第4-1章防雷概述

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1、控制系统雷电防护概述控制系统雷电防护概述Outline for Protection against lightning of control system徐义亨徐义亨 20102010年年11 11月月1前前 言言 闪电是自然界强大的闪电是自然界强大的脉冲放电脉冲放电现象，地球上平均每秒钟有现象，地球上平均每秒钟有100100次，已成为十大自然灾害之一，给人类带来巨大的损失。次，已成为十大自然灾害之一，给人类带来巨大的损失。 直击雷直击雷的高电压、强电流侵入各处，袭击人，破坏建筑物、输的高电压、强电流侵入各处，袭击人，破坏建筑物、输电网，引发森林火灾（半数是雷击引起的）是很常见的事。电网，引

2、发森林火灾（半数是雷击引起的）是很常见的事。 随着控制系统的集成化程度与对雷击敏感度水平在同步提高，随着控制系统的集成化程度与对雷击敏感度水平在同步提高，因此雷击电磁脉冲的危害日趋严重。因此雷击电磁脉冲的危害日趋严重。 伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应和静电感应的作伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲，以电磁感应和静电感应的作用（俗称用（俗称感应雷感应雷） ，通过金属管道和电缆将雷电波（即高电位）引，通过金属管道和电缆将雷电波（即高电位）引入，由于微电子的浪涌抗扰度很低，所以对近十多年来迅速发展的入，由于微电子的浪涌抗扰度很低，所以对近十多年来迅速发展的电子、信息、控制设备的破坏和危害更大，因

3、而也就成了防雷技术电子、信息、控制设备的破坏和危害更大，因而也就成了防雷技术中一个急需解决的重要课题。中一个急需解决的重要课题。21 1 雷电的基础知识雷电的基础知识 1.1 1.1 雷云结构和雷电的分类雷云结构和雷电的分类 在大气中有在大气中有带正电的冰晶带正电的冰晶和和带负电的水粒带负电的水粒，由于它们的比重不，由于它们的比重不一，于是形成了一种气流，使得带正电的冰晶和带负电的水粒分一，于是形成了一种气流，使得带正电的冰晶和带负电的水粒分离，形成一部分带正电和一部分带负电的雷云。离，形成一部分带正电和一部分带负电的雷云。 1 1）片状雷片状雷（云间放电云间放电，占，占95%95%，仅对信息

4、系统构成威胁），仅对信息系统构成威胁） 由于异性电荷的不断积累，不同极性的云块之间的电场强度不由于异性电荷的不断积累，不同极性的云块之间的电场强度不断增大；当某处的断增大；当某处的电场强度超过了空气可能承受的击穿强度电场强度超过了空气可能承受的击穿强度时，就时，就形成了形成了云间放电云间放电。 不同符号的电荷通过一定的电离通道互相中和，产生强烈的光不同符号的电荷通过一定的电离通道互相中和，产生强烈的光和热。放电通道所发出的这种强光称之谓和热。放电通道所发出的这种强光称之谓“闪闪”。而通道所发出。而通道所发出的热，使附近空气突然膨胀，发出霹雳的轰鸣，人们称之谓的热，使附近空气突然膨胀，发出霹雳的

5、轰鸣，人们称之谓“雷雷”。3片状雷片状雷4 2 2）线状雷线状雷( (云对地放电云对地放电，占，占5%,5%,对建筑物和信息系统均构成威胁）对建筑物和信息系统均构成威胁） 通常下部的雷云带负电，上部的雷云带正电，由于通常下部的雷云带负电，上部的雷云带正电，由于静电感应静电感应使使地面积聚正电荷，从而使地面与雷云之间形成强大的电场。和云间地面积聚正电荷，从而使地面与雷云之间形成强大的电场。和云间放电一样，当某处积聚的电荷密度很大，造成放电一样，当某处积聚的电荷密度很大，造成电场强度达到空气游电场强度达到空气游离的临界值离的临界值，就为线状闪电落雷的发展创造了条件。，就为线状闪电落雷的发展创造了条

6、件。 5线状雷线状雷63 3）球雷球雷 球状闪电特指雷电过程中发生的一种运动着的发光球，看上去球状闪电特指雷电过程中发生的一种运动着的发光球，看上去像一团火球。像一团火球。 特点：特点：直径直径1010100cm100cm； 呈橙色和红色，亮白色，也有黄色、蓝色和绿色；呈橙色和红色，亮白色，也有黄色、蓝色和绿色； 存在时间约存在时间约1010秒左右；秒左右； 可以水平运动可以水平运动( (随风而飘随风而飘），也可垂直降落；，也可垂直降落； 一般不伤人一般不伤人。（占云对地放电中的（占云对地放电中的8%8%，19831983年年8 8月月1515日，北京焦化厂被球雷烧毁两日，北京焦化厂被球雷烧毁

7、两个个100100立方米的酒精罐）立方米的酒精罐）78电话电话2 2 kmkm 数据线缆数据线缆TV230/400 VMCR110 kVABC Company移动基站移动基站雷电流传播的途径雷电流传播的途径9危险半径危险半径2km的来由的来由1 1）实践经验实践经验的归纳；的归纳；2 2）首次雷（强度最大）的主频率约为）首次雷（强度最大）的主频率约为25kHz25kHz，因为波长和传播速度以及，因为波长和传播速度以及频率的关系如下式所示。频率的关系如下式所示。 =c/f =c/f 式中：式中：c-c-传播速度（传播速度（3 310108 8m/sm/s）；）； f-f-频率（频率（HzHz）。

8、）。 近场近场的边界距离为的边界距离为/2/2，所以，所以 /2=c/(2f)=3/2=c/(2f)=310108 8/ /（2 23.143.14252510103 3) ) 2(km)2(km)10雷电放电的浪涌起因雷电放电的浪涌起因11雷击（雷击（云对地云对地）的选择性）的选择性 放电放电即位能的释放，总是沿着易导电路程（阻抗小）的地方。即位能的释放，总是沿着易导电路程（阻抗小）的地方。 例如：例如：1 1）高大建筑物的尖顶（因为该处的静电感应的电场强度最大）；）高大建筑物的尖顶（因为该处的静电感应的电场强度最大）；2 2）旷野中的突出物，即便不高，因为孤立、突出；）旷野中的突出物，即便

