《防雷技术》培训记录，【通天雷神】整理

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《防雷理论上的设计顺序》

防雷，理论上的设计顺序是：
1避：躲避，不建在易遭雷击的地方；
2蔽：屏蔽，将易感应雷电过电压线路屏蔽；
3隔：隔离，将易相互干扰、易出现电压差相互反击的线路隔离；
4地：接地，按接地功能，将所有需要接地的设备按次序接地，保持足够的接地距离；
5等：等电位，当无法屏蔽，无法隔离，没有足够的接地距离时才做等电位连接，其中，安装电涌保护器是等电位连接的一种方式。
其实,怎么个屏蔽、隔离、接地、等电位法是个值得研究的问题。行业里大多数人概念上有问题，所以做的时候问题更大，做不等于没有做，做了不如不要做，等等。所以，我想抽点空说说想法，这样可以以正视听。
哈，做任何事情，心里都要成系统，都要综合、全面的去考虑问题。
我们就先说说“避”，就是躲避。
在说之前，先看看什么东西是容易遭受雷击的。这个也许大家都知道。

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雷电的选择性
A、易遭雷击的地点：1、土壤电阻率较小的地方，如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、湖沼、低洼地区和地下水位高的地方；2、山坡与稻田接壤处； 3、具有不同电阻率土壤的交界地段。


B、易遭受雷击的建（构）筑物：1、高耸突出的建筑物，如水塔、电视塔、高楼等；2、排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等；3、内部有大量金属设备的厂房；4、地下水位高或有金属矿床等地区的建（构）筑物；5、孤立、突出在旷野的建（构）筑物。


C、同一建（构）筑物易遭受雷击的部位：1、平屋面和坡度≤1/10的屋面，檐角、女儿墙和屋檐；2、坡屋度＞1/10且＜1/2的屋面；屋角、屋脊、檐角和屋檐；3、坡度＞1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角；4、建（构）筑物屋面突出部位，如烟囱、管道、广告牌等。



避有两重意思：1、在建筑物或者构筑物选则地址的时候  不要选在易遭受雷击的位置，选择易遭受雷击的结构。2、当建筑物所处地区所处的位置有大的雷击风险的时候，要先考虑安装避雷针、避雷带等用于保护建筑物和建筑物中的人安全的“避”雷措施。



问题：易遭受雷击的结构，不是太理解。

回答：举个例子，本来这个地方雨水并不多，可以将房子盖成平顶的。可你为来好看，或者为了别的什么原因，一定要把它盖成尖顶的，或坡度很大的屋顶的。这样，本来不容易遭雷击的建筑物反容易遭雷击了。

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上面我们说的就是“避”，下面接着我们说“蔽”：屏蔽。


屏蔽乃防雷正派武功中可通杀雷电的不二法门。只可惜很多人用不好。



我们在这里说屏蔽，它有两重意思：1、建筑物的屏蔽；2、建筑物内各种线路的屏蔽。

我有篇论文《智能建筑顶层机房内电磁环境的计算与分析》是讲建筑物内线路的电磁耦合强度和机理的。http://www.asp.cn/cgi-bin/21/topic.cgi?forum=2&topic=360

理论的东西见论文，给大家看的原因在于两点：1、了解下为什么要给建筑物做屏蔽；2、给建筑物做屏蔽的理论依据和计算是什么。



关于建筑物屏蔽的结论


A、对于建筑物顶部设立的电子信息设备机房来说，必须在建筑物天面用金属网格做好雷电电磁脉冲的屏蔽工作，而不能依靠设备自身的金属框架做屏蔽网格进行电磁场衰减。在工程设计中不应该选择2.4Gs做为机房内电磁场强度的设计依据进行屏蔽网格和安全距离的设计，而应该按照GB 50174-93《电子计算机机房设计规范》的要求按10Gs做为机房内电磁场强度的设计依据进行屏蔽网格和安全距离的设计。


