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1 雷电的形成
雷电是一种大气中放电现象，产生于积雨中，积雨云在形成过程中，某些云团带正电荷，某些云团带负电荷。它们对大地的静电感应，使地面或建（构）筑物表面产生异性电荷，当电荷积聚到一定程度时，不同电荷云团之间，或云与大地之间的电场强度可以击穿空气（一般为25-30KV/cm），开始游离放电，我们称之为"先导放电"。云对地的先导放电是云向地面跳跃式逐渐发展的，当到达地面时（地面上的建筑物，架空输电线等），便会产生由地面向云团的逆导主放电。在主放电阶段里，由于异性电荷的剧烈中和，会出现很大的雷电流（一般为几十千安至几百千安），并随之发生强烈的闪电和巨响，这就形成雷电。 2, 电源防雷技术概述 雷电对于各种建筑物和设备的危害性是不言而喻的。国外一些厂家如英国FURSE公司等，致力于研究开发防止雷击破坏手段，已有上百年的历史。在国内，一直以来对直击雷的发生采取了许多有效的防护措施，但对感应雷的破坏性，在近期才开始引起重视。事实上，感应雷的破坏同样造成每年各系统为数不小的损失。目前气象系统信息多通过计算机网络传送，一旦产生感应雷破坏，后果十分严重。 国外通行的概念，将雷击分为两种——直击雷和感应雷。感应雷指雷击引致设备电源线上的感应电流而产生的瞬间过电压，即在微秒至毫秒之内所产生的尖峰冲击电压(有别于一般电源过压，因此种过压可能维持数秒或以上)。 根据多种世界认可研究标准，一般电源线上的感应电流在3000安培左右，绝不超过10000安培，电压则不超过6000伏。在数据／讯号线及电话线上，感应电压一般在5000伏左右，感应电流则大约为数百安培(据CCITT测试)。 一、瞬间过电压的成因和后果瞬间过电压的成因有两种：雷击和电器开关动作。 一般建筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损毁，但雷电会通过以下形式和途径破坏电子设备： (1)雷电直击到电源输入线，继而进入和损坏设备。虽然电力传输线上都安装了各种保护间隙和电力避雷器如隔离变压器，但这只可使雷电冲击波经过输电线路侵入时，将线对地的电压限制到小于6000伏(IEEEC62.41)，而线对线则无法控制。 (2)以感应方式如：电阻性电感性或电容性耦合到电源、讯号及电话线上，最终危害设备。电器开关动作众所周知当电流在导体上流动时会产生磁场，把能量储存。电流越大及导线越长则储能越多。所以当大负载(特别是电感性负载如变压器)电器设备开关时，便产生瞬间过电压。瞬间过电压所造成的破坏性后果体现于以下四点： (1)传输或储存 的讯号或数据，不论是数位或模拟，受到干扰或丢失，甚至可使电子设备产生错误动作或暂时瘫痪。 (2)由 于重复受到较少幅度的瞬间过电压影响，元器件虽不致马上烧毁，但性能和寿命已严重降低。 (3)若情况严重，电子设备的线路板及元件便烧毁。 (4)整个系统停顿造成大量间接损失，如银行电脑服务停顿、移动电话通讯中止等，远远超过设备本身受损的直接金钱损失。 高集成半导体元器件的急速发展使电子设备的体积趋于细小，但另一方面却使其更易受到瞬间过电压的破坏。虽然暂时没有一套通用的标准可指出电子设备可承受多大的瞬间过电压，但根据IEEE组织指出，一般元器件可经受两倍于其额定电压以上。因此一般单相设备在230V士10％便能经受2×(230V×2×1.1)＝700V左右的峰值过电压。 二、防雷器的使用和选择 要发挥最有效及最完整的避雷功能，使电子设备免受因感应雷或开关动作而产生的瞬间过电压所破坏，必须考虑各类传输线，包括：电源进出入线、数据、讯号及电话线，此外如有程控交换机也要装上适当的防雷器。 