9、不高，因为孤立、突出；3 3）潮湿的土壤（因为电阻率低）；）潮湿的土壤（因为电阻率低）；4 4）金属结构的建筑物，包括金属线缆等（因为具有良好的导电性能）；）金属结构的建筑物，包括金属线缆等（因为具有良好的导电性能）；5 5）高层建筑物有遭）高层建筑物有遭侧击雷侧击雷的可能，即天面以下，地面以上。的可能，即天面以下，地面以上。（案例案例1 1：20042004年年6 6月月2626日，浙江临海市杜桥镇，在日，浙江临海市杜桥镇，在5 5棵大树底下的简易塑料棵大树底下的简易塑料棚，死棚，死1717人，伤人，伤1313人；人； 案例案例2 2：19671967年年6 6月月2424日，北京和平里，高

10、压输电线附近有棵大树，树上引日，北京和平里，高压输电线附近有棵大树，树上引一晒衣铁丝至屋墙，内墙有一金属毛巾架，雷击时，将毛巾架下的一女一晒衣铁丝至屋墙，内墙有一金属毛巾架，雷击时，将毛巾架下的一女孩击毙。）孩击毙。） 所以在作雷击案例分析时，首先要观察现场的周边环境。所以在作雷击案例分析时，首先要观察现场的周边环境。12旁侧闪络的例子旁侧闪络的例子1 旁侧闪络旁侧闪络是受害人根本没有直是受害人根本没有直接接触受雷击的物体，只是在它接接触受雷击的物体，只是在它的附近，而的附近，而直接被雷击的物体的直接被雷击的物体的高电压击穿附近的空气触及受害高电压击穿附近的空气触及受害人。人。电位分布曲线电位

11、分布曲线13旁侧闪络的例子旁侧闪络的例子2U U2 2=U=U1 1C C1 1/(C/(C1 1+C+C2 2) )毛巾架毛巾架晒衣铁丝晒衣铁丝晒衣架晒衣架U U1 1C C1 1C C2 2U U2 2141.2 1.2 外部防雷装置的基本原理外部防雷装置的基本原理 外部避雷装置的基本原理是外部避雷装置的基本原理是引雷入地引雷入地。 它包括三个部分：它包括三个部分：1 1）接闪器；）接闪器；2 2）引下线；）引下线；3 3）接地体。）接地体。 接闪器的四种形式：接闪器的四种形式：1 1）避雷针；）避雷针；2 2）避雷线（用在高压线路上）；）避雷线（用在高压线路上）；3 3）避雷带（沿屋顶四

12、周）；）避雷带（沿屋顶四周）；4 4）避雷网（利用屋顶上的金属配筋，效果最好）。）避雷网（利用屋顶上的金属配筋，效果最好）。 （现还有（现还有“绝缘防雷绝缘防雷”之说，依据是山西应县的之说，依据是山西应县的67.1367.13米高的木米高的木塔已塔已900900多年安然无恙）多年安然无恙）15外部防雷装置外部防雷装置16外部防雷装置外部防雷装置接闪装置接闪装置引下线引下线接接地地体体连接水管连接水管测试点测试点避雷针避雷针连接连接天窗天窗连接连接天线杆天线杆避雷针避雷针连接防连接防 雪雪装置装置17避雷针的保护范围避雷针的保护范围 对于对于单支避雷针单支避雷针的保护范围可以近似认为：以尖顶为中

13、心的的保护范围可以近似认为：以尖顶为中心的4545 锥体内的空间（英、日标准）。锥体内的空间（英、日标准）。 最新的确定方法：最新的确定方法：滚球法滚球法. . 18保护角保护角194.1.3 4.1.3 滚球法滚球法Hr(击距击距)I(I(雷击电流雷击电流) )建筑物建筑物20 在该模型中，在该模型中，雷击先导雷击先导的发展起初是的发展起初是随机的随机的，直到，直到先导头部先导头部足以击足以击穿它与穿它与地面目标地面目标间的间隙时，也即先导与地面目标的距离等于击距间的间隙时，也即先导与地面目标的距离等于击距时，才受到地面影响而开始时，才受到地面影响而开始定向定向。 滚球法是基于以下的雷闪的数

14、学模型（滚球法是基于以下的雷闪的数学模型（电气电气- -几何模型几何模型）：）：h hr r=10I=10I0.650.65式中：式中：hrhr雷闪的最后闪络距离（雷闪的最后闪络距离（击距击距），即所谓的），即所谓的滚球半径滚球半径（m m） I I雷击雷击电流电流的幅值（的幅值（kAkA）。）。21 滚球法滚球法就是将雷击地面或地面物体的过程，就是将雷击地面或地面物体的过程，等值地描述为一个以击等值地描述为一个以击距为半径的假想球体从天而降距为半径的假想球体从天而降，沿随机路径逼近地面或地面上的物体，沿随机路径逼近地面或地面上的物体时，球体所能接触到的物体都有可能遭受雷击；球体最先触及的且处

15、时，球体所能接触到的物体都有可能遭受雷击；球体最先触及的且处于地电位的点是于地电位的点是最可能的雷击点最可能的雷击点（如避雷针）。反之，滚球不能接触（如避雷针）。反之，滚球不能接触到的地方，则可认为是由建筑物的到的地方，则可认为是由建筑物的接闪器能够保护的区域接闪器能够保护的区域。 据统计，据统计，滚球半径为滚球半径为30m30m时，涵盖了时，涵盖了97%97%的雷击。滚球半径为的雷击。滚球半径为45m45m时，涵盖了时，涵盖了93%93%的雷击。滚球半径为的雷击。滚球半径为60m60m时，涵盖了时，涵盖了80%80%的雷击的雷击。22确定接闪系统确定接闪系统位置位置的方法的方法 接闪器接闪器

