LPZ）。

雷电防护区应划分为：直击雷非防护区、直击雷防护区、第一防护区、第二防护区、后续防护区（见图），并符合下列规定：

1)直击雷非防护区（LPZ0A）：电磁场没有衰减，各类物体都可能遭到直接雷击，属完全暴露的不设防区。

2)直击雷防护区（LPZ0B）：电磁场没有衰减，各类物体很少遭受直接雷击，属充分暴露的直击雷防护区。

3)第一防护区（LPZ1）：由于建筑物的屏蔽措施，流经各类导体的雷电流比直击雷防护区（LPZ0B）减小，电磁场得到了初步的衰减，各类物体不可能遭受直接雷击。

4)第二防护区（LPZ2）：进一步减小所导引的雷电流或电磁场而引入的后续防护区。

5)后续防护区（LPZn）：需要进一步减小雷电电磁脉冲，以保护第三度水平高的设备的后续防护区。

雷电的危害

雷云对地放电，能够对地面上的建筑物和设施带来的严重危害。从危害的方式来分，雷击的破坏作用主要分为两类，即直接破坏作用和间接破坏作用。直接破坏作用主要表现为雷电引起的热效应、机械效应、和冲击波等；间接破坏作用主要表现为雷电产生的静电感应、电磁感应和暂态过电压等。对于雷电的防护来说，充分认识雷电破坏作用的产生机理及其危害的严重性是十分重要的。

雷电的静电感应与电磁感应

雷电的静电感应和电磁感应作用属于雷电的间接破坏作用。由静电感应和电磁感应所产生的暂态过电压比以上介绍的直接破坏作用具有更大的危害范围，它能够损坏建筑物内的电子系统和电气设备，甚至造成人员伤亡，因此在防雷设计中，一直受到关注。

静电感应

要减小雷电静电感应的危害程度，就必须设法减少建筑物顶部金属体上的感应电荷，这就需要金属体具有良好地接地，以尽可能快地将感应电荷泄放入地。

电磁感应

沿线路进入建筑物内的感应过电压波常称为雷电侵入波，它是一种典型的雷电暂态过电压，对信息系统中的电子和微电子设备极具危害性。

雷电流具有很大的幅值和波头上升陡度，能在所流过的路径周围产生很强的暂态脉冲磁场。根据电磁感应定律，这种快速变化的脉冲磁场交链导体回路时，能在回路中感应出电动势，产生过电压和过电流。

雷电流产生的暂态脉冲磁场不仅能在建筑物内的导体回路感应出过电压和过电流，而且也能在建筑物之间的通信线路回路中感应出过电压和过电流。近些年来，随着信息处理技术的广泛应用，大量电子设备正普遍地进入各种建筑物内，建筑物之间的信息交换与传递也日趋增强，这就使得雷电脉冲磁场的危害性正变得越来越严重。

雷电流不仅能产生脉冲磁场，而且也能产生脉冲电场，并能以电磁波的形式直接辐射到电子设备中去，使电子设备受到干扰或被损坏。

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暂态电位升高

由直接雷击在建筑物防雷装置中各个部位上产生的暂态电位升高现象，对于建筑物内的设备与人员颇具危害性。暂态高电位能够产生很大的暂态电位差，造成对设备的间接雷击；它也能够产生过大的跨步电压和接触电压，对人身安全构成威胁。在防雷设计中，暂态电位升高一直是一个倍受重视的问题。

（1）电位升高与雷击反击

在建筑物遭受雷击时，雷电流流过防雷装置中各分支导体和接地体时，将会在分支导体的电感、电阻和接地电阻上产生压降，使防雷装置中各个部分的对地电位都有不同程度的升高。由于雷电流持续时间很短，这种电位升高现象所持续的时间也很短，所以称为暂态电位升高。

