[转帖]关于建筑物内防雷击电磁脉冲的若干问题

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主　　题： 关于建筑物内防雷击电磁脉冲的若干问题
作　　者： 林维勇 (中元国际工程设计研究院)
发布时间： 2002-5-19 22:04:38
内　　容： 关于建筑物内防雷击电磁脉冲的若干问题
林维勇
中元国际工程设计研究院
（原机械工业部设计研究院）
摘 要 主要根据有关国家设计规范，国际电工委员会标准以及美国标准，本文简述建筑物内部雷击电磁脉冲的一些问题。
关键词 雷击电磁脉冲；共用接地系统；等电位连接；屏蔽
SOME PROBLEMS ABOUT PROTECTION WITHIN STRUCTURES
AGAINST LIGHTNING ELECTROMAGNETIC IMPULSE
Lin Weiyong
INSTITUTE OF PROJECT PLANNING & RESEACH
OF ENGINEERING INTERNATIONAL
Abstract Mainly on the basis of relative national design code, IEC and IEEE standard, in this paper some problems about protection within structures against LEMP(lightning electromagnetic impulse) being briefly described.
Key Words LEMP; common earthing system; equipotential bonding; shielding

1 引言
有关防雷击电磁脉冲的一些问题在参考文献[1]中已有所阐述，本文不再详述。其主要 点是，一座建筑物应只设一个共用联合接地体，而且应该采用共用接地系统，即一建筑物接至接地装置的所有互相连接的金属装置（包括防雷装置）。
雷击电磁脉冲的英文是 lightning electromagnetic impulse，缩写为LEMP，在国际上是通用名称。若将L改成N（即nuclear的缩写），成为NEMP，它是指核爆炸时产生的电磁脉冲，也是一种干扰源，不过它的时间过程是以纳秒计。LEMP是以微秒计。若将L改成S，成为SEMP，它是指操作电气装置时产生的电磁脉冲，也是一种干扰源。
雷击电磁脉冲是一种干扰源，通常是指闪电直接击在建筑物防雷装置或建筑物附近所引起的效应。绝大多数是通过连接导体的干扰，如雷击电流或其分流，被雷闪击中的装置的电位升高以及电磁辐射干扰。
2 防雷等电位连接
等电位连接区分为防雷等电位连接和电气安全等电位连接。它们相同点是将分开的导电装置各部分用等电位连接导体做等电位连接，以减小在雷击下或电气装置故障下可能在这些部分之间产生的电位差。
但防雷等电位连接还包括不能直接连接的带电体和信息线，当出现危及线路绝缘和设
备的电位时通过安装电涌保护器（SPD）做等电位连接，即当出现危险电位时SPD动作，以
减小其两端的电位差。
2.1 等电位连接网络
区分为电气安全的等电位连接网络和信息系统从直流至高频的功能等电位连接网络。这两个网络又要互相连接在一起。
电气安全的等电位连接网络，主要是通过与配电线路敷设在一起的保护地线（PE）构成，保护地线又必须根据配电系统的大小在多处（如每层楼或有配电箱处）与共用接地系统以及信息系统的功能等电位连接网络做等电位连接。
信息系统功能等电位连接的基本方法示于图1，它们的组合示于图2。

图1 信息系统功能等电位连接的基本方法

注：图例见图1。
图2 信息系统功能等电位连接方法的组合

当采用Ss或Ms等电位连接网络时，信息系统的所有金属组件，除等电位连接点ERP（即接地基准点）外，应与共用接地系统各组件有大于10 kV、1.2/50μs的绝缘，如铺以橡胶垫。
通常，Ss或Ms等电位连接网络可用于相对较小、限定于局部的系统，低频率和杂散分布电容起次要影响的系统可采用这两种方法。美国标准[3]建议，当模拟电路的频率不大于300 kHz时可采用这两种方法；当数字电路的频率达MHz级时应采用Mm 型等电位连接网络.
2.2 Mm型网状结构接至共用接地系统的功能等电位连接两例[3]
例一是利用钢筋混凝土地面内焊接钢筋网做信号基准网，见图3，其中的标注是：1—装有电子负荷设备的金属外壳；2—混凝土地面的上部；3—地面内焊接钢筋网，利用其作为高频信号基准网，除固有的绑扎点外，宜在约500～600 mm网格交叉点上加以焊接。地面内钢筋网应与其周围的柱、墙、圈梁内钢筋连通；4—高频等电位跨接线，其长度宜短于500 mm。由于高频集肤效应，应采用薄而宽的金属带，铜或钢材都可以。但与其它钢质物连接时采用钢带的优点是不会产生直流电池的腐蚀效应。两端的连接应有良好的电气接触，最好是焊接；若采用机械连接，每端应用两根螺杆或螺丝固定；5—每台外壳应有两根不同长度的等电位跨接线，长度各为不同于干扰波（人们感兴趣的）波长1/4的倍数，并设在外壳的对角处。