要发挥良好的避雷功能，一个防雷器必须具备以下各点： (一)相容性一个理想的防雷器应不会对其所保护的设备或线路造成任何干扰及中断现象。 厂家必须提供以下技术规格以确保防雷器完全不会干扰被保护设备的性能： (二)能承受高电流虽然雷电电流可高达20万安培，但一般二次感应电流不会超过10000安培，因此防雷器必须能承受最少10000安培的瞬间电流通过。 (三)低“通过”电压防雷器必须能把瞬间尖峰电压降至一般电子设备所能承受的范围，即低于二倍于设备的尖峰电压(700V)。 (四)全面保护电源防雷器必须能提供以下每一种的保护作用：相对地、中对地及相对中。 (五)操作状态显示无论是在正常工作状态、功能减退状态或发生故障时，都应能在面板上清楚显示出来。 (六)遥测功能当防雷器发生故障时能透过遥测干触点把故障状态通知远端的监察中心。 (七)反复使用及长寿命在正常使用情况下可经受多次雷击后仍能反复使用，而且其自身工作寿命必须长达20年以上。 以上为英国FURSE公司积累上百年经验总结出的有关防雷技术的基础理论。而国内外生产开发防雷产品的厂家有近40多家，但多为“消雷器”，且因其设计思路简单和追求造价低廉，并未真正发挥有效作用。如何使我国防雷工作提高层次，与国际研究水平和世界公认标准同步，是需要各部门共同努力的方向。
另外目前我国大部分地区已渐近雷雨季节，如何使防雷器在实际工作中发挥作用，减少雷害造成的经济损失，是摆在气象部门及其他各单位面前刻不容缓的课题。 3 雷电小常识 雷电对人类的贡献 夏季里，雷电是一种常见的自然现象，强烈的雷电常给人类带来灾害，但您是否知道雷电对人类的贡献呢？世界上每秒钟大约会发生上百次闪电，在雷电发生的一瞬间，除了产生极强的电流和高温外，还会产生大量的臭氧，大气中的臭氧层是地球上一切生物的保护伞，能使地球表面的生物免遭紫外线的危害。雷电也是一种巨大的声波，可使空气中的细菌和微生物丧生。所以雷雨后的空气特别洁净而清新。雷电又是一种高效的天然肥料，雷电发生时，空气中的氮和氧会经电离和化合而形成易被植物吸收的氮肥。 雷电中如何保护自己(1) 进入夏季，不时有人受雷击伤害，据统计，全世界每年有数千人在雷电中丧生，那么人们在遇到雷电时应该如何保护自己呢？一般来说，在有雷电时，呆在室内是比较安全的，因此在遇到强雷雨时，人们应该尽快到室内避雷，迅速关好门窗，并远离门窗及电器设备。如果您在室外，突遇强雷雨时，不要与许多人拥挤在一起，不要靠近电线、高塔、大树、水池、铁路，不要骑自行车，并尽快去掉身上所有的金属等导电物体，选择最低处蹲下，这样，就相对比较安全了。 雷电中如何保护自己(2) 在下大雷雨的时候，如果您的个子较高，最好蹲下或伏在地上，千万不要在孤立的大树下躲雨，也不要穿着湿衣服靠近高墙，不要骑摩托车，也不要在铁轨或旷野的高坡上行走，如果没有十分紧急的情况，最好不要在大雷雨时使用电话。万一被雷击伤，要赶快实施人工呼吸，并请医生救治。 您知道如何防御雷害吗(1)？ 防雷专家指出，当雷暴发生时您若在户外，应注意以下几点：①不宜停留在山顶、山脊或建（构）筑物顶部。②不宜停留在小型无防雷设施的建筑物、车库、车棚附近。③不宜停留在铁栅栏、金属晒衣绳、架空金属体以及铁路轨道附近。④不宜停留在游泳池、湖泊、海滨或孤立的树下。⑤应迅速躲入有防雷保护的建（构）筑物内，或有金属顶的各种车辆及有金属壳体的船舶内。⑥不具备上述条件时，应立即双膝下蹲，向前弯曲，双手抱膝。 4 您知道如何防御雷害吗(2)？ 若雷暴发生时您正在有防雷设施的建筑物附近，也应注意以下几点：①不宜在建筑物朝天平面（天面）上活动。