雷害源分析

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1、雷害威胁和雷电防护概要雷害威胁和雷电防护概要 IEC62305等相关标准介绍等相关标准介绍防防雷雷技技术术引引 言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击放电 危害最大的是对大地的雷闪。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。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（EMPEMP）极为敏感，要求

2、其电磁兼容（）极为敏感，要求其电磁兼容（EMCEMC）特性要好。）特性要好。EMPEMP：（：（LEMPLEMP雷电电磁脉冲雷电电磁脉冲 SEMPSEMP操作电磁脉冲操作电磁脉冲 ESD ESD静电放电静电放电）特别重视对特别重视对LEMPLEMP的防护。的防护。本文旨在分析雷害源并作针对性防护。本文旨在分析雷害源并作针对性防护。关于标准关于标准GB/T 21714.1GB/T 21714.12008/2008/20152015IEC 62305-1:2006/IEC 62305-1:2006/20102010 雷电防护雷电防护 第第1 1部分：总则部分：总则GB/T 21714.2GB/T

3、21714.22008/2008/20152015IEC 62305-2:2006/IEC 62305-2:2006/20102010 雷电防护雷电防护 第第2 2部分：风险管理部分：风险管理GB/T 21714.3GB/T 21714.32008/2008/20152015IEC 62305-3:2006/IEC 62305-3:2006/20102010 雷电防护雷电防护 第第3 3部分：建筑物的物理损坏和生命危险部分：建筑物的物理损坏和生命危险GB/T 21714.4GB/T 21714.42008/2008/20152015IEC 62305-4:2006/IEC 62305-4:20

4、06/20102010 雷电防护雷电防护 第第4 4部分：建筑物内电气、电子系统部分：建筑物内电气、电子系统GB 50057-1994 GB 50057-1994 建筑物防雷设计规范（建筑物防雷设计规范（2000.2000.20102010年版）年版）GB 50343GB 503432004 2004 建筑物电子信息系统防雷技术规范建筑物电子信息系统防雷技术规范(20122012)GB 50689-GB 50689-20112011 通信局（站）防雷与接地工程设计规范通信局（站）防雷与接地工程设计规范FAA-STD-019d-2002 FAA-STD-019d-2002 设施和电子设备的雷电及

5、电涌防护、接地、搭接和屏设施和电子设备的雷电及电涌防护、接地、搭接和屏蔽要求蔽要求GB/Z 21713 2008 GB/Z 21713 2008 低压交流电源（不高于低压交流电源（不高于1000V1000V）中的浪涌特性）中的浪涌特性DB29-58-DB29-58-2010 2010 雷电电磁脉冲建筑防护标准（天津市）雷电电磁脉冲建筑防护标准（天津市）IEC62305-2010/GB/T21714-2008各部分的关系各部分的关系IEC62305-1雷电威胁雷电威胁IEC62305-2雷电风险雷电风险 LPLPSSPM雷电防护雷电防护 IEC62305-3IEC62305-4防护措施防护措施G

6、B50057GB50343雷害威胁雷害威胁雷击事件雷击事件雷电流脉冲（雷电流脉冲（i iimpimp）雷电电磁脉冲（雷电电磁脉冲（LEMPLEMP）:电磁场电磁场（主要是磁场）（主要是磁场）雷电流雷电流前沿非常徒后沿较长能量极高的脉冲电流波前沿非常徒后沿较长能量极高的脉冲电流波LEMP LEMP 伴随雷电流同时产生的辐射电磁（脉冲）场。伴随雷电流同时产生的辐射电磁（脉冲）场。雷电流与雷电流与LEMPLEMP是伴随的，在一定条件下可以互相转换。是伴随的，在一定条件下可以互相转换。雷电流和雷电流和LEMPLEMP是雷击放电事件的不同表现形式：是雷击放电事件的不同表现形式：雷电流是以雷电流是以“路路

7、”的形式出现的形式出现LEMPLEMP是以是以“场场”的形式出现的形式出现 雷电流和雷电流和LEMPLEMP是产生危害的根本原因。是产生危害的根本原因。不同雷击点导致的损害和损失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：对公众服务的损失 L3：文化遗产的损失 L4：经济损失 雷电防护等级雷电防护等级LPL 与一组雷电流参数值有关的序数，该组参数与自然界与一组雷电流参数值有关的序数，该组参数与自然界发生雷电时不超出最大与最小设计值的概率有关。发生雷电时不超出最大与最小设计值的概率有关。注：雷电防护水平用于根据雷电流的一组相

8、关参数值设计防雷措注：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。施。雷电防护区雷电防护区LPZ规定了雷电电磁场环境的区域。规定了雷电电磁场环境的区域。注：雷电防护区的区域边界并不一定是物理边界（例如墙、地板注：雷电防护区的区域边界并不一定是物理边界（例如墙、地板和天花板）。和天花板）。雷电防护的基本准则雷电防护的基本准则 LPL是风险评估的依据，也是设计雷电防护是风险评估的依据，也是设计雷电防护措施的依据。措施的依据。62305介绍四种雷电防护等级（介绍四种雷电防护等级（LPL I至至IV），），对每种对每种LPL规定了规定了一组雷电流参数值，该组一组雷电流参数值，该组参数值与在

9、自然界发生雷电时最大和最小值参数值与在自然界发生雷电时最大和最小值不被超出的概率有关。不被超出的概率有关。雷电防护等级雷电防护等级LPL首次正极性脉冲LPL电流参数符号单位峰值电流IkA200150100脉冲电荷QSHORTC1007550单位能量W/RMJ/105.62.5时间参数T1/T2s/s10/350首次负极性脉冲aLPL电流参数符号单位峰值电流IkA1007550平均陡度di/dtkA/s1007550时间参数T1/T2s/s1/200后续脉冲LPL电流参数符号单位峰值电流IkA5037.525平均陡度di/dtkA/s200150100时间参数T1/T2s/s0.25/100长时