16、引下线引下线接地系统接地系统保护角保护角 h滚球半径滚球半径rW 为网格尺寸为网格尺寸W- 保护角保护角23滚球半径表滚球半径表 建筑物防雷类别 滚球半径hr (m) 避雷网网格尺寸(m) 第一类防雷建筑物 30 55或64 第二类防雷建筑物 45 1010或128 第三类防雷建筑物 60 2020或2416hr=45mhr=30mhr=60m滚球法确定外部防雷的保护范围滚球法确定外部防雷的保护范围制造、使用、贮存制造、使用、贮存炸药、火药、煤气炸药、火药、煤气等大量爆炸物质的等大量爆炸物质的建筑物。建筑物。文文物物保保护护建建筑筑和和有有大大量量电电子子设设备备的的建建筑筑，具具有有2区区或

17、或11区区爆爆炸炸危危险险环环 境境 的的 建建 筑筑 物物 。一般性的民用和工业建一般性的民用和工业建筑、甲级办公楼和一些筑、甲级办公楼和一些高耸的建筑物（如水塔、高耸的建筑物（如水塔、烟囱等）。烟囱等）。242 2 雷电对控制系统侵害的途径雷电对控制系统侵害的途径 除了除了直接雷击直接雷击外，闪电的脉冲电流还会产生剧烈变化的电磁外，闪电的脉冲电流还会产生剧烈变化的电磁场，在闪电通道的四周空间产生强大的电磁辐射，并通过金属线缆场，在闪电通道的四周空间产生强大的电磁辐射，并通过金属线缆和金属管道，将高电位（雷电波）带入电子信息（控制）系统。和金属管道，将高电位（雷电波）带入电子信息（控制）系统

18、。 伴随闪电发生的雷电电磁脉冲虽然不及直击雷猛烈，但直击伴随闪电发生的雷电电磁脉冲虽然不及直击雷猛烈，但直击雷的放电区域小，而电磁脉冲可以影响几公里范围内的电子设备。雷的放电区域小，而电磁脉冲可以影响几公里范围内的电子设备。 雷电电磁辐射分：雷电电磁辐射分：1 1）静电感应（）静电感应（电容性耦合电容性耦合）；）；2 2）电磁感应（）电磁感应（电感性耦合电感性耦合）。）。 此外，对控制系统的侵害途径还有；此外，对控制系统的侵害途径还有；3 3）反击（）反击（电阻性耦合电阻性耦合）；）；4 4）电磁场辐射（）电磁场辐射（辐射耦合辐射耦合）。）。252.1 2.1 静电感应（电容性耦合）静电感应（

19、电容性耦合）贮罐贮罐金属导线金属导线带负电云层带负电云层hb放电通道26 以以负雷云对地放电负雷云对地放电为例。为例。 当空间有带负电的积雨云出现时，在积雨云下的地面、建筑物当空间有带负电的积雨云出现时，在积雨云下的地面、建筑物（如金属贮罐）和（如金属贮罐）和金属导线表面由于静电感应的作用会感应出与雷金属导线表面由于静电感应的作用会感应出与雷云下端电荷异号的正电荷云下端电荷异号的正电荷。由于从积雨云的出现到发生雷击所需要。由于从积雨云的出现到发生雷击所需要的时间比雷击放电过程的时间要长得多，因此可以有充分的时间积的时间比雷击放电过程的时间要长得多，因此可以有充分的时间积累大量的正电荷。此时，在

20、金属贮罐和金属导线相应的负电荷被排累大量的正电荷。此时，在金属贮罐和金属导线相应的负电荷被排斥向反方向或两侧移动，经泄漏电导和电网流入大地。因为斥向反方向或两侧移动，经泄漏电导和电网流入大地。因为移动的移动的速度较慢，不构成威胁。速度较慢，不构成威胁。27 在雷云放电前，在金属贮罐和金属导线表面上积累的电荷停留其在雷云放电前，在金属贮罐和金属导线表面上积累的电荷停留其表面上，不会自由移动，所以我们称作为表面上，不会自由移动，所以我们称作为束搏电荷束搏电荷，也不构成威胁。，也不构成威胁。当雷云对地放电与地面的异种电荷当雷云对地放电与地面的异种电荷迅速中和后迅速中和后，某些局部，例如金，某些局部，

21、例如金属导线上感应电荷，由于与大地间的电阻比较大，而不能在同样短属导线上感应电荷，由于与大地间的电阻比较大，而不能在同样短的时间内立即消失，这些的时间内立即消失，这些失去束搏的电荷将向两侧运动，形成过电失去束搏的电荷将向两侧运动，形成过电压波（即雷电波），其值可达几千几万伏，压波（即雷电波），其值可达几千几万伏，速度小于光速。速度小于光速。28建筑物建筑物 1设备设备1 EBB 1PE 1建筑物建筑物2设备设备2EBB 2PE 2信号线信号线干扰电流干扰电流雷电通道雷电通道180e.ppt / 16.11.99 / ESC180e_bRA29 雷电通道（或接闪器）和设备雷电通道（或接闪器）和设

22、备1 1、设备、设备2 2之间的信号线容性耦合。之间的信号线容性耦合。图中的干扰电流也称图中的干扰电流也称“注入电流注入电流”，约，约10A10A。干扰电流通过设备。干扰电流通过设备1 1和和设备设备2 2的绝缘而流入大地。的绝缘而流入大地。 （例：（例：19891989年年8 8月月1212日日山东黄岛山东黄岛特大油罐起火，就是非金属油罐里面特大油罐起火，就是非金属油罐里面的钢筋未作屏蔽接地，的钢筋未作屏蔽接地，外露钢筋间隙放电外露钢筋间隙放电所至，死所至，死1919人，伤害人，伤害7878人，烧了人，烧了4 4天，损失几千万。）天，损失几千万。）30179e_a179e.ppt / 16.