因为当朝天平面发生直接雷击时，强大的雷电流可导致人员伤亡。②不宜使用淋浴器。因为水管与防雷接地相连，雷电流可通过水流传导而致人伤亡。③紧闭门窗，防止侧击雷和球雷侵入。 您知道如何防御雷害吗(3)？ 新建建（构）筑物的接闪器、引下线、接地体的设计应符合国家标准及相关行业标准。新建建（构）筑物的防雷图纸必须经防雷管理部门审核，竣工后防雷部分应通过防雷部门验收。根据市建管局、市气象局有关文件，合肥市新建建（构）筑物的防雷图纸及设施应由省防雷中心统一审核和验收，以加强建筑物的防雷市场管理，减少雷电事故给国家和人民生命财产造成损失。 您知道如何防御雷害吗(4)？ 安装在建筑物天面上的各类天线及金属支架、金属物体，必须与天面避雷带可靠连接，且不应少于两处。家庭使用彩电、音响、影碟机等弱电设备不宜靠近外墙，雷电发生时不宜使用。建筑物内部电器、计算机、通信等设备所需的交流地、保护地、直流地、防雷地等应共用一组接地装置，其接地电阻按其中最小值确定；单独设置接地装置时，其余三种接地应共用一组接地装置。有特殊要求需要单独设置接地装置的电子计算机系统，接地电阻值应符合系统本身要求，接地体与其它接地装置之间距离不小于２０米。 闪电和雷声 大家知道光的传播速度相当快,每秒钟达30万公里,而声音传播的速度比光慢得多,每秒钟只有340米,因此在有雷电时,人们总是先看到闪电而后听到雷声。如果雷电现象发生地离观测者太远,一般为60公里以外,那么观测者就只能见到闪电而听不到雷声。由于声音的传播速度比较慢,因此,用秒表(或心算可测出闪电与雷声之间的间隔时间,再乘以声音传播的速度(340米/秒),即可算出雷电发生地与观测者的距离。例如,一观测者看到闪电后5秒钟听到雷声,则雷暴距观测者的距离为340×5=1700(米)。 雷雨疗法 根据研究人员测算,雷雨过后每立方厘米空气中的负氧离子数目可达一万多个(而晴天的闹市区只有几十个)。实践表明,被称作"空气的维生素"的负氧离子,对人体健康非常有利。所以医学家模拟雷雨的神奇作用,把负离子引进了病房。结果发现,当室内空气中的负氧离子与正离子的比例控制在9:1的时候,对气喘、烧伤、溃疡以及其他外伤的治疗有促进作用;同时,对过敏性鼻炎、萎缩性胃炎、神经性皮炎、关节痛等病症也有积极的治疗作用。 5 防雷器的主要技术参数 1．标称电压Un 与被保护系统的额定电压相符，在信息技术系统中此参数表明了应该选用的保护器的类型，它标出交流或 直流电压的有效值。 2．额定电压Uc 能长久施加在保护器的指定端，而不引起保护器特性变化和激活保护元件的最大电压有效值。 3．额定放电电流Isn 给保护器施加波形为8/20μs的标准雷电波冲击10次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。 4．最大放电电流Imax 给保护器施加波形为8/20μs的标准雷电波冲击1次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。 5．电压保护级别Up 保护器在下列测试中的最大值：1KV/μs斜率的跳火电压；额定放电电流的残压。 6．响应时间tA 主要反应在保护器里的特殊保护元件的动作灵敏度、击穿时间，在一定时间内变化取决于du/dt或di/dt的斜率。 7．数据传输速率Vs 表示在一秒内传输多少比特值，单位：bps；是数据传输系统中正确选用防雷器的参考值，防雷保护器的数据传输速率取决于系统的传输方式。 8．插入损耗Ae 在给定频率下保护器插入前和插入后的电压比率。 9．