B、在安全距离的选择上我们总是选择最大的安全距离以保证机房内电子信息设备的安全。通常情况下，对于设立在建筑物顶部的电子信息设备机房，我们只考虑当建筑物顶部直击雷防护装置接闪时的电磁场环境，因为此时机房内部（LPZ1区）的磁场强度要大于建筑物附近雷击时的磁场强度，采用金属网格对建筑物进行屏蔽时所选用的屏蔽网格宽度是远小于2.65 m的，所以在工程我们一般选取dS/1值作为安全距离。


C、要满足建筑物顶部机房内磁感应强度小于10Gs，即小于800 A/m的要求，对于面积大于140 m2的电子信息设备机房，金属网格的宽度不宜小于1m×1m。对面积较小只有几十平方米的电子信息设备机房，要达到有效利用机房面积的目的，则需使用0.4 m×0.4 m金属网格对建筑物进行电磁屏蔽。


D、在布置建筑物的引下线时，宜使用建筑物柱内钢筋组做引下线，而不宜独立设置引下线。选择建筑物内层柱内钢筋组做建筑的电气接地干线时，可大大降低雷击时在该接地干线上产生过高的雷击电压。



我通俗的总结一下观点：1、一般的小的非重要的机房，使用Φ8mm镀锌圆钢制作1m×1m的网格对建筑物六面做屏蔽并接地就可以了。2、140平方米以上需要按上述方法制作小于1m×1m网格的屏蔽。3、只有重要的，大于140平方米的机房，需要使用0.4m×0.4m网格做屏蔽。


这里，只有位于建筑物顶三层或者地面独立的机房才需要这么做。我总结的是一般的情况，按面积，按重要性，假如机房很小，但里面设备很多，可以利用的空间有限，做不到安全距离，那么就要用小的屏蔽网格来增大机房的利用空间。

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昨天讲到建筑物屏蔽了吧？现在我们来说线路的屏蔽。在说线路的屏蔽之间，我们一定要知道什么是：“趋肤效应”。


设电缆芯线和外皮在始端相连，有一电压波自始端流入，芯线中流过电流和外皮流过电流分别是多少？哪个大？为什么？明白这个就自然明白“趋肤效应”了。


芯线和外皮是两平行导线，由外皮流过的电流产生的磁通完全与芯线相匝链，电缆外皮上的电位将全部传到芯线上，故缆皮的自波阻抗等于芯线与缆皮间的互波阻抗，而缆芯中流过的电流产生的磁通仅部分与缆皮匝链，故缆芯的自波阻抗将大于缆芯与缆皮间的互波阻抗。


列个方程组的话就是：


U=Z芯 I芯 + Z芯对皮 I皮

U=Z皮 I皮 + Z皮对芯 I芯


那么，这个时候：


Z芯 I芯 + Z芯对皮 I皮 = Z皮 I皮 + Z皮对芯 I芯


但是，此刻：Z皮 = Z芯对皮； Z芯>Z皮对芯；要满足等式的唯一条件是I芯=0。


这个“唯一条件”就是“趋肤效应”：）


其物理意义是：当电流在缆皮上传播时，芯线上就被感应出与电缆外皮电压相等的电动势阻止芯线中电流的流通，此现象与导线的集肤效应相似



那么。线路的屏蔽就是利用雷电的“趋肤效应”来做的。就是迫使大部分雷电流流过屏蔽层并入地，而不流过导线内部。

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那么，线路中的“雷电流”是怎么产生的呢？大概分6种情况。1、雷击建筑物；2、雷击建筑物附近的地面；3、雷击架空导线；4、雷击架空导线附近的地面；5、空间电磁场耦合；6、不同线路不同系统间的电磁场耦合。这6种情况都足以在线路中产生很强的感应过电压，从而、在线路中产生瞬态电流。