图3 利用钢筋混凝土地面内焊接钢筋网做信号基准网

例二是在活动地板下用薄铜带构成的高频信号基础网络，见图4，其中的标注是：1—薄铜带，可用0.25 mm x 100 mm；2—薄铜带与薄铜带之间的焊接连接；3—薄铜带与立柱之间的焊接连接；4—薄铜带与等电位连接带之间的焊接连接；5—设备的低阻抗等电位连接带；6—薄铜带与设备等电位连接带之间的焊接连接，做法与图3类似；7—电源配电中心；8—电源配电中心的接地线；9—信号基准网络与其周围建筑物钢柱（或钢筋混凝土柱上的预埋件）的焊接连接，图中仅示出3处。若周围有多根柱子时，应与每根柱子连接；若无其他柱子时，应每隔约5 m与周围的圈梁或地面内钢筋连接。

图4 活动地板下用薄铜带构成的高频信号基础网络
2.3 不应采用独立接地体[5]
当采用局部（独立）接地体做为信息技术设备（ITE）的功能接地时，由于在建筑物内的供电系统的某些故障电流会在总接地装置上产生一电位，它可能使过多的电流经保护地线和信号线流入上述功能局部接地体。（由于在设备处功能接地线和保护地线是连接在一起的）
当安装了功能接地的附助接地体时，需要采用截面不小于10 mm2铜线或其它等效导电材料的功能接地导体将其连接到装置的主接地端子板上。这样做之后，可以减轻以下诸效应：
——减小装置内保护地线和信号线的过流；
——减小在装置内部预期可触及的导电部位之间的接触电压；
——减小功能接地体附近的跨步电压；
——减小电磁干扰，包括雷击效应，特别是在敏感电子电路附近。
3 线路屏蔽
规范[2]指出：“在需要保护的空间内，当采用屏蔽电缆时其屏蔽层应至少在两端并宜在防雷区交界处做等电位连接，当系统要求只在一端做等电位连接时，应采用两层屏蔽，外层屏蔽按前述要求处理。”
以往电缆屏蔽的“金律”要求是，电缆屏蔽层仅接地一次，即仅一端接地。该“金律”的目的在于阻止导电性“接地环路”(屏蔽层多于一点接地，例如每一端都接地)产生不希望有的电流流过。问题是本“金律”不是一个有效的规则，当它仅涉及直流和低频信号(特别是模拟信号)时有时才是有效的。
现代数据的传输电路要求保护信号免受近磁场效应的电磁干扰，因此要求蔽屏层要两端接地，以使与电磁干扰有关的近磁场在蔽屏层上产生一电流。然后利用这一蔽屏层电流在传输信号的导线上建立起反向电流，相位差接近180ο,以抵消原来在该导线上感应的电磁干扰电流。这是一个重要的概念，而且对电缆屏蔽层提供静电屏蔽的能力没有任何不利的效应。
两端接了地的电缆屏蔽层可能(例如)由于屏蔽层接了地的两端之间的电位差而产生不希望有的屏蔽层电流。通常，这类电流与供电系统的基波和谐波有关。
产生于屏蔽层的直流和低频电流可以采用以下方法消除掉或大大减小，即在屏蔽层的一端在屏蔽层与其接地点之间接入一堵塞器件。例如，装入一同极性串接起来的两个整流二极管，以建立起闭锁电压，这是由于两个二极管正向电压降产生的。若此闭锁电压略大于屏蔽层与接地点之间所测量的电压时(测量端的屏蔽层是开路的)，将无电流流经屏蔽层，直到闭锁电压小于所测量的电压，这时就有电流流经屏蔽层。例如，在这种情况下，正常的供电系统电流不会流经屏蔽层，但雷击时将会产生较高的电压而使两个反向连接的二极管导通，因而产生的电流流过屏蔽层，因此，也会引生所期望的反向电流。
采用瞬时或电涌齐纳二极管(例如硅雪崩二极管)通常比采用典型的整流二极管是一种更好的方法。美国许多电话公司经常采用另外一种实用的方法，即在用户处的电缆屏蔽层与相关接地端之间接入一交流电容器。这一装置完全阻断直流电流，由于电容器在低频下的高阻抗，也几乎完全阻断与供电系统有关的屏蔽电流。然而，在高频下的电流，如雷击
产生的电流，电容器将被看作是一很低的电阻值，并将产生所期望的流经屏蔽层的电流，以便产生前述的反向电流效应。
要注意，当在由电缆两端的电位差引生的不希望有的屏蔽层电流的频率与所包含的导线传送的信号频率之间的差别较大时，在这种情况下甚至不管由于什么原因产生不希望有的屏蔽层流动电流，也不大可能影响所传送的信号，这是高速数字信号处理过程的典型情况，也是现代设计中正常的情况。
3．1 电缆屏蔽层仅一端接地可能产生的危险
当电缆屏蔽层仅一端接地，当然另一端是不接地的，这样，这一不接地的一端，当不管由于什么原因产生危险电压时，将会在很大可能性上发生火灾和人身电击危险。产生电压的三种通常形式是:
a)雷击;
b)交流供电系统接地故障；
c)意外接触屏蔽层的某一点同时又接触到另一有较高电压的系统中的导体。
在上述三种的任一情况中，容易电击是明显的，任何人都不愿意在出现危险电压的时间内接触到屏蔽层不接地的外露的一端。火灾危险显然不是容易发生的，因为通常要出现以下情况时才具有火灾危险，即在电缆屏蔽层与附近接了地的物体（如终端设备的金属外壳）之间产生电弧以及在附近有易燃物时。然而，若屏蔽层不接地的一端引入设备，这里可能会有一些易燃物，产生的电弧能对诸如印刷电路板、空气过滤器（其中装有亚麻布带并有灰尘）及其它物质有影响。此外，甚至在这种情况下不发生火灾，但电弧可能打到内部的电子电路，而使其造成严重损坏，或者由于环绕它的近磁场的效应而使其损坏。
对上述危险，美国国家电气法规（NEC ）[3]要求，电缆信号导线及相关屏蔽层在电缆从室外进入室内通过分界点处要加以保护或接地。NEC的要求是，在分界点处所有信号导线要安装额定值合适的SPD。而电缆屏蔽层要直接接地或在屏蔽层与地之间安装SPD。
3．2 美国一石化厂的事故及试验介绍[6]
美国一个位于海岸边地区的石化厂，一天下午约5:30，受到一系列直击雷和雷电感应的袭击，致使该厂加工区附近的许多电子仪器损坏，超过160台各种形式的仪器受损。该厂用了两天半至三天替换这些损坏的仪器。其主要原因就是由于屏蔽电缆的外屏蔽层仅一端接地。后做了试验说明这一问题的原理。
试验是在一根8 m长、直径5.08 cm铝管上通以62.5 kHz、50 kV、8.73 kA电涌电流，在铝管外绑上一根双屏蔽层的控制电缆，该电缆屏蔽层的接地是一端或两端或开路。
电缆的结构类似于图5所示。