回波损耗Ar 表示前沿波在保护设备（反射点）被反射的比例，是直接衡量保护设备同系统阻抗是否兼容的参数 5 专家回答防雷知识二十问 （一）雷电是怎样形成的？ 答：雷电是一种大气中放电现象，产生于积雨中，积雨云在形成过程中，某些云团带正电荷，某些云团带负电荷。它们对大地的静电感应，使地面或建（构）筑物表面产生异性电荷，当电荷积聚到一定程度时，不同电荷云团之间，或云与大地之间的电场强度可以击穿空气（一般为25-30KV/cm），开始游离放电，我们称之为"先导放电"。云对地的先导放电是云向地面跳跃式逐渐发展的，当到达地面时（地面上的建筑物，架空输电线等），便会产生由地面向云团的逆导主放电。在主放电阶段里，由于异性电荷的剧烈中和，会出现很大的雷电流（一般为几十千安至几百千安），并随之发生强烈的闪电和巨响，这就形成雷电。 （二）什么叫跨步电压？ 答：跨步电压是雷电击中地面物，雷电流泄入大地并在土壤中散流开，由于土壤电阻率有一定分布，雷电流在地面上各点间就出现电位降，靠近雷击点，电流密度越大，电位降也就越大。如果人站在或行走在落雷点附近，在两脚间的电位降可使雷电流通过两脚和躯干的下部，人就会被击伤。这两脚间的电位降叫"跨步电压"。 （三）在一类防雷中为什么在安装的独立避雷针（包括其防雷接地装置）至少距被保护的建筑物之间距离≥3米。 答：为了防止独立针遭直击雷击时对被保护物的反击。 （四）什么叫均压环？在建筑防雷设计时，对均压环的设计有什么要求？ 答：均压环是高层建筑物为防侧击雷而设计的环绕建筑物周边的水平避雷带。在建筑设计中当高度超过滚球半径时（一类30米，二类45米，三类60米），每隔6米设一均压环。在设计上均压环可利用圈梁内两条主筋焊接成闭合圈，此闭合圈必须与所有的引下线连接。要求每隔6米设一均压环，其目的是便于将6米高度内上下两层的金属门、窗与均压环连接。 （五）在各类防雷中对引下线和天面网格有什么要求？ 答：引下线和天面网格通常用镀锌圆钢不小于φ8。 一、二、三类对应引下线间距不大于12米、18米、25米；一、二、三类对应的天面网格5*5平方米（4*6平方米）、10*10平方米（8*12平方米）、20*20平方米（16*24平方米）。 （六）在高土壤电阻率地区，降低防直击雷接地装置的接地电阻 宜采用什么方法？ 答：规范P26第4.3.4条，在高土壤电阻率地区，降低接地电阻可采取下列方法之一： （1）采用多支线外引接地装置，外引长度不大于有效长度，即le=2 ρ。 （2）接地体埋于较深的低电阻率土壤中。 （3）采用降阻剂。 （4）换土。 （七）什么叫雷电的反击现象？如何消除反击现象？ 答：雷电的反击现象通常指遭受直击雷的金属体（包括接闪器、接地引下线和接地体），在接闪瞬间与大地间存在着很高的电压，这电压对与大地连接的其他金属物品发生放电（又叫闪络）的现象叫反击。此外，当雷击到树上时，树木上的高电压与它附近的房屋、金属物品之间也会发生反击。要消除反击现象，通常采取两种措施：一是作等电位连接，用金属导体将两个金属导体连接起来，使其接闪时电位相等；二是两者之间保持一定的距离。 （八）金属油罐在防直击雷方面有什么要求？ 答：金属油罐在防直击雷方面的要求： （1）贮存易燃、可燃物品的油罐，其金属壁厚度小于4毫米时，应设防直击雷设施（如安装避雷针）； （2）贮存易燃、可燃物品的油罐，其金属壁厚度≥4毫米时，可不装防直击雷设施，但在多雷区也可考虑装设防直击雷设施。 （3）固定顶金属油罐的呼吸阀、安全阀必须装设阻火器。 （4）所有金属油罐必须作环型防雷接地，接地点不小于两处，其间弧形距离不大于30米，接地体距罐壁的距离应大于3米。 （5）罐体装有避雷针或罐体作接闪器时，接地冲击电阻不大于10欧。 （九）阴极保护装置通常采用什么材料？