23、11.99 / ESC在信号线之间的感应环在信号线之间的感应环建筑物建筑物 1建筑物建筑物2感应环感应环信号线信号线干扰电流干扰电流设备设备 1设备设备 22.2 2.2 电磁感应（电感性耦合）电磁感应（电感性耦合）31179e_b179e.ppt / 16.11.99 / ESC在信号线和地之间的电感耦合在信号线和地之间的电感耦合建筑物建筑物 1建筑物建筑物2信号线信号线干扰电流干扰电流EBB 2PE 2EBB 1感应环感应环设备设备 2PE 1设备设备 1 32 雷云放电时，空间存在着强大的电磁场，处在该电磁场作用下雷云放电时，空间存在着强大的电磁场，处在该电磁场作用下的金属线缆因切割磁力

24、线会感应出的数以千伏的浪涌电压。如果金的金属线缆因切割磁力线会感应出的数以千伏的浪涌电压。如果金属线缆之间形成了一个回路，该回路内又有一定的空气间隙属线缆之间形成了一个回路，该回路内又有一定的空气间隙( (如几厘如几厘米长），则浪涌电压会在间隙处发生火花放电并将设备击坏。金属米长），则浪涌电压会在间隙处发生火花放电并将设备击坏。金属线缆之间形成了一个流通的闭合回路，则线缆之间形成了一个流通的闭合回路，则感应电压会在回路内形感应电压会在回路内形成闭合电流，该电流流经接触不良的接点或阻抗会产生局部过热，成闭合电流，该电流流经接触不良的接点或阻抗会产生局部过热，也能将设备烧坏。也能将设备烧坏。331

25、76e1建筑物建筑物 1设备设备1 EBB 1PE 12建筑物建筑物 2 设备设备2EBB 2PE 2信号线信号线干扰电流干扰电流22.3 2.3 反击（电阻性耦合）反击（电阻性耦合）34 在建筑物或金属设备遭直击雷时在建筑物或金属设备遭直击雷时 由于在建筑物引下线内或金属由于在建筑物引下线内或金属设备内流过很大的电流，这电流在流入接地装置时，会使设备内流过很大的电流，这电流在流入接地装置时，会使地电位相地电位相对于远端浮动几万、几十万伏对于远端浮动几万、几十万伏，这时如近处的设备和远处的设备间，这时如近处的设备和远处的设备间有金属导线相连且都又是有金属导线相连且都又是单独接地单独接地时，那么

26、就会将近处和远处的设时，那么就会将近处和远处的设备同时击坏，或击坏其中一个备同时击坏，或击坏其中一个 取决设备和导线取决设备和导线( (包括分布电感包括分布电感) )分压分压比比 。352.4 2.4 电磁场辐射（辐射耦合）电磁场辐射（辐射耦合） 远距离雷电放电产生的电磁场会在大范围的数据传输信号线上远距离雷电放电产生的电磁场会在大范围的数据传输信号线上像像天线天线一样感应出过电压，这种干扰会传递到电子设备端口上。一样感应出过电压，这种干扰会传递到电子设备端口上。 直接辐射直接辐射的电磁场往往会使电子系统的电磁场往往会使电子系统失效失效，但造成电子设备损，但造成电子设备损坏的可能性较小。坏的可

27、能性较小。362.5 2.5 感应过电压的估算感应过电压的估算 根据根据19941994年水利电力出版社出版的前苏联学者年水利电力出版社出版的前苏联学者.拉里昂诺拉里昂诺夫著夫著 高电压技术高电压技术 21 21一书，一书，闪电放电在金属导线（或金属管线）闪电放电在金属导线（或金属管线）上产生的感应过电压上产生的感应过电压是由静电感应和电磁感应两种原因造成的，该是由静电感应和电磁感应两种原因造成的，该脉冲电压波的峰值为脉冲电压波的峰值为 U=30Ih/bU=30Ih/b（伏）（伏）式中：式中：I-I-闪电电流闪电电流，A A，估算时可按设计的最大雷电流，估算时可按设计的最大雷电流200kA20

28、0kA考考 虑；虑； h-h-金属导线（或金属管线）金属导线（或金属管线）离地的高度离地的高度，m m； b-b-金属导线（或金属管线）金属导线（或金属管线）和放电通道的距离和放电通道的距离，m m。 （见（见2626页）页）373 3 雷电电磁脉冲（雷电电磁脉冲（LEMPLEMP）的基本防护措施）的基本防护措施控制系统的防雷系统控制系统的防雷系统外部防雷措施外部防雷措施内部防雷措施内部防雷措施接接闪闪器器引引下下线线接接地地装装置置共共用用接接地地系系统统电电缆缆的的双双层层屏屏蔽蔽合合理理布布线线安安装装浪浪涌涌保保护护器器（ SPD ）等等电电位位连连接接选选择择高高抗抗扰扰度度的的控控

29、制制系系统统控控制制室室的的屏屏蔽蔽383.1 电缆的屏蔽 无屏蔽连接, 没有防止容性耦合和感应耦合的屏蔽MEB 1CLMEB 239A. A. 静电屏蔽静电屏蔽 电缆屏蔽层单端接地（一般在控制室侧）。电缆屏蔽层单端接地（一般在控制室侧）。分布电容分布电容引下线引下线屏蔽层屏蔽层电缆芯线电缆芯线40单端接地单端接地防止容性耦合的屏蔽防止容性耦合的屏蔽MEB 1LMEB 241感应耦合感应耦合 ( (间接雷电干扰或开关操作间接雷电干扰或开关操作) )INDUKTIONSSCHLEIFE无屏蔽无屏蔽巨大的耦合面巨大的耦合面一端屏蔽接地一端屏蔽接地巨大的耦合面巨大的耦合面两端屏蔽接地两端屏蔽接地减少