10、间雷击LPL电流参数符号单位长时间雷击电荷QLONGC200150100时间参数TLONGs0.5雷闪LPL电流参数符号单位雷闪电荷QFLASHC300225150a这种电流波形仅用于计算而非测试。表表1各各LPL对对应应的的雷雷电电流流参参数数最最大大值值 参数参数符号单位LPLI IIIIIIV最小峰值电流最小峰值电流 I kA351016滚球半径滚球半径 r m20304560表表2 各各LPL雷电流参数的雷电流参数的最小值最小值及其对应的滚球半径及其对应的滚球半径雷电流参数在雷电流参数在LPLI IIIIIIV0.990.980.950.950.990.970.910.84下类范围内的

11、概率下类范围内的概率小于表小于表1所示的最大值所示的最大值大于表大于表2所示的最小值所示的最小值表表3 雷电流参数雷电流参数上下限值对应的概率上下限值对应的概率LPL具有从具有从3kA到到200kA的防护跨度，其防护概率是的防护跨度，其防护概率是98%；LPL具有从具有从5kA到到150kA的防护跨度，其防护概率是的防护跨度，其防护概率是95%；LPL具有从具有从10kA到到100kA的防护跨度，其防护概率是的防护跨度，其防护概率是86%；LPL具有从具有从16kA到到100kA的防护跨度，其防护概率是的防护跨度，其防护概率是79%。可见可见LPL决定了防护概率，反之亦然。决定了防护概率，反之

12、亦然。5 100 150 200LPLIIIIIIVI(99%)200kA3kA(99%)5kA(97%)10kA(91%)16kA(84%)(98%)150kA(95%)100kA(95%)100kAI(kA)标准LPL依据依据IEC 62305根据LPL定义的一组雷电流参数和发生的概率。峰值电流I；电荷量Q；波形T1/T2：平均陡度di/dt。标准建筑物防雷分类依据依据GB 50057-2010一一建筑物重要性，使用性质，发生雷击的可能性和后果；二、三类：预计年平均雷击次数 N=K*0.1Td*Ae二二三三标准雷电防护等级依据依据GB 50343-2012A1.重要性、使用性质和价值2.拦

13、截效率E=1-Nc/NN=N1+N2Nc=5.8*10-1/C(次/年)BC表表4 IEC 62305与与GB 50057及及GB50343防雷分类的比较防雷分类的比较雷电防护分类比较雷电防护分类比较（三者最大的差别：依据不同）（三者最大的差别：依据不同）LPS确定的雷电防护区确定的雷电防护区LPZS防危险火花的间隔距离雷电防护区雷电防护区LPZdS防过高磁场的安全距离SPD 划分LPZ的关键雷电流时域波形雷电流时域波形测试波形：测试波形：IECIEC：10/350s 10/350s 冲击电流冲击电流I Iimpimp 8/20s 8/20s 标称放电电流标称放电电流I In n，最，最 大放

14、电电流大放电电流I Imaxmax 1.2/50s 1.2/50s 开路电压开路电压IEEEIEEE：8/20s 8/20s 标称放电电流标称放电电流I In n，最，最 大放电电流大放电电流I Imaxmax其他：其他：2/70s2/70s、1/70s1/70s、5/300s 5/300s、3.5/45s3.5/45s、10/1000s 10/1000s、10/250s10/250s雷电流频谱范围：低频磁场雷电流频谱范围：低频磁场雷电流幅频密度雷电流幅频密度实测雷电流参数实测雷电流参数1 1、圣萨瓦托山、（、圣萨瓦托山、（BergerBerger，9090次次)平均值：平均值：T1=2-4S

15、T1=2-4S T2=10-100S T2=10-100S 50%T2 50%T2：75S75S 21 21次正闪：次正闪：T2T2典型值典型值230S230S2 2、日本（、日本（3 3年间）记录年间）记录 T2T2平均值：平均值：50S50S3 3、T2T2最大值为最大值为900S900S雷电流的危害雷电流的危害雷击中建筑物（构筑物）雷击中建筑物（构筑物）S1S1和服务设施和服务设施S3S3时会产生以下效应：时会产生以下效应：与与有关有关、与半值时间与半值时间T T2 2有关有关雷电流的危害雷电流的危害20mADZ首次正极性脉冲首次正极性脉冲首次负极性脉冲首次负极性脉冲后续脉冲后续脉冲U

16、U仍是一个脉冲击电压，这个电压值是很高的。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引下线周围有很强的LEMPLEMP。LEMP的危害的危害 雷电流通道周围形成辐射电磁场（产生了雷电流通道周围形成辐射电磁场（产生了LEMPLEMP），近场的影），近场的影响主要是磁场。响主要是磁场。雷击中建筑物（构筑物）雷击中建筑物（构筑物）S2S2和服务设施和服务设施S4S4邻近区域时，也会邻近区域时，也会产生产生LEMPLEMP。LEMPLEMP通过耦合对敏感设备产生危害：通过耦合对敏感设备产生危害：LEMP的危害的危害LEMPLEMP的危害主要为传导耦合和辐射耦合：的危害主要为传导耦合和辐射耦合：传导耦合：传导耦合：a a）阻抗耦合）阻抗耦合 b b）静电感应耦合）静电感应耦合 c c）电磁感应耦合）电磁感应耦合 d d）电容耦合）电容耦合 辐射耦合：辐射耦合：近场、远场近场、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到潜在敏雷电电磁脉冲的能量通过空间并以电磁场的形式耦合到潜在敏感设备。感设备。LEMP的危害的危害近场：在回路中的感应电压举例：近场：在回路中的感应电压举例