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1、高速公路防雷知识简介高速公路防雷知识简介福州监控中心王文熙第一节、雷电常识 雷电的产生积雨云形成过程中，在大气电场以及温差起电效应、破碎起电效应的同时作用下，正负电荷分别在云的不同部位积聚。当电荷积聚到一定程度，就会在云与云之间或云与地之间发生放电，也就是人们常所说的“闪电”。雷电的强度统计参数：雷电的强度统计参数：闪电的平均电流：30,000A（目前记录的最大值：300,000A）闪电中心的空气温度：摄氏3000度90%以上的闪电是云层对云层放电过程云层对地面的闪电次数：每秒种100次（全球范围）闪电的强度可达 1000000000 伏 一个中等强度雷暴的功率有 10000000 瓦（相当于
2、一个小型核电站的输出功率）每年因雷击造成的直接损失超过10亿美元（全球不含中国的统计）雷电的危害 雷电的危害按物理破坏形式可为分热热、声、声、力、力、电电四种1、雷电流热效应危害（直接雷）、雷电流热效应危害（直接雷）2 2、雷电空气冲击波的危害（直接雷）、雷电空气冲击波的危害（直接雷）3 3、雷电流电磁力效应危害（感应雷）、雷电流电磁力效应危害（感应雷）4 4、雷雷电电的的静静电电感感应应和和电电磁磁感感应应的的危危害害（感感应应雷）雷）1、雷电流热效应危害、雷电流热效应危害被雷击的物体瞬间因通过巨大的电流而产生的大量热量烧毁物体破坏作用，其温度可达6000至9000，甚至更高。因此在雷电通道
3、上遇到的易燃物质，可能引发火灾。根据焦耳定律。一次闪击的热量（Q）：Q=RI2dt 式中：Q-发热量，焦耳I-雷电流，安培R-雷电流通道的电阻，欧姆t-雷电流持续的时间，秒2 2、雷电空气冲击波的危害、雷电空气冲击波的危害 由于雷电通道的温度很高，空气受热急剧膨胀，并以超声速度向周扩散，其外围附近的冷空气被强烈压缩后产生“激波”，被压缩空气层的外界称为“激波前沿”。这种“激波”在空气中传播会使其附近的建筑物、人、畜受到破坏和伤亡。3 3、雷电流电磁力效应危害、雷电流电磁力效应危害 电流在导线中流过其周围产生电磁场，反之在磁场里的载流导体将受到电磁力的作用。因此，当两根导线上同时有很大电流流过时
4、，由于电磁力的作用有可能使导线折断。同样，一根弯曲的导线或金属构件其拐弯部分在有强电流通过时也将受到电动力作用，电流越大电动力越大，弯曲夹角越小电动力越大。4 4、雷雷电电的的静静电电感感应应和和电电磁磁感感应应的危害的危害 由雷电引起的静电感应和电磁感应统称为感应雷，也叫二次雷。感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的，感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体，一是静电感应，二是电磁感应。a、静电感应 当雷云中的电荷积聚时，附近的导体也会感应上相反的电荷，当雷击放电时，雷云中的电荷迅速释放，而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道，就会在电路中形成电脉冲。b、电磁感
5、应 由于雷电流有巨大的能量，在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，在其附近的导体中产生很高的感生电动势。雷电感应危害雷电感应危害大规模集成电路芯片的工作电压大都在1.8V至5V之间，耐过电压，过电流能力极低，属于敏感的设备，这些设备装在建筑物内，建筑物由避雷针保护，在避雷针保护范围内的设备理应不能遭受雷击，但计算机信息系统设备常受到浪涌、瞬变过电压、过电流的伤害，造成系统不能正常运行，使企业遭受损失。该系统尚有两条通路常被人们忽视，没有做雷电防护，即系统使用电电源源是外接电力公司供电线路，系统数据传输是通过信信号号线与外界连接，这两条雷电过电压侵入通路，没有做防护，这两条
