《仪表系统防雷技术》ppt课件

1、丁炎2021年10月 1、雷电方式、雷电方式 雷电是大气中的一种放电景象。雷电雷电是大气中的一种放电景象。雷电主要有两种方式：主要有两种方式： 不同带电云层间的放电作用；不同带电云层间的放电作用； 云层对地的放电作用。云层对地的放电作用。 易受雷击的建筑物和构筑物是： 原野孤立的或高于20m的建(构)筑物； 金属屋面、砖木构造的建(构)筑物； 河边、湖边、土山顶的建(构)筑物； 地下水露头处，特别潮湿处，地下有导电矿藏处或土壤电阻率较小处的建(构)筑物； 山谷风口处的建(构)筑物； 建筑物群中高于25m的建构筑物。通常雷击有以下几种主要方式： 直击雷：是指雷电直接击在建筑物构架或动植物上，常因

2、电效应、热效应和机械效应等而呵斥建筑物等损坏以及人员伤亡。 普通防直击雷的方法是经过由避雷安装(即接闪器，如针、带、网、线等)、引下线以及接地安装构成的完好的电气通路将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地安装的导通只能维护建筑物本身免受直击雷的损坏，雷电仍会经过多种方式及途径破坏建筑物内的电子设备。 感应雷：是指雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线或设备间衔接线上产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。 雷电波侵入：由于雷电流有极大的峰值和陡度，在雷电流周围会产生瞬变电磁场，处在该瞬变电磁场中的导领会感应出较高的电动势，而此瞬变电磁

3、场又会在一定的空间范围内产生电磁作用，也可以是脉冲电磁波辐射。而这种空间雷电电磁脉冲波(LEMP)将在三维空间范围内对一切电子设备发生作用。由于雷电流峰值大、陡度高(变化率快)，且其瞬变时间极短，因此在这种交变磁场中的导体感应出的电压很高，以致产生电火花。球形雷： 球形雷(即球状闪电)是一种橙色或红色的类似火焰的发光球体，偶尔也有黄色、蓝色或绿色的。球形雷多在强雷暴天气空中普通闪电最频繁的时候出现。球形雷通常沿程度方向以12ms的速度上下滚动，有时距地面0.51m，有时升起23m。它在空中漂游的时间可由几秒到几分钟。 图 1 仿真雷电流波形1、雷电放电的浪涌原因雷电放电的浪涌原因来源于大气的电

4、涌，根本上都是直接雷击和临近雷击及远处雷击呵斥的。 直接雷击：雷直击受维护的建筑物； 临近雷击：雷击在与被维护系统直接相连的延伸系统或管线管道、数据传输线或输电线 远处雷击：云间闪电在传输线上产生“反射浪涌行波，而周围区域的雷电那么会感应出过电压。 在远处雷击情况下，行波沿线路传播，或雷击在被维护系统的附近，从而产生影响被维护系统的电磁场。 图 2 雷电放电的浪涌原因图中： 直接近间隔雷击：击中外部防雷维护系统、消费用的构架工厂、电缆等。1a、冲击接地电阻Rst上的电压降1b、闭环(由供电和信息技术系统构成)上由雷电流最大上升速率(di/dt)max产生的感应电压。 远处雷击 2a、击中中压架

5、空线路 2b、传导的过电压，由于云闪或架空线附近的雷击呵斥的行波 2c、雷电通道产生的场电磁场2、雷电放电浪涌 在低压供电系统、丈量和控制系统、计算机网络，有许多要素引起过压浪涌。 直击雷 附近的雷击 远处的雷击 开关浪涌 直击雷 假设雷电直接对有外部防雷安装的建筑物或者直接打到建筑物顶部的可以经过某种途径传输雷电流入地的安装放电(如室外天线，卫星接纳安装等)，使得地电位抬升，一大部分雷电流经过维护接地线进入到建筑物的安装和衔接的设备。雷电也能够直接对电源线(低压架空线)或数据线放电，大部分高能雷电流被引入到建筑物里。 附近的雷击 即使建筑物本身没有遭到雷击，附近的雷电闪击也能够引起建筑物安装

