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1、雷害源分析及雷电防护概要 SPD的选择,薛文安,引 言,雷电是自然界的天气现象，目前尚没有办法能消除和阻止雷击放电 危害最大的是对大地的雷闪。 危害源主要是雷电流和雷电电磁脉冲。 通信设备、无线电系统、监控和仪表系统、计算机、电力电子系统等，其核心组件均为集成电路等微电子器件，对电磁脉冲（EMP）极为敏感，要求其电磁兼容（EMC）特性要好。EMP：（LEMP雷电电磁脉冲 SEMP操作电磁脉冲ESD静电放电）本文旨在分析雷害源并作针对性防护。,关于标准,GB 50057-1994 建筑物防雷设计规范（2000.2010年版） GB 503432004 建筑物电子信息系统防雷技术规范 GB/Z 2
2、1713 2008 低压交流电源（不高于1000V）中的浪涌特性 GB/T 21714.12008/IEC 62305-1 雷电防护 第1部分：总则 GB/T 21714.22008/IEC 62305-2 雷电防护 第2部分：风险管理 GB/T 21714.32008/IEC 62305-3 雷电防护 第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险 GB/T 21714.42008/IEC 62305-4 雷电防护 第4部分：建筑物内电气、电子系统 DB29-58-2010 雷电电磁脉冲建筑防护标准（天津市）修订版已完成,IEC62305-2010/GB/T21714-2008各部分的关系,EC623
3、05-1,雷电威胁,EC62305-2,雷电风险,LP,LPS,SPM,雷电防护,EC62305-3,EC62305-4,防护措施,雷击事件,雷电流脉冲（iimp）雷电电磁脉冲（LEMP）雷电流前沿非常徒后沿较长能量极高的脉冲电流波LEMP 伴随雷电流同时产生的辐射电磁（脉冲）场。雷电流与LEMP是伴随的，在一定条件下可以互相转换。雷电流和LEMP是雷击放电事件的不同表现形式：雷电流是以“路”的形式出现LEMP是以“场”的形式出现雷电流和LEMP是产生危害的根本原因。,不同雷击点导致的损害和损失,D1 ： 生命体损伤 D2 ：物体损害 D3 ：LEMP导致内部系统失效 L1：人身生命损失 L2
4、： 对公众服务的损失 L3：文化遗产的损失 L4：经济损失,雷电流波形,IEC测试波形：雷电流：10/350S、1/200S 、 0.25/100S雷电浪涌：8/20S,雷电流频谱范围：低频电磁场,测试雷电流参数,1、圣萨瓦托山、（Berger，90次)平均值：T1=2-4ST2=10-100S50%T2：75S21次正闪：T2典型值230S 2、日本（3年间）记录T2平均值：50S 3、T2最大值为900S,与一组雷电流参数值有关的序数，该组参数值与在自然界发生雷电时最大和最小设计值不被超出的概率有关。 （注：雷电防护水平用于根据雷电流的一组相关参数值设计防雷措施）下附 表3 各 LPL 对
5、应的雷电流参数最大值 表4 各LPL雷电流参数的最小值及其对应的滚球半径,雷电防护水平-LPL,表3 各 LPL对应的雷电流参数最大值,表3各LPL对应的雷电流参数最大值,表3续,25,表4各LPL雷电流参数的最小值及其对应的滚球半径,下类范列内的概率,小于表3所示的最大值,大于表4所示的最小值,表5雷电流参数上下限值对应的概率,LPL的 防 护概 率 是 98%； LPL的 防 护 概 率 是 95%； LPL的 防 护 概 率 是 86%； LPL 的 防 护 概 率 是 79%；,LPL是设计防雷措施（LPS、SPM）和风险评估的依据 如：LPS的滚球半径、接闪网格的尺寸、引下线根数和隔