30、耦合面减少耦合面感应环感应环感应环感应环感应环感应环42两端接地两端接地, ,防止感应耦合的屏蔽防止感应耦合的屏蔽MEB 1MEB 243B.B.电缆屏蔽层的双端接地电缆屏蔽层的双端接地Ic44两端屏蔽接地两端屏蔽接地问题问题: : 地电位差产生的平衡电流地电位差产生的平衡电流解决方法：双层屏蔽解决方法：双层屏蔽MEB 1n x 50 Hz低频的平衡电流低频的平衡电流MEB 1 MEB 2MEB 245 为此，除了内屏蔽层的一端做等电位联接外，还应增加有为此，除了内屏蔽层的一端做等电位联接外，还应增加有绝缘绝缘隔开隔开的的外屏蔽层外屏蔽层，外屏蔽层应至少在，外屏蔽层应至少在两端作等电位联接两端

31、作等电位联接。在雷击时。在雷击时外屏蔽层与地构成了环路，感应出一电流，该电流产生的磁通抵消外屏蔽层与地构成了环路，感应出一电流，该电流产生的磁通抵消或部分抵消雷击的源磁场的磁通，从而抑制或部分抑制无外屏蔽层或部分抵消雷击的源磁场的磁通，从而抑制或部分抑制无外屏蔽层时所感应的电压。时所感应的电压。46 双层屏蔽电缆的双层屏蔽电缆的外屏蔽层外屏蔽层可采用下述方法实现：可采用下述方法实现：a.a.分屏加总屏电缆分屏加总屏电缆的总屏蔽层；的总屏蔽层；b.b.金属铠装电缆金属铠装电缆的金属铠装层；的金属铠装层；c.c.敷设电缆的敷设电缆的金属走线槽、金属保护管金属走线槽、金属保护管等；等；d.d.钢筋混

32、凝土结构的电缆沟钢筋混凝土结构的电缆沟。47 如利用如利用金属走线槽或穿金属管金属走线槽或穿金属管作为外屏蔽层，但必须保证槽与作为外屏蔽层，但必须保证槽与槽之间或金属管与金属管之间的连接良好且两端接地。槽之间或金属管与金属管之间的连接良好且两端接地。 如在控制室屋外入口处宜采用格栅形如在控制室屋外入口处宜采用格栅形钢筋混凝土电缆沟钢筋混凝土电缆沟, ,钢筋钢筋格栅必须与建筑物的钢筋相连接。格栅必须与建筑物的钢筋相连接。48互相连接的钢筋电缆沟互相连接的钢筋电缆沟Cu-铜棒铜棒 6mm或或Fe-铁铁 棒棒 16 mm电源线电源线 50 cm如果需要建议屏蔽如果需要建议屏蔽 15 cm信息线信息线

33、部分雷电流部分雷电流被保护线路被保护线路屏蔽线屏蔽线49 从室外进入控制室的电缆，如在控制室屋入口处从室外进入控制室的电缆，如在控制室屋入口处采用格栅形钢采用格栅形钢筋混凝土电缆沟筋混凝土电缆沟，其钢筋格栅的形状如图所示，典型的网格宽度为，其钢筋格栅的形状如图所示，典型的网格宽度为15cm,15cm,钢筋的直径宜大于钢筋的直径宜大于6mm6mm。 钢筋格栅必须与建筑物的钢筋相连接。钢筋格栅必须与建筑物的钢筋相连接。 电缆沟的长度应符合下列表达式的要求，但电缆沟的长度应符合下列表达式的要求，但不应小于不应小于15m15m。 L2L2式中：式中：L-L-格栅形钢筋混凝土电缆沟长度；格栅形钢筋混凝土

34、电缆沟长度； -格栅形钢筋混凝土电缆沟处的土壤电阻率（格栅形钢筋混凝土电缆沟处的土壤电阻率（m m）。）。 503.2 3.2 合理布线合理布线 A.A.减少感应环路面积减少感应环路面积最初的形势最初的形势高的电磁场通过感应环路高的电磁场通过感应环路设备设备电源线电源线感应环路感应环路通信线通信线设备屏蔽设备屏蔽第一种第一种衰减了的电磁场通过感应环路衰减了的电磁场通过感应环路设备设备感应环路感应环路建筑物或屏蔽房间建筑物或屏蔽房间LPZ 1第二种第二种衰减了的感应环路衰减了的感应环路屏蔽屏蔽设备设备感应环路感应环路第三种第三种在屏蔽闭合导体中的导体在屏蔽闭合导体中的导体屏蔽屏蔽屏蔽了的空间屏蔽

35、了的空间设备设备屏蔽导体屏蔽导体51 B.B.和引下线保持一定距离和引下线保持一定距离 信息系统电缆和防雷引下线的净距如下表所示（引自信息系统电缆和防雷引下线的净距如下表所示（引自GB GB 50343-2004 50343-2004 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 ）。）。 如线缆敷设高度超过如线缆敷设高度超过6000mm6000mm时，与防雷引下线的时，与防雷引下线的交叉距离交叉距离应按应按下式计算：下式计算： S S0.05H0.05H 式中：式中：H-H-交叉交叉处防雷引下防雷引下线距地面的高度（距地面的高度（mmmm）；）； S-S-交叉交叉净距（距（m

36、mmm）。）。最小平行净距（最小平行净距（mm)最小交叉净距（最小交叉净距（mm)1000300523.3 3.3 浪涌保护器（浪涌保护器（SPDSPD）的使用）的使用 SPDSPD是一种限制瞬态过电压和分走浪涌电流的器件是一种限制瞬态过电压和分走浪涌电流的器件。其基本原理。其基本原理是，它并接在被保护设备的附近，在无浪涌出现时为是，它并接在被保护设备的附近，在无浪涌出现时为高阻抗高阻抗（即开（即开路状态），当出现浪涌时就在最短的时间内（路状态），当出现浪涌时就在最短的时间内（纳秒纳秒级）内迅速将雷级）内迅速将雷电流泄放到地使电流泄放到地使SPDSPD变为变为低阻抗低阻抗，从而保护了被保护设备