6、上的过电压。这个浪涌过电压直接或经过电感性或电容性耦合到达电子安装、设备的线路上。 部分雷电流能够经过大地传送到接地的安装从而引起极大的危害，或者经过雷电放电通道分发出的磁场，在设备的线路上感应出过电压，建筑物内的长导线回路特别容易感应出过电压。容性耦合是经过具有高电位差的两点之间的电场产生的，例如在雷电放电通道和金属导线之间。 远处的雷击 就是几百米之外的雷电闪击，也能够在低压导线、数据线上感应过电压，也能够将高电压传导到建筑物的接地安装上，从而对电子设备呵斥极大的危害。甚至云层之间或云层内部的放电产生的电磁场也能耦合过电压到导线中。 开关浪涌 开关浪涌来自电路的闭合、断开的转换操作，来自感

7、性和容性负载的开关操作，也来自短路电流的阻断。特别是，大型用电系统或变压器的断开能够引起对临近的电子设备的损坏。开关浪涌产生的主要原因： (a)切除空载电力线路(或电容器)当开关翻开时，电源电压瞬时值的变化使得系统和被切除的线路之间出现高电位差。这种在数毫秒之内就建立起来的电位差能在开关的触头之间引起重燃，就像触头再次合上。线路电压随即和电源电压的瞬时值相等，开关触头之间的电弧熄灭。 该过程可反复出现多次。这种线路电压和一定的电源电压的瞬时值相等的过程所产生的操作过电压具有按几百千赫兹衰减振荡的特征。这种操作过电压的初始幅值与重燃时辰开关触头之间的电位差有关，该幅值可以是额定电源电压的数倍。

8、(b)切除空载变压器 假设在电网中切除空载变压器，那么磁场的能量被加载到其本身电容上。于是电感一电容电路就振荡起来，直至全部能量都经过电路中的电阻转换为热能，所引起的操作过电压的幅值可达额定电源电压的数倍。(c)不接地电网中的接地缺点 假设不接地电网的外部线路发生接地缺点，那么整个系统的对地电位将会因接地相的电压变化而改动。假设接地缺点电弧熄灭，其影响类似于切除空载线路或电容器：产生了操作过电压并伴随着衰减震荡。d) 除了上述特性的电网操作过电压以容性耦合的方式影响低电压系统之外，电流的快速变化也能经过感性耦合在低电压系统中产生电涌。这种电流的忽然变化能够是投切重负荷引起的，也能够是短路、接地

9、缺点或反复接地缺点引起的。1、现代防雷技术特点 现代防雷技术的实际根底在于：闪电是电流源，防雷的根本途径就是要提供一条雷电流(包括雷电电磁脉冲辐射)对地泄放的合理的阻抗途径，而不能让其随机地选择放电通道，简言之就是要控制雷电能量的泄放与转换。德国专家希曼斯基在中提出了现代防雷维护的三道防线： 外部维护：将绝大部分雷电流直接引入大地泄散； 内部维护：阻塞沿电源线或数据线、信号线侵入的雷电波危害设备； 过电压维护：限制被维护设备上的雷电过电压幅值。 这三道防线相互配合，各尽其职，缺一不可。希曼斯基在中提出雷电的防护可分为以下两个方面：即直击雷的防护和感应雷的防护。(1) 直击雷的防护 目前，防直击

10、雷都采用避雷针、避雷带、避雷线和避雷网作为接闪器，然后经过良好的接地安装迅速而平安地把雷电流传导入大地。(2) 感应雷的防护 感应雷的防护是从整体和系统建立起三维的防护体系，在被维护设备构成的系统中可采取以下措施： 1 电源防雷配电系统电源防雷应采用三级防护，避雷器采用的是B、C、D三级防雷的方式。 第一级(B级) 维护普通安装在建筑物输入电源总配电室内的进线配电柜上或楼内单元输入电源的主配电盘上，主要用于维护整幢建筑物用电设备或单位的主要用电设备。 第二级(C级)维护主要安装在设备配电柜上。 第三级(D级)维护主要安装在各个用电设备的电源端，用于维护最终的用电设备。 2信号系统防雷 与电源防