6、距、接地极长度和类型； SPM中SPD的通流量、位置、协调配合、连接导体等；磁屏蔽SF；等电位连接网络的阻抗等都根据不同LPL要求LPS、SPM而不同,LPL与LPS、SPM的关系,IEC 62305的LPL(LPS)与GB 50057防雷分类的比较,GB 50057-2010标准的分类是根据建筑物需求分的，在二、三类建筑物中也引入年平均雷击次数； IEC 62305标准的分类是依据客观的雷电特性、发生概率和建筑物自身的特性、雷电防护区等综合因素,雷电防护区LPZ,雷电流参数,统计值,IEC62305,雷电流的危害,雷电流发生的概率：,雷电流的危害,雷击中建筑物（构筑物）S1和服务设施S3时会
7、产生以下效应：,与,有关,、,与半值时间T2有关,雷电流的危害,当概率为1%时（200KA）,首次短雷击时,后续短雷击时,地面反击电压,U仍是一个脉冲击电压，这个电压值是很高的。 引下线周围有很强的LEMP。,LEMP的危害,雷电流通道周围形成辐射电磁场（产生了LEMP），近场的影响主要是磁场。雷击中建筑物（构筑物）S2和服务设施S4邻近区域时，也会产生LEMP。,LEMP通过耦合对敏感设备产生危害：,LEMP的危害,LEMP的危害主要为传导耦合和辐射耦合：传导耦合：a）阻抗耦合 b）静电感应耦合 c）电磁感应耦合 d）电容耦合辐射耦合：近场、远场雷电电磁脉冲的能量通过空间并以电磁场的形式耦合
8、到潜在敏感设备。,LEMP的危害,近场：在回路中的感应电压举例：,当概率 为1%时,首次,后续,首次,后续,首次,后续,LEMP的危害,T1、T2区间的di/dt的比值,LEMP的危害,在没有任何屏蔽和浪涌保护的情况下，有95%概率发生雷击电流值对供电回路或控制回路产生高达26.4KV（57.1KV）的感应浪涌电压，足够损坏电气设备。而对信号、数据线路，7.92V（17.8V）和33V（72V）的感应浪涌电压也足以干扰其设备的正常工作，使微电子设备永久损坏。,LEMP的危害,对元器件损坏门限电平退化电平运行紊乱（瞬时过电压、能量）,LEMP的危害,磁场强度对计算机（微电子系统）的危害判据 永久
9、损坏：2.4高斯 191A/m 误动作： 0.03高斯 2.39A/m 磁感应强度B H 其中：0 4 107 H/mH 磁场强度A/m 14KA雷电流产生的磁感应强度大于2.4高斯的距离12米，大于0.03高斯的距离1000米。200KA雷电流产生的磁感应强度大于2.4高斯的距离180米，大于0.03高斯的距离14000米。,LEMP的危害,远场：,不同损害类型产生的损失类型和风险,雷电综合防护措施,LPZ,雷电综合防护LPS,雷电防护系统（LPS）防止或减少实体损害LPS主要的作用是针对极高能量的雷电流产生的损害，防止或减少实体的损害和生命损害。LPS由外部LPS和内部LPS组成。外部LP
10、SLPS截获击向建筑物的直击雷（包括侧击雷）把雷电流从雷击点引导到地并泄放入大地，要求不引起热和机械损害，不产生危险火花触发火灾和爆炸。内部LPS避免由于雷电流在外部LPS或建筑物内其他导电部件流动时，导致建筑物内产生危险火花触发火灾和爆炸。外部LPS增加了被雷击的概率增强了LEMP的强度。,内部LPS的防护措施说明：1、部件之间的电气绝缘：隔距S=(Ki/Km)*Kc* LKi与LPS类别有关 Km与绝缘材料有关Kc 与引下线数目有关2、雷电等电位连接：连接导体 （在电气不连续时）加装SPD （在直接连接不可行时）ISGs(SPD)（在直接连接不允许时）注：SPD用于内部系统和线路中；ISG
11、s的SPD用在煤气管、水管桥接等处。结论：当电气绝缘达不到要求时，再进行等电位连接。,雷电综合防护SPM,LEMP的提出：微电子技术的发展（电气、电子系统） LEMP防护系统就是要对剩余的雷电流和感应产生的雷电流形成的浪涌和辐射的电磁场进行防护。LPMS通常称为感应雷防护或内部防雷。 对建筑物和公共设施的理想防护应将受保护目标封闭在一个完善导电的适当厚度的接地的连续的屏蔽体内。 加装SPD。 设备之间等电位连接和接地。 公共设施进入建筑物的进入点处和屏蔽体之间应提供足够的等电位连接。以上措施组成LPZ 合理布线。 设备放置在电磁场强度最弱的地方。 拆除冗余的任何金属管线。 防护只能达到接近理想
