关于雷电知识

雷电知识简介。

1.1 雷电的产生。

雷电是一种自然现象。它是由雷云产生的。形成雷云必须具备以下三个条件：

1、空气中含有足够的水蒸气；

2、大气中的空气形成温度差，以使潮湿的空气形成强大的上升气流；

3、没有破坏或防碍强烈而持久的上升气流形成的因素。

大多数雷电放电发生在云间或云内，只有小部分是对地发生的。在对地的雷电放电中，雷电的极性是指雷云下行到地的电荷的极性。根据放电电荷量进行的多次统计，90％左右的雷是负极性的。

1.2 防雷区的划分。

1.2.1 防雷区的划分。

将需要保护的空间划分为不同的防雷区，以规定各部分空间不同的电磁环境（雷电电磁厂的危害程度），同时指明各区交界处的等电位联结点的位置。以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征。

lpz0a：本区内各物体可能遭受直接雷击，电磁场没有衰减；

lpz0b：本区内各物体不可能遭受直接雷击，电磁场没有衰减；

lpz1：本区内各物体不可能遭受直接雷击，电磁场有可能衰减；

lpz2：本区内各物体不可能遭受直接雷击，电磁场有进一步的衰减。

一个被保护的区域，从电磁兼容的观点来看，由外到内可分为几级保护，最外层是0级，是直接雷击区域，危险性最高，越往里，则危险程度越低。过电压主要是沿线窜入的，保护区的交界面通过外部防雷系统、钢筋混凝土及金属罩等构成的屏蔽层而形成，电气通道以及金属管道等则经过这些交界面。图3-1是雷电保护区域划分的示意图。

spd（surge protect device）：浪涌保护器的英文简称，公司内也叫做防雷器，用于保护设备接口免受雷击过电压和过电流的损坏。在本文中，统一将spd称为防雷器。

1.3 雷电参数简介。

雷电放电涉及到气象、地形、地质等许多自然因素，有一定的随机性，因而表征雷电特性的参数也带有一定的统计性质。在防雷设计中，我们对雷暴日、雷电流波形、幅值等参数比较关心。

1.3.1 雷暴日

为了表征雷电活动的频率，采用年平均雷暴日作为计算单位。无论一天内听到几次雷声，只要有一次，该天就记为一个雷暴日，一天有多次，仍记为一个雷暴日。雷暴日数与纬度有关，在炎热潮湿的赤道附近雷暴日数最多，两极最少。

关于我国的雷电活动情况，经实测与气象数据的研究得出的主要结论如下：

北回归线（北纬23.5癬）以南的大部分地区，年平均雷暴日数一般在80以上（但台湾省只有30－40左右，而广东的雷州半岛和海南岛则高达100－133）；北回归线到长江一带约为40－80之间；长江以北的大部分地区（包括东北）多在20－40之间；西北地区的大部分地方在20以下；**雅鲁藏布江一带约为50－80。我国把年平均雷暴日不超过25的区域叫少雷区，25～40的区域叫中雷区，40～90的区域叫多雷区，超过90的区域叫强雷区。

在防雷设计时，要根据雷暴日的多少因地制宜。

此外，我们还应注意雷电季节的开始与结束时间。一般而言，南方的雷电季节在2月份就开始了，长江领域则在3月开始，华北、东北地区在4月左右开始，西北地区较晚，一般在5月才开始雷电季节。10月以后，除江南以外，其他地区的雷电活动几乎停止。

1.3.2 雷电流波形。

雷电流是一个非周期的瞬态电流，通常是很快上升到峰值，然后较为缓慢的下降。雷电流的波头时间是指雷电流从零上升到峰值的时间，又称为波前时间；波长时间是指从零上升到峰值，然后下降到峰值的一半的时间，又称为半峰值时间。由于在雷电流波的起始和峰值处常常叠加有振荡，很难确定其真实零点和到达峰值的时间，因此，我们常用视在波头时间t1和视在波长时间t2来表示雷电流的上升时间和半峰值宽度，一般记为t1 /t2，如下图所示。

在iec标准、国标中规定的雷击测试波形主要有：8/20us、10/350us（电流波/700us以及1.2/50us（电压波）等。

1.3.3 雷电波频谱分析

雷电波频谱是研究避雷的重要依据。从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的能量在各频段的分布，根据这些数据可以估算信息系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确定适当的避雷措施。通过对雷电波的频谱分析可知：

1.雷电流主要分布在低频部分，且随着频率的升高而递减。在波尾相同时，波前越陡高次谐波越丰富。

在波前相同的情况下，波尾越长低频部分越丰富；2.雷电的能量主要集中在低频部分，约90％以上的雷电能量分布在频率为10khz以下。这说明了在信息系统中，只要防止10khz以下频率的雷电波窜入，就能把雷电波能量消减90％以上，这对避雷工程具有重要的指导意义。