11、雷一样，信号系统的防雷主要采用信号避雷器防雷。 信号系统的防雷主要采用信号避雷器。 数据网络用避雷器，如:RS232/485接口避雷器、LAN网卡接口避雷器、 通讯网络设备主要为调制解调器、路由器和远程中断控制器等。通常根据通讯线路的类型、通讯频带以及线路电平等选择通讯避雷器，将通讯避雷器串联或并联在通讯线路上。 通讯网络用避雷器，如：线对避雷器、专线Modem 如：DDN专线Modem接口避雷器、EI接口避雷器(双绞线型、同轴电缆型和RJ45网线型、)等。3等电位衔接等电位衔接是将正常不带电(或不传输信息)的、未接地或未良好接地的设备金属外壳、电缆的金属外皮、建筑物的金属构架、金属管线的桥架

12、与接地系统进展电气衔接，防止这些物件上感应雷电高电压或接地安装上雷电入地高电位的传送对设备内部绝缘、电缆芯线呵斥还击。等电位衔接的目的是减小需求防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差，防止雷电还击。4 金属屏蔽及反复接地在做好以上措施的根底上，还应采用有效屏蔽、反复接地等方法，防止架空导线直接进入建筑物内配电系统和信号系统，尽能够采用埋地电缆引入方式，并用金属导管屏蔽。屏蔽金属管在进入建筑物或机房前反复接地，最大限制地衰减从各种线缆上引入的雷电高电压。 2、防雷分区 防雷区域划分根据IEC61312.1 ，防雷维护应根据雷电电磁脉冲的严重程度进展分区维护。 根据GB 50057-94和IE

13、C 61312.1等规范，从EMC(电磁兼容)的观念来看，一个欲维护的区域(建筑物)由外到内可分为以下几级维护区： LPZA区 本区内的各物体都能够遭到雷击和传导全部雷电流；本区内的电磁场强度没有衰减。 LPZB区 本区内的各物体不能够遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，但本区内的电磁场强度没有衰减。LPZ l区 本区内的各物体不能够遭到雷击，流经各导体的电流比LPZB区的更小；本区内的电磁场强度能够衰减，这取决于屏蔽措施。LPZn+l(n=1，2，3)后续防雷区当需求进一步减小流入的电流和电磁场强度时，应增设后续防雷区，并按照需求维护的对象所要求的环境区选择后续防雷区的要求条件。 3、

14、多层分级类维护 多层分级(类)维护原那么是指，根据电气、微电子设备的不同功能及不同受维护程序和所属维护层(区)，确定防护要点进展分类维护；根据雷电和雷电过电压危害的能够通道，从电源线到信号线或数据通讯线路都应进展多层分级维护。 (1) 外部无源维护 外部无源维护(O级维护区：LPZA区或LPZB区防护)多采用外部防雷安装，主要由避雷针(网、线、带)、引下线和接地安装(接地线、地极)等构成。其维护原理是：当雷云放电接近地面时，它使地面电场发生畸变。 在0级维护区内建筑物的一切外露金属构件(管道)都应与防雷网(带、线)进展可靠的电气衔接。(2) 内部防护 1电源部分防护 对引入建筑物的电力线路和建

15、筑物内的配电系统应进展过电压维护。按国家规范应分三部分进展： 应在电力变压器低压侧输出端至建筑物总配电盘间的电缆内芯线两端对地加避雷器，作为一级维护； 应在建筑物总配电盘至各分配电箱间的电缆内芯线两端对地加装避雷器，作为二级维护； 应在一切重要的、精细的设备以及UPS的前端对地加装避雷器，作为三级维护。2信号部分维护对于信息系统，应分为粗维护和精细维护两种。 粗维护 粗维护的量级根据所属维护区的级别确定。 如：电缆穿金属管、在桥架槽敷设、屏蔽电缆等。 精细维护 精细维护要根据电子设备的敏感度来进展确定。 应在一切信息系统进入建筑物的电缆内芯线端对地加装避雷器，电缆中的空线应接地并做好屏蔽接地，