37、。，从而保护了被保护设备。53受保护受保护设备设备SPDSPD54SPDSPD泄放电流和电压的测试波形泄放电流和电压的测试波形55波形参数波形参数波形波形波前时间波前时间半峰时间半峰时间8/208/20电流电流8 8 s s20 20 s s10/35010/350电流电流10 10 s s350 350 s s1.2/501.2/50电压电压1.2 1.2 s s50 50 s s56SPDSPD可以分成两大类：可以分成两大类：1 1）电压开关型电压开关型SPDSPD 通常由放电间隙、充气放电管、闸流管和三端双向可控硅元件通常由放电间隙、充气放电管、闸流管和三端双向可控硅元件组成。该类组成。

38、该类SPDSPD在无浪涌出现时呈高阻抗，出现电压浪涌时在无浪涌出现时呈高阻抗，出现电压浪涌时突变突变为为低阻抗。低阻抗。2 2）限压型限压型SPDSPD 通常用压敏电阻、齐纳二极管、雪崩二极管组成。该类通常用压敏电阻、齐纳二极管、雪崩二极管组成。该类SPDSPD在无在无电涌出现时为高阻抗，随着浪涌电压和电流的升高，其阻抗电涌出现时为高阻抗，随着浪涌电压和电流的升高，其阻抗持续持续下降下降呈低阻导通状态。呈低阻导通状态。3 3）组合型组合型SPDSPD 该浪涌吸收器由电压开关型该浪涌吸收器由电压开关型SPDSPD和限压型和限压型SPDSPD组合而成。组合而成。57不同种类不同种类SPDSPD的响

39、应时间、放电电流和绝缘电阻的响应时间、放电电流和绝缘电阻 气体放电管气体放电管压敏电阻压敏电阻二极管二极管响应时间响应时间500ns500ns50ns50ns1ns1ns放电电流放电电流10kA10kA2kA2kA100A100A绝缘电阻绝缘电阻10G10G20M20M20M20M58SPDSPD主要参数的选择主要参数的选择（1 1）最大持续运行电压最大持续运行电压U UC C 允许持续施加于允许持续施加于SPDSPD端子间的最大电压有效值，它等于端子间的最大电压有效值，它等于SPDSPD的额定电压的额定电压。例如：例如：1 1）DCSDCS的的220V220V交流电源，可取交流电源，可取U

40、UC C大于大于1.55U1.55UO O（U UO O=220V=220V），即），即340V340V。 2 2）变送器的电源电压如为）变送器的电源电压如为24V24V，模拟量，模拟量I/OI/O端口的端口的SPDSPD可取可取U UC C27V27V。（2 2）标称放电电流标称放电电流I In n 流过流过SPDSPD的相应波形的放电电流峰值（的相应波形的放电电流峰值（kA)kA)。其值要按地区的雷暴日多。其值要按地区的雷暴日多少、地理位置、行业特点、单级或多级、价格等因素而定。少、地理位置、行业特点、单级或多级、价格等因素而定。 例如，信号通信系统不小于例如，信号通信系统不小于3 kA

41、3 kA （如双层屏蔽不小于（如双层屏蔽不小于 0.5 kA0.5 kA） 。 59（3 3）电压保护水平）电压保护水平UpUp的选择的选择60 冲击放电电流通过电压开关型冲击放电电流通过电压开关型SPDSPD的最大放电电压，或通过电压的最大放电电压，或通过电压限制型限制型SPDSPD时，在其端子上所呈现的最大电压峰值叫时，在其端子上所呈现的最大电压峰值叫电压保护水平电压保护水平。 残压残压= =电压保护水平电压保护水平+ +引线上的感应电压引线上的感应电压 SPDSPD的电压保护水平加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基的电压保护水平加上其两端引线的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备

42、允许的最大电涌电压协调一致，本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致，一般不大于设备一般不大于设备耐压水平的耐压水平的0.80.8。4 4）响应时间响应时间 从暂态过电压开始作用于从暂态过电压开始作用于SPDSPD的时间到的时间到SPDSPD实际导通放电时刻之实际导通放电时刻之间的延迟时间间的延迟时间。它决定了。它决定了SPDSPD能否在浪涌一出现，就快速启动将浪能否在浪涌一出现，就快速启动将浪涌的能量释放掉。其值涌的能量释放掉。其值愈小愈好愈小愈好，一般要求小于，一般要求小于5ns5ns，对电源系统，对电源系统可放宽到小于可放宽到小于25ns25ns。 当当SPDSPD用于本安回路时，还必

43、须使用经过本安或隔爆认证过的用于本安回路时，还必须使用经过本安或隔爆认证过的SPDSPD。613.4 3.4 接地接地/ /等电位连接等电位连接 防雷工程的接地系统系用于：防雷工程的接地系统系用于：a.a.雷电流的雷电流的泄放泄放；b.b.抑制抑制雷电电磁脉冲的电磁感应和静电感应；雷电电磁脉冲的电磁感应和静电感应；c.c.将分开的仪表装置通过将分开的仪表装置通过等电位连接等电位连接，以减少仪表系统的设备在金，以减少仪表系统的设备在金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击产生的电位差。属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击产生的电位差。62 需要保护的仪表控制系统必须采用等电位连接与接地保护措施

44、。需要保护的仪表控制系统必须采用等电位连接与接地保护措施。仪表控制系统的接地仪表控制系统的接地/ /等电位连接系统应与整个工厂的接地等电位连接系统应与整个工厂的接地/ /等电位等电位连接系统相协调。当控制室与现场仪表或其他控制设施相距很远连接系统相协调。当控制室与现场仪表或其他控制设施相距很远时，可能难以时，可能难以实施全厂统一的共地和等电位连接实施全厂统一的共地和等电位连接，此时应分别实施，此时应分别实施局部的接地局部的接地/ /共地共地/ /等电位连接，然后加强局部间的电气联系和屏蔽、等电位连接，然后加强局部间的电气联系和屏蔽、分流。分流。 63实施等电位连接的方法实施等电位连接的方法实施