1.4 雷电过电压的形成。

雷电对信息设备产生危害的根源是雷电电磁脉冲。雷电电磁脉冲包括两个方面，雷电流和雷电电磁场。雷电流是产生直击雷过电压的根源，而雷电电磁场则是产生感应雷过电压的根源。

对于通信设备而言，雷电过电压的**主要有以下几种：

1、感应过电压：感应过电压是指雷击建筑物或其近区时，瞬态空间电磁场造成设备的损坏。感应过电压包括电磁感应和静电感应两个分量。

静电感应过电压是由电容性耦合产生的，而电磁感应过电压则是由电感性耦合产生的。对于建筑物内的各种金属环路或电子设备而言，电磁感应分量大于静电感应分量。

2、雷电侵入波。雷电侵入波又称为线路来波。当雷云之间或雷云对地放电时，在附近的金属管线上产生的感应过电压（包括静电感应和电磁感应两个分量，但对于长距离线路而言，静电感应过电压分量远大于电磁感应过电压分量）。

该感应过电压也会以行波的方式窜入室内，造成电子设备的损坏。

3、反击过电压。雷电反击是指雷击建筑物或其近区时，造成其附近设备的接地点处地电位的升高，使设备外壳与设备的导电部分间产生高过电压（称为反击过电压），而导致设备的损坏的现象。

小结。防雷区是防雷领域一个非常重要的概念，请注意掌握准确。通信设备防雷需要掌握的最基本的参数：

雷暴日、雷电过电压/过电流的波形、雷电的频谱特性。雷电过电压类型：直击雷、感应雷、雷电侵入波、地电位反击。

通信设备防雷需要考虑预防的：感应雷、雷电侵入波、地电位反击，其中需要重点关注的：雷电侵入波、地电位反击。

思考题。1、通信设备的防雷中，为什么雷电侵入波、地电位反击比感应雷更值得关注？

2、我们的工作环境，一般属于什么防雷区？

3、为什么图3-1中的两个spd1放在了房间与外部暴露空间的交界面上？

第2章雷电防护的基本原则。

2.1 系统防护原则。

应将信息系统及其运行环境作为一个整体进行考虑，防护应该针对整体进行，而不应该只考虑局部情况。

信息系统的保护可以分成线路的保护和电子设备的保护两个部分，两者是相辅相成，缺一不可的。线路保护的主要作用是降低起源处的过电压、过电流，从而减小对系统所有部分的危害（包括对线路本身的绝缘危害）。电子设备的保护则主要指经过适当的保护后，电子设备免于受雷击的损坏。

通信设备的防雷包括外部防雷系统和内部防雷系统两个部分，它们是一个有机的整体。外部防雷主要是指防直击雷，它由接闪器、引下线和接地装置组成。而内部防雷则包括防雷电感应、防反击、防雷电波侵入以及提供人身安全，它是指除了外部防雷系统外的所有附加措施。

这些措施可能会减少雷电流在需要防雷的空间内所产生的电磁效应，防止雷电损坏机房内的电气设备或电子设备，这是外部防雷系统所无法保证的。通信设备雷电防护系统结构示意图可归纳为下图。

2.2 概率防护原则。

雷电防护是概率防护，我们不可能提供100％的防护。

其。一、雷电放电本身就有一定的随机性，雷电参数具有一定的统计性质，这就决定了建立在这些具有统计特性的雷电参数之上的所有防护措施不能提供100％的保护。如：

直击雷防护－绕击特性；雷电流幅值、波形等都具有统计性质。

其。二、防雷装置不能阻止雷闪的形成；

其。三、防雷器件不能理想地消除所有干扰电压/电流。采取保护措施的根本目的在于保证由干扰引起的大部分能量不扩散到装置的易损部件以及工作人员。

最后，对于发生概率很小的高水平浪涌其防护的费用急剧上升。

2.3 多级防护原则。

多级防护的原则是基于防雷区的划分原则而定的。

从0级保护区到最内层保护区，必须实行分级保护。对于电源系统，可将其分为i～iv级保护，从而将过电压降到设备能承受的水平。对于信息系统，则分为粗保护和精细保护。

粗保护量级根据所属保护区的级别，而精细保护则要根据电子设备的敏感度来选择。

小结。系统防护：通信设备的防雷是一个系统工程，不仅与设备**商有关，也和电信运营商有很大关系。做好通信设备的防雷需要方方面面共同的努力。

概率防护：通信设备的防雷不能保证设备100％不遭雷击损坏。

多级防护：多用于电力系统的防雷。

思考题。1、系统防护中，与我们相关性强的是哪些项目？

2、低压电力系统的多级防护，与我们相关性较大的是哪一级？

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