16、其中应留意系统设备的在线电压、传输速率以及接口类型等，以确保系统正常任务。(3) 接地处置 在防雷系统的设计和建立中，一定要求有一个良好的接地系统，因一切防雷设备都需求经过接地系统把雷电流泄入大地，从而维护设备和人身平安。假设接地系统做得不好，不但会引起设备缺点、烧坏元器件，严重时还将危及任务人员的生命平安。而电子设备为抗干扰采用的屏蔽技术、防静电技术和滤波技术等都要求建立一个良好的接地系统。 普通整个建筑物的接地系统有： 建筑物地网； 电源地(要求地阻小于4)； 逻辑地(也称信号地或称任务地)； 防雷地等。防雷产品种类繁多，大致可分为以下三大类： 接闪器 消雷器 防雷器I接闪器 为免遭直击雷

17、破坏，建筑物普通都设有独立避雷针、构架避雷针或避雷线进展维护。其构造均分为接闪器、引下线和接地体三部分，其防雷机理一样。为了防止还击，要求避雷针与被维护设备之间的空中间隔不小于5m，地中间隔不小于3m。2消雷器 消雷器是国内近年来影响非常大的防雷产品。它的防雷机理是：经过改动接闪器的资料和外形来产生电流以中和雷云中的电荷，让雷云在消雷器的维护范围内无法建立起接闪所需的场强，以到达消雷的目的。 3防雷器 防雷器的作用就是在最短的时间(纳秒级)内将被维护线路接入等电位系统中，使设备各端口等电位，同时将电路上因雷击而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地，故避雷器的电流泄放才干大小将直接影响其对电路的维护

18、才干。防雷器也可称为浪涌维护器 S P D Surge Protection Device的缩写，其功能是对电涌产生维护功能的器件。目前用于对避雷器闪放电流测试的波形主要有直击雷电流脉冲波形l0350s、感应浪涌电流波形820s，如图 3 所示模拟雷电流测试波形。 图 4 模拟雷电流测试波形注：l0350s波形是直击雷模拟波形，其视在波前时间为10s，视在半峰时间为350s。 820s波形是感应雷模拟波形，其视在波前时间为8s，视在半峰时间为20s。1防雷器的分类 雷电危害最严重的是直击雷。当直击雷发生时，由于其二次感应效应，直击雷可经过电阻性及电感性途径破坏电子设备。实践上，呵斥破坏的真正缘

19、由是客观存在的电源线、信号线或数据线上产生了瞬间(在毫秒与微秒级之间)冲击电压，这个瞬间冲击电压的峰值远远大于普通设备所能接受的700V。 根据国际上有关防雷规范(如IEC 1024等)，可把一个建筑物的电源输入线及数据线所能感应到的最高电压和电流分为A、B、C、D、E五个区域，每个区域的最高感应电压和电流又视此建筑物所在位置的不同而分为高、中、低三级雷击风险度，不同风险度又有不同的感应电压和电流。根据设备所处区域的类别选用不同等级的防雷器是必要的。因此，防雷器也根据不同区域和运用特点而制造出种类繁多的种类。防雷器分为： 电源系统防雷器； 信号系统防雷器两类。 用于A区的交流电源防雷器该区的特

20、点是：能够出现直击雷，雷电电压较高，当然放电电流也较大。防雷器在该区中的作用是把上万伏的雷电电压制制在一定范围之内，以维护线路上的用电设备 。 这种防雷器额定放电电流为40kA时其残压小于或等于2.2kV。可用于三相四线制及单相二线制交流电源系统。 用于B、C区的交流电源防雷器 该区的特点是：能够出现感应雷，雷电电压远低于A区，用于该区的防雷器的额定放电电流普通为20kA，残压普通在1.5kV以下。 这种级别的产品适用于三相或单相交流电源系统。 用于D区的交流电源防雷器 该区的特点是：能够出现感应雷，雷电电压低于B、C区，用于该区的防雷器的额定放电电流普通为10kA，残压普通在1.2kV以下。