45、等电位连接的方法：实施等电位连接的方法：n将分开的装置和诸导电物体用将分开的装置和诸导电物体用导体连接导体连接；n采用采用共用接地网共用接地网；n用用浪涌保护器浪涌保护器（SPDSPD）连接起来，以减小雷电流或其它干扰电流在）连接起来，以减小雷电流或其它干扰电流在它们之间产生的电位差。它们之间产生的电位差。64设备是如何利用设备是如何利用SPDSPD做到等电位的做到等电位的( (例例) )电电 源源 线线信号信号 线线I1I2U1U2U3上上图图所所示示：设设备备有有电电源源入入口口和和信信号号入入口口，以以及及设设备备本本身身的的接接地地。左左边边的的为为电电源源SPDSPD，右右边边的的为

46、为信信号号SPDSPD。当当雷雷电电流流从从电电源源线线流流入入时时，电电源源侧侧的的电电位位U1U1瞬瞬时时提提高高，当当U U1 1升升高高到到SPDSPD的的导导通通电电压压时时，SPDSPD开开始始动动作作，大大量量的的雷雷电电流流I1I1从从电电源源SPDSPD进进入入大大地地，导导通通后后，U U1 1=U=U2 2，由由于于接接地地存存在在接接地地电电阻阻，因因此此雷雷电电流流流流入入大大地地的的同同时时会会使使大大地地电电位位U U2 2升升高高，这这时时U U2 2与与U U3 3之之间间的的电电位位差差超超过过信信号号SPDSPD导导通通电电压压，信信号号SPDSPD导导通

47、通，导导通通后后，U U2 2=U=U3 3，因因此此在在雷雷电电通通过过的的瞬瞬间间，SPDSPD可可以以使使U U1 1=U=U2 2=U=U3 3，使设备各点之间的电位达到平衡，从而起到保护作用。，使设备各点之间的电位达到平衡，从而起到保护作用。 65Z阴极保护管阴极保护管EBBEBBWaterGasGasPS引入的设备管线的防雷保护等电位连接引入的设备管线的防雷保护等电位连接66等电位连接的几个要点等电位连接的几个要点1 1）控制系统的接地装置应）控制系统的接地装置应优先使用共用接地网优先使用共用接地网，当共用接地网的接，当共用接地网的接地电阻达不到要求时应增加人工接地体。地电阻达不到

48、要求时应增加人工接地体。2 2）当设置）当设置人工接地体时人工接地体时，人工接地体宜在建筑物四周散水坡外，人工接地体宜在建筑物四周散水坡外大于大于1m1m处处埋设成环形接地体，并埋设成环形接地体，并应和共用接地网连接应和共用接地网连接。3 3）控制系统的交流电源）控制系统的交流电源400V/230V400V/230V供配电系统应采用供配电系统应采用TNTN系统，从建系统，从建筑物内总配电盘开始引进的配电线路和分支线路筑物内总配电盘开始引进的配电线路和分支线路必须采用必须采用TN-STN-S接地接地制式。制式。4 4）当现场仪表的金属外壳通过金属安装支架或金属设备自然接地时，）当现场仪表的金属外

49、壳通过金属安装支架或金属设备自然接地时，为防止因雷击时造成地电位差的为防止因雷击时造成地电位差的反击反击，现场仪表的金属外壳必须现场仪表的金属外壳必须就近接地并实行等电位连接。就近接地并实行等电位连接。67控制系统四大防雷措施其重要性的控制系统四大防雷措施其重要性的排序排序1 1）接地）接地/ /等电位连接等电位连接；2 2）电缆的双层）电缆的双层屏蔽屏蔽；3 3）合理的）合理的布线布线；4 4）使用）使用浪涌保护器浪涌保护器。 前三项是必不可少的。前三项是必不可少的。684 4 雷电活动区、雷电防护区和防护措施分级雷电活动区、雷电防护区和防护措施分级4.1 4.1 雷电活动区雷电活动区 雷电

50、活动区的强度是根据年平均雷暴日的多少进行划分的。雷电活动区的强度是根据年平均雷暴日的多少进行划分的。 年平均雷暴日的确定，原则上依据装置年平均雷暴日的确定，原则上依据装置所在地区的气象部门所在地区的气象部门提提供的数据，也可参照由供的数据，也可参照由国家公布国家公布的当地年平均雷暴日。的当地年平均雷暴日。 按地区年平均雷暴日多少，宜将雷电活动区划分为：按地区年平均雷暴日多少，宜将雷电活动区划分为：a.a.少雷区少雷区：年平均雷暴日在：年平均雷暴日在2020天及以下的地区；天及以下的地区；b.b.多雷区多雷区：年平均雷暴日大于：年平均雷暴日大于2020天，不超过天，不超过4040天的地区；天的地

51、区；c.c.高雷区高雷区：年平均雷暴日大于：年平均雷暴日大于4040天，不超过天，不超过6060天的地区；天的地区；d.d.强雷区强雷区：年平均雷暴日超过：年平均雷暴日超过6060天以上的地区。天以上的地区。 69上海、沈阳、杭州的年平均雷暴日（上海、沈阳、杭州的年平均雷暴日（d/ad/a）地地 区区地区气象部门提供的数据地区气象部门提供的数据中国地面气象资料中国地面气象资料统计的数据统计的数据上海上海49.949.928.428.4沈阳沈阳31.531.526.926.9杭州杭州434337.637.631.5704.2 4.2 雷电防护区雷电防护区(LPZ)(LPZ)的划分的划分 划分的目

52、的划分的目的: :在对控制系统进行雷电电磁脉冲防护时在对控制系统进行雷电电磁脉冲防护时, ,为采取相应为采取相应的防雷措施和配制防雷器件的方便，将被保护设备、系统所在的空的防雷措施和配制防雷器件的方便，将被保护设备、系统所在的空间间由外到内由外到内分为不同的雷电防护区（分为不同的雷电防护区（LPZLPZ）。）。 划分的原则划分的原则 : :依据依据遭直击雷的可能性遭直击雷的可能性以及雷电以及雷电电磁场强度衰减的电磁场强度衰减的程度。程度。71a.a.直击雷非防护区（直击雷非防护区（LPZ0ALPZ0A）：本区内的各物体完全暴露在外部防雷：本区内的各物体完全暴露在外部防雷装置的保护范围之外，均可

