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防雷工程中如何有效防范感应雷

  直击雷的危害,比较容易理解,其防范措施也相对简单明了——避雷针、引下线、接地装置(当然,这里面也有很多的细节和要求,也是需要专业人员来从事的,在此就不展开了),所以对直击雷的防范是比较普及的。

  而感应雷的危害,则比较抽象,不是那么容易理解。所以要做好感应雷的防护,我们需要了解感应雷的危害途径/方式。感应雷破坏本质是感应过电压,通常我们称之为电涌。

  首先,电涌可以通过导体直接传播,这个比较好理解,就不解释了。其次,电涌可以通过多种耦合途径产生,不依赖导线的传播,常见的耦合途径有以下几种。

  NO.1:电阻耦合(地反击)

  如上图,两个建筑A、B相隔一定的距离,之间有服务设施(电源、信号、网络等线路)连接,而A、B各自独立接地。当A建筑物上的避雷针接闪后,雷电流经引下线流入A处的接地装置,由于接地电阻的存在,A的地电位会大幅抬升。

  假如雷电流20kA,接地电阻1Ω,那么A处的地电位瞬间将达到20kV,而此时远端B处的地电位为0(通常认为20m以外的地电位为0,但实际情况和土壤电阻率以及雷电流大小有关)。这时A、B之间的瞬时地电位差达到20kV。而A、B之间有服务设施的连接,如此高的电位差就可能造成绝缘击穿、设备损坏。

  针对这种情况,可采取的防范措施:

  1、进行等电位连接。建筑物A、B原来是各自独立接地的,进行等电位连接后,A、B的地电位同时抬升,两者之间的地电位差将大幅减小。

  2、对A、B之间的服务设施进行隔离。不过这个办法一般不适用,因为隔离设备的隔离电压存在上限,对于雷电流引起的高达数十千V的电压,隔离设备很难达到这样的水平。

  3、安装电涌保护器(SPD)。关于SPD的原理和应用,后续将进行介绍。

  NO.2:电感耦合(电磁耦合)

  电感性耦合又称电磁耦合或电磁感应,它是由于磁场的作用而产生的,产生这种耦合的原因是电路间存在着互感。

  雷电流峰值通常为几十kA,而其达到峰值的时间为μs(10-6s)级,也就是说雷电流的变化率di/dt达到了109数量级。引下线由于自感的存在,会感应出强大的电磁脉冲,以反抗电流的快速变化。电磁脉冲不依赖导线就可以在空间进行传播,当电磁脉冲通过各种电源、信号回路时,又会感应出电涌。

  针对电感耦合,可采取的防范措施:

  1、合理布线。

  感应电势的大小取决于磁通量的变化率E=dФ/dt。而磁通量Ф = B*S*sinθ,B为磁场强度,S为环路面积,θ为磁场与环路平面夹角。所以我们可以通过相应的办法来降低磁通量(变化率):

  a) 远离干扰源(减小B),

  b) 减小环路面积(减小S),

  c) 避免平行布线(减小θ)。平行布线时,磁场方向与环路是垂直的,θ=90°2、采用(屏蔽)双绞线。

  双绞线可以有效降低电感耦合影响,这是因为导线经过双绞之后,任一绞距所形成的环路的磁通方向与相邻的环路磁通方向相反,磁通量互相抵消,所以可以认为双绞线等效环路面积S接近于0。

  3、合理安装SPD。

  NO.3:电容耦合

  电容性耦合又称静电耦合或静电感应,它是由电路间电场的相互作用而产生的,产生这种耦合的原因是电路间存在着分布电容,如天空中的云朵对对地面(或地面上的物体)、高压线与地面、导线之间等。

  针对电容耦合,可采取相应改善措施:

  合理布线:避免平行布线;远离干扰源。

  我们知道,两个平板,隔开一定的距离,就构成了一个电容。为了减小电容耦合,我们需要减小信号回路和干扰源之间的分布电容C。电容大小与电极板正对面积S成正比,与极板之间的距离d成反比。为了减小C,可以减小极板正对面积S(改为垂直布线),并增大极板间的距离d(信号线路远离干扰源)。

  采用屏蔽线

  采用屏蔽线后,感应的静电荷都处在屏蔽层,将屏蔽层接地后(对于电容耦合,一般采用单端接地),其电位相当于0,不会对屏蔽层内的线路造成干扰。

  合理安装