21、 用于直流电源的浪涌吸收防雷器 此类防雷器是专门用于12V、24V等直流电源系统的过压维护安装，它可以将维护电压等级坚持在60V以下。 双绞线通讯线路防雷器 该类防雷器主要用于双绞线通讯线路设备(如程控交换设备、设备、电子以及警报发生器等)的防雷维护。 网络数据线路防雷器 该类防雷器主要用于广域网和局域网中数据、信息传输线路设备(如DDN专线、HUB、DTU等)的防雷维护。 高频天线馈线防雷器由于天线馈线是直接暴露在户外的，在雷雨天气时很容易产生雷电感应并将感应电流引入其发送、接纳设备中，导致设备受损。 信号线防雷器 (信号浪涌维护器) 浪涌电压制制器件根本上可以分为两大类型。第一种类型为撬棒

22、(Crow Bar)器件，第二种类型为钳位维护器。 常用的撬棒器件包括气体放电管、气隙型浪涌维护器以及硅双向对称开关(CSSPD)等。 常用的钳位维护器有二极管型维护器件和氧化锌压敏电阻(MOV)等。 目前， 信号线防雷器 (信号浪涌维护器)多设计成两极维护电路，因此适宜于安装到LPZ1LPZ3。两级电路由气体放电管、压敏电阻和箝为位二极管组成，具有流通量大、箝位时间极短和维护程度较低的特点。 图 5 短路方式的多级雷击防护器任务原理表示图正常情况下，浪涌维护器不对电路产生影响；当浪涌侵入时，将所衔接部分与地线短路，使线路中浪涌电流迅速释放入地，从而使线路所衔接的设备不受浪涌的损害；浪涌中止后

23、，浪涌维护器SPD恢复正常。 浪涌维护器SPD的选型应关注其的任务电压和负载电流与系统回路相匹配，其最大延续操作电压应略大于回路最大正常任务电压，负载电流应大于回路最大正常任务电流。对于本安回路应留意SPD能否有相应本安认证，其线路电阻应足够小，能保证现场仪表电压正常任务。对于通讯回路应留意SPD带宽，确保正常信号经过。 气体放电管 气体放电管的根本构造是，由一对带电间隙的金属电极封装在充以放电介质如惰性气体的玻璃管或陶瓷管构成。 常用的气体放电管冲击击穿电压为一百几千伏，当线路冲击过电压到达气体放电管冲击击穿电压，管内气体就会电离，产生出自在电子和正离子，这时气体就变得能导电了。放电管由原来

24、的开路形状变为近似短路形状，这样给浪涌电压提供了泄放通路，维护设备或系统免受雷电过电压的损坏。 二极管型维护器 二极管型维护器主要包括： 开关二极管、齐纳二极管和瞬态二极管等。 在正常情况下管子呈高阻形状，当外加电压到达其门限值时，电流迅速添加，即二极管导通。 氧化物压敏电阻 压敏电阻是一种具有瞬态电压制制功能的元件，压敏电阻可以对集成电路及具他设备的电路进展维护，防止静电放电、浪涌及其他瞬态电流(如雷电流等)对集成电路呵斥损坏。 当电压瞬间高于任务极限值时，压敏电阻的阻值迅速下降，导通大电流，从而维护集成电路或电子设备；当电压低于压敏电阻的任务电压时，压敏电阻呈高阻形状，近乎开路，因此不会影

25、响集成电路或电子设备的正常任务。 国际电工委员会编制的规范IEC 1024.1将建筑物的防雷安装分为两大部分： 外部防雷安装 内部防雷安装 这样划分很有必要，建筑物的防雷设计必需将外部防雷安装和内部防雷安装作为整体一致思索。1外部防雷安装 外部防雷安装 (即传统的常躲避雷安装)由接闪器、引下线和接地安装三部分组成。 接闪器：也叫接闪安装，有避雷针、避雷带和避雷网三种方式，它位于建筑物的顶部，其作用是引雷(或叫截获闪电)，即把雷电流引下。 引下线：上与接闪器衔接，下与接地安装衔接，它的作用是把接闪器截获的雷电流引至接地安装。 接地安装：接地安装位于地下一定深度之处，它的作用是使雷电流顺利流散到大