53、能遭直击雷，电磁场强度没有衰减。装置的保护范围之外，均可能遭直击雷，电磁场强度没有衰减。b.b.直击雷防护区（直击雷防护区（LPZ0BLPZ0B）：本区内的各物体处在外部防雷装置的保：本区内的各物体处在外部防雷装置的保护范围之内，很少遭护范围之内，很少遭到到大于所选定的滚球半径大于所选定的滚球半径的的直击雷，电磁场强直击雷，电磁场强度没有衰减。度没有衰减。c.c.第一防护区（第一防护区（LPZ1LPZ1）：本区内的各物体不可能遭直击雷，由于建：本区内的各物体不可能遭直击雷，由于建筑物的屏蔽措施，流经各类导体的雷电流比直击雷防护区（筑物的屏蔽措施，流经各类导体的雷电流比直击雷防护区（LPZ0LP

54、Z0）要小，电磁场强度得到了初步的衰减。要小，电磁场强度得到了初步的衰减。d.d.第二防护区（第二防护区（LPZ2LPZ2）：进一步减小所导引的雷电流或电磁场的后：进一步减小所导引的雷电流或电磁场的后续防护区。续防护区。e.e.后续防护区（后续防护区（LPZnLPZn）: :需要进一步减小雷电电磁脉冲，以保护敏感需要进一步减小雷电电磁脉冲，以保护敏感度水平高的设备的后续防护区。度水平高的设备的后续防护区。72将一个需要保护的空间划分为不同的防护区的将一个需要保护的空间划分为不同的防护区的一般原则一般原则 73一座内置控制系统的建筑物划分为几个雷电防护区一座内置控制系统的建筑物划分为几个雷电防护

55、区LPZ0ALPZOALPZ0ALPZ0BLPZ0BLPZ0BLPZ0BLPZ1LPZ1LPZ1LPZ1LPZ2LPZ1LPZ3机柜机柜屏蔽室屏蔽室接闪器接闪器74一种不适用于控制系统防雷的等电位一种不适用于控制系统防雷的等电位75LPZ 0ALPZ 2计算机机房计算机机房LPZ 0B外部防雷装置外部防雷装置在在 LPZ 0A, 0B 和和 LPZ 1界面上的等界面上的等电位连接排电位连接排1LPZ 1电缆电线电缆电线在在LPZ 1 和和 LPZ 2界面界面上的等电位连接排上的等电位连接排 2 两层屏蔽的等电位连接两层屏蔽的等电位连接屏蔽房间屏蔽房间 2屏蔽建筑物屏蔽建筑物 1接地装置系统接地

56、装置系统76在独立的雷击防护系统情况下的雷击防护区在独立的雷击防护系统情况下的雷击防护区建筑物建筑物建筑物屏蔽建筑物屏蔽LPZ 0BLPZ 0A接闪器接闪器引下线引下线原理原理例子例子LPZ 1接地系统接地系统LPZ 1接地系统接地系统LPZ 0B接闪器接闪器LPZ 0A77一个一个”避雷网避雷网“ 雷击防护系统情况下的雷击防护区雷击防护系统情况下的雷击防护区屏蔽建筑物屏蔽建筑物LPZ 0BLPZ 0ALPZ 1接地系统接地系统LPZ 0B引下线引下线原理原理接闪器接闪器 例子例子接地系统接地系统建筑物建筑物LPZ 1LPZ 0BLPZ 0ALPZ 0B接闪器接闪器78一个一个”建筑物本身建筑

57、物本身“ 雷击防护系统情况下的雷击防护区雷击防护系统情况下的雷击防护区屏蔽建筑物屏蔽建筑物LPZ 0A原理原理例子例子LPZ 1接地系统接地系统接地系统接地系统建筑物建筑物LPZ 1LPZ 0A引下线引下线LPZ 0BLPZ 0B接闪器接闪器79建筑物外部的电子设备系统的雷击防护区和在分区界面的连接建筑物外部的电子设备系统的雷击防护区和在分区界面的连接energie-屏蔽房间屏蔽房间MLPZ 1LPZ 1LPZ 1LPZ 1LPZ 0 LPZ 0 A ALPZ 0 LPZ 0 A ALPZ 3LPZ 3滚球半径滚球半径 20 mSEMPSEMPLEMPLEMPLEMPLEMPLEMPLEMPL

58、PZ 0 LPZ 0 B BLPZ 0 LPZ 0 B BLPZ 0 LPZ 0 B B LPZ 2LPZ 2LPZ 2LPZ 2通风装置通风装置电源系统电源系统信息，通信网络信息，通信网络终端设备终端设备 I 类类 SPD(避雷器避雷器) II 和和 III类类SPD (浪涌保护器浪涌保护器)804.3 4.3 雷电防护等级（雷电防护等级（LPLLPL） 目的目的: :雷电防护措施的分级即雷电防护等级（雷电防护措施的分级即雷电防护等级（LPLLPL），），它是用相它是用相关雷击电流参数去设计防护措施的关雷击电流参数去设计防护措施的，其目的系防护措施的设置应按，其目的系防护措施的设置应按雷电防

59、护等级而有合理的差异。雷电防护等级而有合理的差异。 控制系统所在建筑物控制系统所在建筑物直接雷击防护措施直接雷击防护措施( (雷击防护系统雷击防护系统) ) 可按可按建筑物防雷设计规范（建筑物防雷设计规范（GB 50057-94GB 50057-94）分为一类、二类、三类。分为一类、二类、三类。 控制系统雷电电磁脉冲防护措施控制系统雷电电磁脉冲防护措施按按建筑物电子信息系统防雷建筑物电子信息系统防雷技术规范（技术规范（GB 50343-2004GB 50343-2004）可分为可分为A A、B B、C C、D D四级。四级。 ( (详见详见 雷害的风险评估雷害的风险评估)81保护等级保护等级 峰值电流（峰值电流（ kA）A(I)200B(II)150C-D(III IV)100引自引自: IEC 61024-1-1itS88e10/350 s波形波形雷击电流参数雷击电流参数82谢谢大家83