举个例子说明一下：当雷击建筑物或者雷击建筑物附近的地面时，以雷击点为圆心，半径15米时，假如雷电流100KA，这个时候，为于15米点上的埋地导线，在没有屏蔽的条件下，导线上的雷电感应过电压约等于37.25KV。同样条件下，以雷击点为圆心，半径50米时，导线上的雷电感应过电压约等于15.75KV。



这就是说，只要距离雷击点50米，任何导线的绝缘都会被击穿。导线外皮烧毁，导线连接端子闪络，烧毁。其实，对金属光纤也是一样的。那么，解决此问题的唯一方式就是：穿金属管屏蔽。下面我们说怎么来穿这个金属管。



说到这里，我们再举个例子，一个信号线路的常见故障的例子。有客户问题：1、装上视频BNC避雷器后，不接地，图像好。接地后图像差。2、如果机房端和前端都装视频避雷器，且接地，图像就好，只装一端就差。


原因：1、有工频干扰。检测接地线。SPD的地线和电源的N线或NPE线连接了。2、存在杂散电流，在机房端穿15米金属管与建筑物钢筋和电源NPE或PE线连接，就好了。



这也是用屏蔽解决故障的一个方式。

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关于线路屏蔽。穿金属管不用整个线路都穿。一般，按2√ρ的长度计算，每端穿这么长就可以。一般因为ρ≤100Ω.m，所以约为20米。金属管也不用两端接地，两端接地不见得好。



金属管的接地当使用建筑物基础做接地的时候，需要和建筑物本体钢筋连接，一般，电源系统的PE线或者NPE线都是也这个接地连接的，假如没有连接，需要把他们连接起来以解决信号系统的工频干扰问题。



假如是自己做的独立的接地网，那么就连接到这个接地网上。但是，连接的时候至少要在地下距离引下线的连接点10米。



顺便说一下什么是“共地不共线”。它是说，当所有系统共用一个接地网的时候，要求以引下线的接如点为标准，保护接地需要距离此点10米；AC系统的交流工作地需要距离它20米；DC系统的直流工作地需要距离它30米；这是同一地网各接地线引出点的距离。可以划一条直线，从左到右，一10米为间距标一下。就是4个点，两两间距10米。这个其实是导线上雷电过电压传输与土壤放电之间的关系。



雷电流从引下线入地后，不仅仅沿埋于地下的水平、垂直接地传输，它还向周围的土壤放电。这个时候，它沿土壤以球面放电的速度和沿接地体传输的速度间是有个时间差异的。依据何金良博士的雷电流土壤放电研究的论文，当ρ≤100Ω.m时，沿土壤以球面放电的速度是沿接地体传输的速度的1/3左右。那么，你要保证你其它接地引出点不把一个高的电压引入它所连接的系统，形成“地电位反击”，就必须保证一定的间距。



这个间距经过传输波阻抗计算，为保证100KA雷电流入地后，当接地体冲击接地电阻为10Ω时，在保护接地引出上的电位≤20KV；AC系统接地引出上的电位≤10KV；DC系统接地引出上的电位≤5KV；就需要上述的间距。

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那么，早上我们说最后一个问题：什么是“地电位反击”。其实，这个问题在很多同行脑子里是个糊涂概念。



地电位反击通常是指：建筑物的外部防雷系统（如避雷针、避雷网等）遭受直接雷击，则在接地电阻的两端产生危险的过电压，此过电压由设备的接地线、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系统或其他自然接闪物（各种管道、电缆屏蔽管等）引入设备，造成设备的损坏的现象。


地电位的反击通常存在两中形式：A、雷电流流入大地时，由于接地电阻的存在，产生较大的压降，使地电位抬高，反向击穿设备；B、两个地网之间，由于没有离开足够的安全距离，其中一个地网接受了雷电流，产生高电位，则向没有接受雷击的地网产生反击，使得该接地系统上带有危险的电压。