由暂态电位升高使防雷装置中的某些部位与周围金属体之间发生闪击的现象称为雷电反击。在发生反击后，被反击的金属体将带上高电位，它又可能继续对其周围的其他金属体反击，从而可能引发多个金属体之间的一系列反击，导致严重的设备损坏和人员伤亡。在许多情况下，暂态高电位还可以从雷击处通过一定的渠道传递到较远的地方去，在那里再引起反击，损坏设备。

当通信设备所在的建筑物遭遇直接雷击时，建筑地网的电位会瞬间升高到几十kV,而设备本身的相线、零线及信号线路都还处在一个比较低的电位，所以地线与相线和信号线之间存在的这个电压差就会同时施加到设备上，这个电压可能高达几十kV甚至几百kV，会把通信设备完全击毁或击坏，据统计，有60%-70%的信号部分损坏是由于地电位反击引起的，所以此点必须引起大家的重视。

（2）跨步电压与接触电压

暂态电位升高不仅能对电子系统和电气设备造成危害，而且也能对人身安全构成威胁。在发生雷击时，雷电流流经接地体散入大地，将在周围土壤中产生压降，使附近地面上不同点之间出现电位差。如果人站在这块具有不均匀电位分布的地面上，则在人的两脚之间就存在着一定的电压。

引下线泄流时电位分布示意图

引下线泄流时电位分布及与反击电压关系示意图

在工程上，常将人跨一步的步长取为0.7m，并把这一距离两端的电位差称为跨步电压。跨步电压的大小直接关系到地面上行走人员的安全，是防雷与接地设计中必须要考虑的一个重要安全指标。它与多种因素有关，如接地体度、土壤结构、土壤电阻率、雷电流幅值与波头陡度等。在土壤电阻率小的地方，接地体周围的暂态电位分布曲线比较平滑，跨步电压较小；而在土壤电阻率大的地方，电位分布曲线则比较陡翘，跨步电压比较大。由图还可以看到，越靠近接地体的地方，跨步电压越大，当跨步电压超过允许值时，就会造成人员伤亡。

暂态电位升高不仅会通过跨步电压来威胁人身安全，而且还会通过人体接触防雷装置或与其相连的金属体而对人身构成伤害。如前所述，雷电流在防雷装置中传输会使其各个部位的暂态电位升高，并在接地体周围形成不均匀的电位分布。当人触摸与防雷装置的相连的金属体时，从触摸的最高点到人站立点之间存在着一个暂态电位差，使人体承受电压，这一电位差称为接触电压，如图所示。它可以达到几万伏甚至更高的数值，可能造成严重的触电事故。即使是接触那些不与防雷装置相连、但由防雷装置之间绝缘距离不够而受到雷电反击的金属体（如设备金属外壳和金属管道等），也可能会发生由接触电压所造成的触电事故。

铁路综合防雷系统的重要性、特点及发展过程

铁路信号设备是保证列车运行安全、提高运输效率和改善铁路员工劳动条件的重要基础设施，随着铁路运输日趋繁忙，计算机等电子设备在铁路信号中得到了广泛的运用。

早期的信号设备多由机电产品构成，抗雷击能力较强，对防雷要求不严，因此防雷标准不高，对雷电电磁脉冲的传统防护手段主要以各个设备分散设置防雷元器件、分散设置地线的方法，由于这种方式没有把信号设备的防雷和建筑物的防雷作为一个整体系统考虑防雷方案，对于强电磁干扰，尤其是直击雷缺乏有效的防护效果。加之信号设备主要设置在铁路沿线，设备分散，特别容易受各种地区的雷电气候的影响。

2002年2月9日发布的TB/T 2311-2002 《铁路电子设备用防雷保安器》，是在基于以电气设备防护为主的原铁道部行业标准TB/T2311-1992《铁路信号设备雷电防护用组合单元技术条件》基础上修订而成，为铁道信号设备防雷保安器的制造、维修和检验提供了统一的标准。

2003年3月颁布的TB/T 3074-2003《铁路信号设备雷电电磁脉冲防护技术条件》，遵循了先进性、实用性和跟既有国家标准协调的原则，尽量采用国际先进标准，提出了分区、分级的综合防雷思想，为促进铁路信号系统采用技术先进、经济合理、科学有效、安全可靠和规范的防护措施奠定了基础。