26、地中去。2 内部防雷安装 内部防雷安装的作用是减少建筑物内的雷电流和所产生的电磁效应以及防止还击、接触电压、跨步电压等二次雷害。 除外部防雷安装外，一切为到达此目的而采用的设备、手段和措施均为内部防雷安装，它包括的主要技术有等电位衔接技术、屏蔽技术、滤波技术、浪涌吸收技术、优化布线技术以及综合接地技术。 传统的避雷针的维护范围是以“维护角的概念，如今多采用IEC1024规范，采用滚球法和避雷网来计算避雷针或避雷带、避雷网的维护范围。 传统的避雷针是以“维护角的概念，如今多采用IEC1024规范，采用滚球法和避雷网来计算避雷针或避雷带、避雷网的维护范围。我国规范GB50057-1994 不再沿用

27、避雷针的“维护角的概念。1单支避雷针的维护范围 避雷针在地面上的维护半径r=1.5h 避雷针在被维护物高度hx平面上的维护半径rx由下式确定： 当hxh/2时 rx=h-hxP=haP m当hxh/2时 rx=1.5h-2hxP m式中 hx 被维护物的高度，m ha 避雷针的有效高度，m Ph 高度影响系数，h30时为1；30h120时为5.5/h。 图 6 单支避雷针的维护范围表示图 图 7 两支等高避雷针的维护范围表示图 其中：ho=h-D/7P bx=1.5(ho-hx) 图 8 滚球法确定的防雷维护范围 其中：h为接闪器距地面的高度；r为滚球半径；为维护角 防雷接地电阻值，普通指冲击

28、接地电阻值。 GB50057-1994： 规定了防雷接地的接地电阻为冲击接地电阻，规定的典型值为不大于10。 规定防雷电感应接地安装应和电气设备接地安装共用。 在现代工业中，自动控制系统对消费过程的正常运转起到决议性作用，自控设备的防雷对自控设计来说，已渐渐成为必不可少的内容。在这里谈的雷击是指由雷击引起感应过压和瞬时尖脉冲，沿着导线或导体将能够高达10kV的电压传到设备上，令设备损坏；而不是指设备受直击雷的雷击，直击雷打在自控设备本体上，能够任何防护都起不到作用。 因此，在自动控制系统中的智能仪器设备的周围首先要有电气的防直击雷设备。 从雷击实际来看，由于仪器仪表设备普通大都安装在设备或管道

29、上，而它们都是良导体，另一方面，安装区都采取了防雷措施，又加上仪器本身体积较小，因此，仪表直接“接闪的能够性较小。 而衔接现场仪器和控制室仪器的电缆，那么有传导雷电感应电波的能够。这主要由于电缆敷设在安装各个区域，衔接间隔长，当雷击发生时，接近雷击点的电缆产生感应电压，并向“地传导，构成瞬间浪涌电压或电流。另外，由于电缆桥架的架空敷设，电缆汇线桥架单独引入雷电波的能够性也存在。 根据雷电的特点，仪器预防雷击普通要思索以下几个要素。 仪表及系统选型时要选择抗干扰才干强，内部设有专门的避雷接地措施； 仪表安装时要正确，必需接地良好，同时要思索仪表所处的位置，需根据实践情况安装避雷针； 仪器信号电缆

30、的架设，必需按规定汇入槽盒，在安装现场一次元件的信号衔接时，电缆屏蔽隔离必需按规定接地； 仪表系统的接地，必需符合设计规范要求； 重点思索防备感应雷击，感应雷击的防护主要采用感应雷击防护器即浪涌维护器，或对能够感应到雷击的导线加以屏蔽。 仪表及系统防雷设计，普通应对安装所在区域的雷害有所了解，如雷击频度、雷击强度及当地的常见雷击形，同时还应对控制系统的重要性加以思索。目前，还没有仪表系统防雷工程设计规范，我们仅对防雷设计的类型和仪表控制系统用雷击防护器的运用加以阐明。 为了更好地防止雷电波侵入仪器，可以从不同的场所将防雷系统分为三种情况： 第一种是控制室仪表及系统的防雷； 第二种是现场仪表的防雷； 第三种是全系统的防雷，即对控制室仪器和现场仪器全