建筑物在遭受直接雷击时，雷电流将沿建筑物防雷系统中各引下线和接地体入地，在此过程中，雷电流将在防雷系统中产生暂态高电压，如果引下线与周围网络设备绝缘距离不够，且设备的电源系统PE线接地及信号系统逻辑接地与避雷系统不共地，则将在两者之间出现很高的电压，并会发生放电击穿，导致设备严重损坏，甚至人身安全。这种由于接地技术处理不当引起地电位的反击，造成整个网络系统设备全部击毁。


地电位暂态高电位不仅危害本建筑物内的设备，还会危及到相邻建筑物内的设备。该相邻建筑物内的设备虽然没有遭直接雷击，但在附近建筑物遭雷击后，暂态高电位将沿地下管道传至相邻建筑物内的设备接地系统中对线路发生反击，使得与这些线路相连接的设备受到暂态高电位的损害。地电位反击可感生出几KV到几十KV至数百KV的反击电压，这种反击会沿着电力系统的零线，保护接地线和各种形式的接地线，以波的形式传入室内或传播到更大的室内范围，造成大面积的危害。


国家标准GB 50057-94（2000）《建筑物防雷设计规范》第三章，第3.4.8条规定：为防止雷电流流经引下线和接地装置时产生的高电位对附近金属物或线路的反击，则其间的最小安全距离应按下列表达式计算：


当 lx＜5 Ri时，sa3 ≥ 0.2kc（Ri+0.1lx ）
当lx≥5 Ri 时，sa3 ≥ 0.05kc（Ri +lx ）

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下面我们再说“地电位反击”怎么解决。


A、对于使用对立接地的系统，也就是说在一个机房内有两个以上各自独立的接地网，比如一个地网使用建筑物框架内钢筋做接地网，另一系统做独立地网，那么当两地网之间的距离小于防地电位反击的安全距离时，则需要在两地网之间用“等电位连接器”做等电位连接。


等电位连接器的作用是保证正常工作状态下两接地网不连通，没有相互干扰，当一个接地系统遭受雷击时，经等电位连接器使两地网在瞬间形成等电位，消除此暂态高电位在设备内由于线间电压差而造成的损害。


B、按照GB 50057-94（2000）《建筑物防雷设计规范》第六章的要求，金属水管、通讯电缆线及电力电缆铠装外皮或电缆金属管等外来管线，所有的水管和电缆应埋地进入机房，水管和电缆铠装外皮和保护金属管应在进入机房时接地，电缆应选用铠装电缆或穿金属管埋地进入机房电缆相线和中线应通过电涌保护器接地。


对于在建筑内布线距离较长的接地线，比如电源PE线，在要求较高的机房内，可使用“机房等电位连接器”将交流工作接地、直流工作接地、防静电及保护接地在机房内进行等电位连接，以确保精密系统设备在正常工作状态下不受干扰，在存在暂态过电压时，不发生设备内击穿。

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1、直击雷、雷电感应、静电感应、电磁感应的定义。


依据GB 50057《建筑物防雷设计规范》第70页附录八 名词解释。
直击雷：闪电直接击在建筑物、其它物体、大地或防雷装置上，产生电效应、热效应和机械力者。
雷电感应：闪电放电时，在附近倒替上产生的静电感应和电磁感应，它可能使金属部件之间产生火花。
静电感应：由于雷云的作用，使附近导体上感应出与雷云符号相反的电荷，雷云主放电时，先导通道中的电荷迅速中和，在导体上的感应电荷得到释放，如不就近入地就会产生很高的电位。
电磁感应：由于雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势。


2、等电位连接、等电位连接带、等电位连接导体、等电位连接网络的定义。


依据GB 50057《建筑物防雷设计规范》第70页附录八 名词解释。
等电位连接：将分开的装置、诸导电物体用等电位连接导体或电涌保护器连接起来以减小雷电流在它们之间产生的电位差。
等电位连接带：将金属装置、外来导电物、电力线路、通信线路及其它电缆连于其上以能与防雷装置做等电位连接的金属带。
等电位连接导体：将分开的装置诸部分相互连接以使他们之间电位相等的导体。
等电位连接网络：由一个系统的诸外露导电部分做等电位连接的导体组成的网络。