12、状态，因为在实践中，建筑物和公共设施不可能完全封闭在连续的和/或足够厚度的屏蔽体内。具体问题具体分析。,d仅采用协调配合好的浪涌保护器保护 注：设备得到防线路导入电涌的保护，U2U0和I2I0，但不需防H0辐射磁场的保护） GB50057的图6.2.2:防雷击电磁脉冲就引用了此系列图,SPM,完全的SPM,仅采用“协调配合的SPD防护”的SPM,从上图可说明部分雷电流是来自于线路即S3（供电线或信号线）GB500572010中6.3.4、2引用的雷电流参量估算的公式是4.2.46式即S1， 说明4.2.46式是由雷击建筑物引起的。以上两点是互相矛盾的。,部分雷电流的来源（S1，S3？）,屏蔽体
13、的衰减系数曲线,可对线路采取措施：采用屏蔽线，穿铁管，等电位连接等。,屏蔽体内部不同位置磁场强度,SPM与LPS的关系,LPS结构确定了雷击点、主泄流通道与被保护对象的关系 雷击概率P与雷击点的高度（外部LPS避雷针）平方成正比，即避雷针越高，遭受雷击的概率越大。P = 0.015 T K1 K2 h2104（次/年）式中， T 年雷暴次数（天/年）K1 落雷不均匀次数， 易受雷击建筑物 K12.0K2 建筑物材料影响系数，含金属材料 K11.5h 避雷针的高度（m） 被保护对象与雷电流泄放通道的关系：被保护回路感应的电压与主泄流通道（引下线）和被保护回路之间距 离成反比，即距离越近感应电压越
14、高。被保护对象处的磁场强度与泄放通道之间的距离成反比，即距离越近磁场强度越强。,SPM与LPS的关系,LPS与LPMS共用自然构件影响LPMS的功效 雷击中建筑物的接闪器，作为共用自然构件的引下线成为主泄放雷 电流的通道，这会在引下线上产生很高的压降并在引下线四周即在 屏蔽体内空间产生很强的磁场，越靠近引下线磁场越强。磁场在屏 蔽内传播，反射条件满足时也会产生振荡和谐振。这样屏蔽体内电 磁环境将会变恶劣，LPMS的屏蔽效能失去了作用。,SPM与LPS的关系,LPMS对LPS结构的要求 要求外部LPS接闪器的高度越低越好，尽量降低建筑物、构筑物遭雷击的概率。 LPS的主放电导体（引下线）不应穿透
15、或埋入建筑物，LPS的屏蔽层与LPS的部件在公用接地装置之上不应相连。 如果LPS和LPMS共用自然构件就应采用多根对称的钢筋作为引下线，以减小通过每根引下线雷电流的峰值，达到减少引下线的压降并减小屏蔽体内的磁场强度或为被保护对象建立第二层屏蔽层。 减少等电位连接网的阻抗和共用接地装置的阻抗，使雷电流和浪涌电流尽快的耗散。 主泄放导体（引下线）接地点应尽量远离等电位连接接地点接入公共接地装置。,SPD的定义,SPD：Surge protective device 为限制瞬态过压并转移浪涌电流所用的器件，它至少含有一个非线性元件SPD的功用： SPD分流浪涌电流抑制浪涌电压SPD的作用是将电气、
16、电子系统中的不能直接用导体进行等电位连接的带电导体通过SPD进行瞬态准等电位连接SPD与屏蔽体和等电位连接构筑雷电防护区（LPZ）把进出屏蔽体的带电导体（电源线、信号线）用SPD进行瞬态等电位连接。SPD与三维屏蔽体和等电位连接共同构筑了LPZ，SPD是LPZ划界的重要部件。,SPD的比较,SG 间隙放电型 MOV金属氧化可变电阻 TVS瞬态抑制二极管,SPD的比较：,SPD的选择,SPD的选择（一） SPD的电压保护水平 UpUp 规定标称放电电流（In）时的SPD两端的残压相应的优选值。Up必须小于或等于被保护设备的定额冲击耐受电压Uw.通常为1.2 UpUwSPD的有效保护电压UpfUp+U，U为线路压降。低压供电系统：Uw表征了系统耐受冲击过电压的绝缘性能。通信线路和微电子器件：Up为工作电压的2.53倍。表1 集成电路的冲击耐受电压,