为什么？ 答：阴极保护装置通常采和镁合金或锌合金。因为镁合金或锌合金是比铁活跃的金属元素，当经过特殊加工的镁合金或锌合金块与被保护的金属（铁）储罐连接后，镁合金或锌合金的负离子，通过连接导体不断移向埋在地下的金属储罐，使金属储罐得到一定量镁合金或锌合金的负离子，成为阴极，而镁合金或锌合金不断失去负离子，显示阳极的特性。就是因为这些比较活跃的镁或锌的负离子，连续不断地移向金属储罐，从而补偿了储罐的腐蚀，而镁合金或锌合金经过多年使用后，使自己失去了防腐能力，牺牲了自己，所以这种装置又叫牺牲镁（锌）阳极，保护阴极（罐体）的一种装置。 （十）雷电防护措施包括哪些部分？ 答：主要包括：直击雷防护、侧击雷防护、感应雷防护三大部分，并采用接闪、分流、屏蔽、均压、等电位、接地等技术措施。 （十一）直击雷防护目的是什么？按现代防雷技术要求，直击雷防护采用哪些措施？ 答：直击雷防护是保护建筑物本身不受雷电损害，以及减弱雷击时巨大的雷电流沿着建筑物泄入大地时对建筑物内部空间产生的各种影响。直击雷防护主要采用独立针（矮小建（构）筑物）。建筑物防直击雷措施应采用避雷针、带、网、引下线、均压环、等电位、接地体。 （十二）么叫感应雷？感应雷防护的目的是什么？应采取哪些防护措施？ 答：感应雷的防护措施是对雷云发生自闪、云际闪、云地闪时，在进入建筑物的各类金属管、线上所产生雷电脉冲起限制作用，从而保护建筑物内人员及各种电气设备的安全。采取的措施应根据各种设备的具体情况，除要有良好的接地和布线系统，安全距离外，还要按供电线路，电源线、信号线、通信线、馈线的情况安装相应避雷器以及采取屏蔽措施。 （十三）接地的种类有哪些？ 答：接地的种类除防雷接地外，还有交流工作接地、保护接地、直流接地、过电压保护接地、防静电接地、屏蔽接地等等。 （十四）电子设备的接地方式及接地电阻要求如何？ 答：电子设备的接地方式有独立地和合设地。独立地的接地电阻值除另有规定外，一般不大于4欧，并采用一点接地方式。电子设备接地宜与防雷接地系统共设，但其接地电阻不宜大于1欧。若与防雷地分设，两接地系统的距离不宜小于20米。 （十五）何谓雷电电磁脉冲？ 答、作为干扰源的闪电电流和闪电电磁场。 （十六）在防雷区之间的交界处应如何做等电位处理？ 答：在防雷区LPZOA、LPZOB、LPZO1交界处的等电位连接，所有进入该建筑物的外来导电物都应做等电位连接。当外来导电物和电力线、通讯线在不同地点进入该建筑物时，则需要设若干等电位连接带，它们应就近接到环形接地体上，也应与钢筋和金属立面相连。如没有安装环形接地体，这些等电位连接带应连至各自的接地体，并用一内部的环形导体（或用一副环形导体）将其相互连接起来。对从地面以上进入的导电物，等电位连接带应连接到设于墙内侧或墙外的水平环形导体上，当有引下线和钢筋时，该水平环形导体要连到引下线和钢筋上。当外来导电物以从电力线、通讯线在地面进入建筑物时，建议在同一位置做等电位连接，这对几乎无屏蔽的建筑物是特别重要的。设在进入建筑物哪一点上的等电位连接带，应就近连到接地体，当有钢筋时连到钢筋上。 后续防雷区之间交界处的等电位连接，上述原则也适用于各后续防雷区交界处的等电位连接。进入防雷区交界处的所有导电物以及电力线、通讯线均在交界处做等电位连接。应采用一局部等电位连接带做等电位连接，各种屏蔽结构或其它局部金属物（如设备外壳）也连到该局部等电位连接带做等电位连接。 （十七）氧化锌避雷器的工作原理是什么？ 答：氧化锌ZnO避雷器是七十年代发展起来的一种新型避雷器，它主要由氧化锌压敏电阻构成。