图5 屏蔽电缆的结构

整根电缆0.19 mm厚铝屏蔽层的功能示于图6。干扰电流Im（雷电流或电网短路电流，试验中以通过上述铝管的电涌电流代替）产生瞬变磁场，它在整根电缆屏蔽层和其内的导体上感应出一电位。当屏蔽层和导体的两端接地时即成为一闭合电路，这时，感应出的电位将转为瞬变电流Is和Ic，这两个电流是同相的。Is产生的磁场全部包绕电缆内的导体，在其上感应出Isc电流，Isc与Is的相位角相差约180ο，也与Ic的相位角相差约180ο，因此，Isc与Ic接近于互相抵消。若上述屏蔽层及导体两端不接地或仅一端接地，这时，没有闭合电路存在，则仅感应出一电位（电压），即感应出产生Ic和Isc的电压，其相位角也相差约180ο,所以，它们也接近于互相抵消。

图6 电缆屏蔽层的功能

试验结果示于表1。

62.5 kHz、50 kV、8.73 kA 电涌电流对有整根
电缆屏蔽层和每对绞线屏蔽层的电缆的效应 表1
流经整根电缆屏蔽层的电流 整根电缆屏蔽层的接地状态 电缆内导体 的接地状态 对地的感应 电压（V）
A 端 B端 A端 B 端
0 接地 开路 开路 开路 2000
0 接地 开路 接地 开路 2000
1.4 kA 接地 接地 接地 开路 50
1.4 kA 接地 接地 开路 开路 30

4 关于建筑物入户处SPD的容量和电压保护水平Up[4]
根据SPD安装处低压系统结构的不同，SPD的连接方法要符合表2。

根据系统结构安装电涌保护器(SPD) 表2
在以下各线之间安装SPD SPD安装处的系统结构
TT TN-G TN-S 有中性线引出的IT 无中性线引出的IT
按以下形式连接 按以下形式连接 按以下形式连接
CT1 CT2 CT1 CT2 CT1 CT2
每根相线与中性线之间 + o NA + o + o NA
每根相线与PE线之间 o NA NA o NA o NA o
中性线与PE线之间 o o NA o o o o NA
每根相线与PEN线之间 NA NA o NA NA NA NA NA
各相线之间 + + + + + + + +
注： O --- 必须； NA --- 不适用； + --- 非强制性的，可附加选用