6、通路主要是受静电感应雷和电磁感应雷的影响，其过电压、过电流的危害最大，其次是受电力线路操作过电压，事故障碍过电压，及信号线在外界与其他高压线路之间的偶合造成的外因所致，上述概率很大。第二节、防雷几个基本概念几个基本概念 1、接闪器与引下线2、地、接地（地、体、线、网）3、过电压、过电流及保护4、屏蔽5、等电位连接6、雷电保护区1、接闪器与引下线利用避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地，防止雷电直接击在建筑物和设备上，是一种保护建筑物的手段。接闪器的保护范围：（滚球法理论）半径为R的球与接闪器和地面相切绕接闪器滚动一周所形成的阴影区域。引下线最好采用多根分流，均匀对称的布置在建
7、筑物周围可相互抵消内部电磁场，利用建筑物的钢筋框架这个很好的屏蔽笼接闪引下雷电流。2、地、接地地：一种有意或偶然的导电连接，由于这种连接，可使电路或电气、电子设备接到大地或代表大地的，相对来说较大的导体。这样，电路或电气、电子设备有等于或近似于大地的电位，同时引导接地电流流入或流出大地。接地：用导线或长导体将不带电金属和电气设备某部分与接地体在电气上连接为一体。接地电阻接地体和具有零电阻的远方接地体之间的欧姆电阻。对地网的布置形式要求较高，对阻值要求相对放松，地网形状为了等电位的需要。阻值大小直接反应该接地体对雷电能量的吸收能力。通常分小于1欧、4欧、10欧三档要求。接地汇集线电子设备房间和配
8、电室内用以完成等电位连接的金属带，也称公共接地母线。可以敷成环形或条形，所有接地线均由接地汇集线上引出。3、过电压、过电流及保护外部侵入的超过设备额定值范围的会导致设备损坏的非正常电压和电流。也叫浪涌或突波，顾名思义超出正常工作电压的瞬间过电压。对雷电产生的过电压或过电流进行限定电压和电流值进行限制来保护电子线路和设备的器件称防雷器或浪涌抑制器。浪涌分为四个组成部分浪涌分为四个组成部分：8/20uS 标称放电电流标称放电电流 In 10/350uS 最大冲击电流最大冲击电流 Iimp（直击雷波形）4、屏蔽是一种用良好导电壳体来防止外来电磁波（含电磁波和静电感应）干扰的方法。机房系统所有的金属导
9、线，包括电力电缆、通信电缆和控制信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽；利用建筑物钢筋网和其它金属材料，机房形成一个屏蔽笼。屏蔽物必须要有良好的接地，否则，等于没有屏蔽效果。5、等电位连接将机房内所有不应带电的金属物体，包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳等金属构件进行电气连接，以均衡电位。非等电位的金属导体采用各类防雷器（SPD）的实现瞬态等电位连接。利用其非线性效应，将线路上过高的脉冲电压滤除，保护设备不被过电压破坏。6、雷电保护分区引入雷电保护分区的概念使得各区域内分界处的雷电冲击依次减小。由于防雷器件的性能差别，客观上要求进行多层多级的进行雷电能量的逐级释放。雷电是由外入内的过程入浸
10、建筑物和电子设备的，因此，客观上要求进行由外到内的分层保护。分区定义区间描述0A区直接雷非防护区直接雷可能发生的地方，磁场能自由传播，而没有任何保护。0B区直接雷防护区有保护，虽然没有直接雷的危险，但磁场能自由传播。1区第1防护区磁场冲击波受到一层屏蔽所减弱，而导体由0区延伸到1区的冲击电压受到0区到1区之间的一级防雷器所减弱。2区后续防护区磁场冲击波受到一层屏蔽所减弱，而导体由1区延伸到2区受到1区到2区之间的二级防雷器所减弱。分区防雷图LPZ1LPZ2LPZ0BLPZ0A接地系统建筑物的防雷分类第一类防雷建筑物易引爆的爆炸场合 0区 10区建筑物 易引爆的1区建筑物第二类防雷建筑物国家级
11、不易引爆的爆炸场合 1区不易引爆/2区或11区 露天钢质气罐 大于0.06次/a的省级/或人员密集的公共建筑 大于0.3次/a的住宅办公楼等民用建筑第三类防雷建筑物省级重点 省级0.012-0.06次/a 民用0.3次/a 工业0.06次/a 21、22、23区 Td15 高于15米的高耸建筑物或Td 线路入口线路入口分配端分配端设备端设备端 CLASS-I CLASS-II CLASS-III国际标准国际标准 10/350 s8/208/20-1,2/50 Iimp=20 kA maxIn=20 kA maxIsc=10 kA max法国标准法国标准 In 20 kAIn 5 kA德国标准德