3、一端口SPD、两端口SPD、限压型SPD、电压开关型SPD的定义。


依据YD/T T 1235.1-2002《通信局（站）低压配电系统用电涌保护器技术要求》
一端口SPD：一种与被保护物电路并联的SPD。它可以有分离的输入和输出端子，但无专用的串联阻抗插入输入和输出端子之间。
两端口SPD：一种有输入和输出两组端子、且在其间插有专用阻抗的SPD。
限压型SPD：在无电涌时呈现高阻态，但随着电涌的增大，其阻抗不断降低的一种SPD。限压型SPD其常用器件有：压敏电阻器、瞬态抑制二极管等。
电压开关型SPD：在无电涌时呈现高阻态，但对电涌响应时，其阻抗突变为低阻的一种SPD。开关型SPD的常用器件有：火花间隙、气体放电管等。


4、接零、工作接地、保护接地、静电接地、直流工作接地的定义。
接零：发电机、配电变压器的中性点叫做零点，由中性点引出的线叫做零线。用电设备的金属外壳接到零线上称为接零。
工作接地：供电系统变压器的中性点直接接地为工作接地，工作接地可以保证电器设备可靠地运行，降低人体接触电压。
保护接地：所有电器设备在正常工作情况下，不带电的金属部分作良好的接地为保护接地，保护接地主要保护人员的工作安全。
静电接地：设备移动或物体在管道中移动，因摩擦产生静电，它聚集在管道、容器和储罐或加工设备上，形成很高的电位对人身安全及对设备和建筑物都危险。作了静电接地，静电一旦产生就导入地中以消除其聚集的可能。油罐车后尾及轿车后尾拖一根接触地面的导电橡胶即属于静电接地。
直流工作接地（也称逻辑接地、信号接地）：计算机及一切微电子设备大部分采用中、大规模集成电路，具有同一"电位"参考点，将所有设备的"零"电位点接于同一接地装置上，这样它可以稳定电路的电位，防止外来干扰这种接地称为直流工作接地。

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5、TN、TN-S、TN-C、TN-C-S、TT、IT的定义。


TN system电源系统有一点直接接地，负载设备的外露导电部分通过保护导体连接到此接地点的系统。根据中性导体和保护导体的布置不同可分为三类：
TN-S系统：在整个系统中有分开的中性导体和保护导体。
TN-C系统：在整个系统中，中性导体和保护导体的功能合在一根导体上。
TN-C-S系统：系统中一部分中性导体和保护导体的功能合在一根导体上。
　　
注：第一个字母T表示：电源系统的一点直接接地；第二个字母N表示：设备的外露导电部分与电源系统接地点直接电气连接；字母S表示：中性导体和保护导体是分开的；字母C表示：中性导体和保护导体的功能合在一根导体上。


TT system 电源系统有一点直接接地，设备外露导电部分的接地与电源系统的接地电气上无关的系统。
注：第一个字母T表示电源系统的一点直接接地；第二个字母T表示设备外露导电部分的接地与电源系统的接地电气上无关。


IT system 电源系统的带电部分不接地或通过阻抗接地，电气设备的外露导电部分接地的系统。
注：第一个字母I表示电源系统所有带电部分不接地或一点通过阻抗接地；第二个字母T表示设备外露导电部分的接地与电源系统的接地电气上无关。

6、交流系统中相线的颜色代码及三相五线制系统各线的字母标识。


L1相：黄色；代码U。L2相：绿色；代码V。L3相红色；代码W。
N：中性线。PE：保护线（地线）。PEN：保护和中性线共用线。