电压保护水平的选择，不论是感应雷、远处和近处直击雷以及操作过电压，安装在电气装置的起点或其附近的SPD，其Up不应大于规范[2]中表6.4.4的Ⅱ类，对220/380 V装置Up不应大于2.5 kV。对表2的CT2连接形式，上述要求也适用于相线与PE线之间的总的电压保护水平。
当用一组SPD达不到所要求的保护水平时应增加安装，配合好的附加SPD来保证所要求的保护水平。
当仅考虑防大气过电压（感应雷、远处直击雷）和操作过电压时，进户处SPD的标称放电电流In，对每种保护模式都不应小于5 kA（8/20）。对于表2中CT2列，对连接于中性线与PE线之间的SPD，其标称放电电流In对三相系统不应小于20 kA（8/20），对单相系统不应小于10 kA（8/20）。
当考虑建筑物防雷装置或其附近遭雷击时，雷击冲击电流Iimp(10/350)可按规范[2]计算选取。若不能得出该电流值，每个SPD的Iimp对每种保护模式都不应小于12.5 kA。对于表2中CT2列，连接于中性线与PE线之间的每个SPD的Iimp可按上述规范[2]按接于相线与PE线之间的每个SPD计算值乘以以下倍数选取：对于三相系统乘以4，对于单相系统乘以2。若不能得出该电流值，则对于三相系统，每个SPD的Iimp不应小于50 kA，对于单相系统不应小于25 kA。
5 简介一种新的SPD产品
由于第4项的各种新要求，以前电压开关型的SPD，其Up通常都超过Ⅱ类绝缘耐压能力，即大于2.5 kV，因此近年来国外一些厂家对以前的电压开关型SPD进行了改进，以使其Up不大于2.5 kV。
放电间隙和氧化锌压敏电阻的优缺点见表3。将这二者组合在一起，而且不用退耦元件的一种新产品的原理见图7。这种组合式SPD在此简称FSV。

不同型式SPD的优缺点 表3
SPD的型式 氧化锌压敏电阻 放电间隙
优点 低的电压保护水平Up 有承受高的冲击电流Iimp的能力
无续流 有承受高的暂时过电压的能力
缺点 承受冲击电流Iimp的能力较低 高的电压保护水平Up
无承受暂时过电压的能力或者能力小 有显著的续流

图7 一种SPD新产品的原理图

FSV应用于三相系统的一些参量如下：Uc为255 V/50 Hz，雷电冲击电流Iimp(10/350) 为75～100 kA,电压保护水平Up ≤ 1.5 kV，短路电流能力为25 kArms。Up ≤ 1.5 kV已达到规范[2]表6.4.4中的Ⅰ类。
其特性有三种状况：
1） 当进来的电压U < Up时，FSY的保护元件不动作；
2） 当U ≥ Up，而且Wtrigger < Waktiv时，限制过电压由氧化锌压敏电阻完成，放电间隙不用动作；
3) 当U ≥ Up，而且Wtrigger ≥ Waktiv时，触发放电间隙动作，紧接着主放电间隙动作，使氧化锌压敏电阻减轻流过的电流，而不使其损坏。
Wtrigger为与氧化锌压敏电阻组合在一起的触发单元产生的触发能量（J）。Waktiv为使触发放电间隙动作的能量。Itot为进入的总电流。iprim为当氧化锌压敏电阻响应动作时流经它的电流。isek为主放电间隙响应击穿导通的电流。

参考文献

[1] 林维勇，“应该采用共用接地系统”，《工科物理》1999年副刊，现代防雷专辑（二），
14～21页
[2] GB 50057-94（2000年版），《建筑物防雷设计规范》
[3] IEEE Std 1100-1999: IEEE Recommended Practice for Powering and grounding Electronic Equipment
[4] 国际电工委员会文件，IEC-TC64/1226/FDIS(2002-01-25), Amendment 1 to IEC 60364-5-53,Ed.3: Revision of Clause 534: Devices for protection against overvoltages
[5] IEC 60364-5-548: 1996 and its Amendment 1: 1998, earthing arrangements and equipotential bonding for information technology installations
[6] K. E. Bow and A. Voltz, “Overall shield protects instrument cable from the effects of lightning”, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. IA-30, no.2, pp. 269-276,
March/April,1994
[7] Ralph Brocke, Friedhelm Noack, Peter Hasse und Peter Zahlmann, “Eine neue Generation von folgestromlosen Blitzstromableitern”, etz, ss.28-30,Heft 1-2/2001

太阳雨

老兄,文章中的图1,2,3,4,5在哪儿呀/