12、国标准 10/350 sIn=5 kAIn=1.5 kA 0.5-50 kA美国标准美国标准 10 kA3 kA500 A英国标准英国标准 10 kA3 kA500 AYD5098信息产业部标准条件入口处 B级保护配电屏 C级保护城市-中雷区(或少雷区)标称20kA 8/20uS标称15kA的限压型SPD城 市-多 雷 区、强雷区标称40kA 8/20uS标称15kA的限压型SPD郊区或山区-中雷区15KA 10/350uS 或标称60kA 8/20uS标称15kA的限压型SPD高山-多雷区25KA 10/350uS 或标称100kA 8/20uS标称15kA的限压型SPDYD-5098信号线
13、用 SPD 的箝位电压应满足通信设备接口的需要，对雷电响应时间应在纳秒（ns）级。信号线用 SPD 应满足信号传输速率及带宽的需要，其接口应与被保护设备兼容。信号线用 SPD 的插入损耗应满足通信系统的要求。信号线用 SPD 的标称放电电流应大于等于 3kA。防雷元件介绍防雷元件介绍1、间隙火花放电器2、MOV压敏电阻器（氧化锌)3、TVS瞬间电压抑制器SPD的几种原理SPD的几种原理防雷保护的主要原则防雷保护的主要原则防雷器安装位置于被保护设备越近越好防雷器安装位置于被保护设备越近越好等电位连接等电位连接所有外接线路需进行防雷保护所有外接线路需进行防雷保护分级泄放，多级保护分级泄放，多级保护
14、电源三级保护第一级 进线端第二级 分配端第三级 设备端低压配电系统的电涌保护分级泄放设备的耐压 和 分级泄放第四节、防雷设备选型原则1、电源防雷器 主要是防护户外电力线路侵入的雷害，通常采取三级保护措施。第一级通过间隙火花放电器。（电子点火）第二级过电压保护器，吸收第1级保护后的残压第三级过电压保护器，吸收第2级保护后的残压注意：各级之间的线长要求大于5米以上。11不同电网制式下的保护方式接零系统（TN系统）接地系统（TT系统）不接地系统（IT系统）vN表示中线，PE表示地线，不同接地系统需要使用相应的电源防雷器。目前，我们常用的是TN-S供电系统。12通流量的选择第一级防雷器50KA60KA
15、（10/350us）第二级防雷器15KA40KA（8/20us）第三级防雷器5KA10KA13最高持续工作电压的选择TT系统中，Uc不应小于1 55Uo。TN系统中，Uc不应小于1 15Uo。IT系统中，Uc不应小于1 55Uo。其中Uo为低压系统相对中性线的电压，在220/400V三相系统中，Uo=230V。通常选260V和440V。14防雷器残压的选择 一般在以20KA（8/20us）测试电流下记录残压。按照经验残压在2KV以下（20KA 8/20us），就能够对用户的设备提供足够的记录。15在TT系统中3+1模式 实际上要求零线对PE地也要求按装过电压保护器。设备端混合波形SPD保护标称
16、通流容量 10KA限制电压低共模保护（横向）信号系统的特点雷电流分配相对较小 5KA感应雷击影响大 2.4gs工作电压低 最低3-5V集成电路反应速度快 10-8S级工作频率高 从xK-xG对损耗干扰要求高 插入损耗/串绕信号系统的保护信号系统的分级和SPD要求雷电流通流能力限制电压低反应速度快插入损耗小2、信号防雷器21防雷器电压等级的选择22防雷器速率匹配的选择23防雷器接口类型的选择信号防雷器选择表信号防雷器选择表类型额定工作电压速率最高工作电压接口类型2M数字中继5V2M6。5VKOAXB-E2ISDN40V2M80VRJ45S-ISDN模拟电话110V64K180VRJ45-TEL100M以太网5V100M6。5VRJ45-E100RS23212V18VDB9/DB25RS485/4225V2M6VASP-V11视频线66。5VKOAXB-E2现场控制线24V27VFLD/FRD通信线路的保护5KA 8/20us低限制电压高反应速度前后级连动以太网络的保护5KA 8/20us低限制电压高反应速度前后级连动