每一块压敏电阻从制成时就有它的一定开关电压（叫压敏电阻），在正常的工作电压下（即小于压敏电压）压敏电阻值很大，相当于绝缘状态，但在冲击电压作用下（大于压敏电压），压敏电阻呈低值被击穿，相当于短路状态。然而压敏电阻被击状态，是可以恢复的；当高于压敏电压的电压撤销后，它又恢复了高阻状态。因此，在电力线上如安装氧化锌避雷器后，当雷击时，雷电波的高电压使压敏电阻击穿，雷电流通过压敏电阻流入大地，使电源线上的电压控制在安全范围内，从而保护了电器设备的安全。 （十八）何谓防雷区？如何将需要保护的空间划分为不同的防雷区（LPZ）？ 各防雷区的特征是什么？ 答：防雷区（LPZ）是闪电电磁环境需要限定和控制的那些区。 根据各部分空间不同的雷电电磁脉冲的严重程度和各区交界处的等电位连接点的位置，将需保护的空间划分为不同的OA、OB、1、2防雷区。各防雷区的特征是： LPZOA区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击，因此各物体都可能导走全部雷电流。本区内的电磁场没有衰减。 LPZOB区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，但本区内电磁场没有衰减。 LPZO1区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流，比LPZOB区进一步减小，本区内的电磁场也可能衰减，这取决于屏蔽措施。 LPZO2区（后续防雷区）：在电缆从一个防雷区通到另一个防雷区处，必须在每一交界处进行等电位连接。 LPZO2是在这种方式下构成的，使雷电流不能导入此空间，也不能从此空间穿过。 （十九）避雷器的种类主要有哪些？ 答：避雷器的种类基本上分三大类型：一是电源避雷器（安装时主要是并联方式，也串联方式），按电压的不同，分22V的单相电源避雷器和380V的三相电源避雷器。二是信号型避雷器，多数用于计算机网络、通信系统上，安装的方式是串联。三是天馈线避雷器，它适用于有发射机天线系统和接收无线电信号设备系统，连接方式也是串联。 （二十）试述建筑物综合防雷的设计（应包括范围、目的、步骤）？ 答：现代建筑物的综合防雷包括了直击雷、侧击雷、感应雷防护三大部分。建筑物防雷设施三大部分是从其对雷电的不同危害形式的防护功能上来区分的。一套完善的防雷设施，为了实现其对不同雷害的防护目的，必须采取接闪、分流、屏蔽、均压、接地等技术措施。因此，建筑物防雷设施应包括接地体、引下线、避雷网格、避雷带、避雷针、均压环、等电位、避雷器等八个技术环节。从设计到施工应分为两个阶段进行，第一阶段是随建筑物一体化施工的直（侧）击雷防护设施，其设计的目的是保护建筑物本身不受雷电损害以及尽最大可能去减弱雷击时对建筑物内的电磁效应，同时为建筑物内部设备的感应雷防护提供必要的基础条件，它的特点是与建筑工程的土建部分同步进行。第二阶段设计的目的是保护建筑物内的弱电设备安全，如通信系统、计算机系统、家用电气等，即建筑物防雷设施的感应雷防护部分，它的特点是与建筑工程设备安装同步进行。在第二阶段中应特别强调的是在安装计算机、通信设备等抗干扰（或过电压）能力比较低的电子设备前，首先必须弄清设备安装所在建筑物的直击雷防护设施的基本情况，包括：接闪器、网格、防雷接地体的形式及工频电阻值、等电位连接、引下线分布、动力进线形式、高低压避雷器安装等情况；高层建筑还要了解均压环和玻璃幕墙接地的形式及过渡电阻值等基本设计参数，才能确定机房的位置，缆线的分布，接地系统的形式和限压分流等技术方案。否则，脱离实际的设计将带有很大的盲目性。 |
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