2004年5月，铁路产品认证管理委员会发布CRCC产品认证实施规则——铁路电子设备用防雷保安器，把铁路电源与通道防雷器材纳入了信号设备类强制认证目录。

在2011年以前，铁路通信综合防雷主要参照信产部YD／T 5098-2001《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》。由于这个标准针对的主要对象是独立的通信基站，与铁路通信的现实情况还是有较大的差别。我们也看到多起由于通信防雷的问题导致电务设备的损坏。随着铁路通信在铁路信号传递中平台作用越来越突出，它的防雷缺陷问题表露得也越来越突出。因此，《铁路通信设备雷电综合防护实施指导意见》铁运[2011]144号的出台就是顺理成章的事了。

防雷的基本原理：

通过建筑物外部的、内部的防雷措施，将雷电流带来的电磁效应减小到设备可以承受的绝缘水平以下。

防雷的基本手段：

1）接闪：利用避雷针、避雷带等金属物体接受雷电流；

2）引下：将接闪的雷电流通过引下线导入地网；

3）地网：发散雷电流；

4）屏蔽：利用金属密闭体、管道和金属外壳等措施降低雷电流和雷电压感应的强度和幅值；

5）接地：把沿设备各种线路侵入或感应的雷电流最终泄放入地；

6）合理布线：电缆布线应尽量远离其它线缆及管线，应尽量减小由线缆自身形成的感应环路面积；

7）均压/等电位：利用SPD及接地手段控制防雷区间及设备各部分之间的电压差，使设备各部之间的电位基本相等；

8）分流：利用SPD和接地把沿电源、信号、天馈及其它金属线路或管道涌入的雷电流泄放入地。

反击的预防：接闪的金属物体与在接闪瞬间与大地间存在的电压对其它金属物体发生闪击的现象称为反击。

为防止反击的发生，一般应使防雷装置与建筑物金属物体间隔一定距离，使它们之间间隔的闪络电压大于反击电压。即：

E • S ≥ U反击

E－－－介质闪络强度，kV/m；

S－－－绝缘间隔距离，m；

1、防雷的主要器材：

1）金属材料：热镀锌扁钢、圆钢，金属屋顶，紫铜排，绝缘导线；

2）接地模块：金属石墨接地体、角钢、铜包钢垂直接地体、非金属接地体；

3）各种防雷保安器：电源、通道、信号；

4）电子元器件：压敏电阻、放电管、瞬态抑制二极管、电阻、电感、电容等。

防雷与接地的关系

线路上存在的雷电流是一种外来能量。这种外来的能量如果不能泄放掉，就会在线路的薄弱部位产生危害，使薄弱部分的绝缘击穿，造成设备的损坏。

不管采取什么防雷办法，都必须将这种外来的能量（雷电流）引导入地。防雷措施就是怎样尽快的在雷电流与地之间建立一个通道，迅速地将雷电流引导入地。

接地的好坏，关系到泄流是否顺利入地并消散，会不会在泄流过程中产生其它的电磁效应。

接地不好，在泄流的过程中，雷电流无法泄放时，可能以爆炸的方式将能量释放干净。

建筑防雷与设备防雷的关系

建筑防雷是指利用建筑物中的结构钢筋、建筑物表面的避雷带、避雷网、金属物体进行泄放雷电流。

建筑物的结构钢筋、避雷带、避雷网在建筑物的外面形成一个初级法拉第屏蔽网。

从理论计算和实际测量看，通过外部的屏蔽网泄放的雷电流可以达到雷电流能量的70％以上。可以通过热效应、传导、辐射的方式将能量消耗。

当通过外部的防雷措施不能全部消散雷电流时，就通过建筑物内部的屏蔽措施、等电位连接措施、安装的设备防雷装置，将剩余的雷电流全部释放。

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