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防雷知識連載(二)| 了解“感應雷”危害,針對性防護
電涌保護器SPD
防雷知識連載(二)| 了解“感應雷”危害,針對性防護 2019-10-21 防雷知識連載(二)| 了解“感應雷”危害,針對性防護 691

直擊雷的危害,比較容易理解,其防范措施也相對簡單明了——避雷針、引下線、接地裝置(當然,這里面也有很多的細節和要求,也是需要專業人員來從事的,在此就不展開了),所以對直擊雷的防范是比較普及的。而感應雷的危害,則比較抽象,不是那么容易理解。所以要做好感應雷的防護,我們需要了解感應雷的危害途徑/方式。感應雷破壞本質是感應過電壓,通常我們稱之為電涌。

 

首先,電涌可以通過導體直接傳播,這個比較好理解,就不解釋了。其次,電涌可以通過多種耦合途徑產生,不依賴導線的傳播,常見的耦合途徑有以下幾種。

 

1、電阻耦合(地反擊)

防雷知識連載(二)| 了解“感應雷”危害,針對性防護



如上圖,兩個建筑A、B相隔一定的距離,之間有服務設施(電源、信號、網絡等線路)連接,而A、B各自獨立接地。當A建筑物上的避雷針接閃后,雷電流經引下線流入A處的接地裝置,由于接地電阻的存在,A的地電位會大幅抬升。假如雷電流20kA,接地電阻1Ω,那么A處的地電位瞬間將達到20kV,而此時遠端B處的地電位為0(通常認為20m以外的地電位為0,但實際情況和土壤電阻率以及雷電流大小有關)。這時A、B之間的瞬時地電位差達到20kV。而A、B之間有服務設施的連接,如此高的電位差就可能造成絕緣擊穿、設備損壞。

 

針對這種情況,可采取的防范措施:


1) 進行等電位連接。建筑物A、B原來是各自獨立接地的,進行等電位連接后,A、B的地電位同時抬升,兩者之間的地電位差將大幅減小。


2) 對A、B之間的服務設施進行隔離。不過這個辦法一般不適用,因為隔離設備的隔離電壓存在上限,對于雷電流引起的高達數十千V的電壓,隔離設備很難達到這樣的水平。


3) 安裝電涌保護器(SPD)。關于SPD的原理和應用,后續將進行介紹。

 

2、電感耦合(電磁耦合)

防雷知識連載(二)| 了解“感應雷”危害,針對性防護


電感性耦合又稱電磁耦合或電磁感應,它是由于磁場的作用而產生的,產生這種耦合的原因是電路間存在著互感。


雷電流峰值通常為幾十kA,而其達到峰值的時間為μs(10^-6s)級,也就是說雷電流的變化率di/dt達到了10^9數量級。引下線由于自感的存在,會感應出強大的電磁脈沖,以反抗電流的快速變化。電磁脈沖不依賴導線就可以在空間進行傳播,當電磁脈沖通過各種電源、信號回路時,又會感應出電涌。

 

針對電感耦合,可采取的防范措施:


1) 合理布線。感應電勢的大小取決于磁通量的變化率E=dФ/dt。而磁通量Ф = B*S*sinθ,B為磁場強度,S為環路面積,θ為磁場與環路平面夾角。所以我們可以通過相應的辦法來降低磁通量(變化率):

      a) 遠離干擾源(減小B),

      b) 減小環路面積(減小S),

      c) 避免平行布線(減小θ)。平行布線時,磁場方向與環路是垂直的,θ=90°;

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2) 采用(屏蔽)雙絞線。

雙絞線可以有效降低電感耦合影響,這是因為導線經過雙絞之后,任一絞距所形成的環路的磁通方向與相鄰的環路磁通方向相反,磁通量互相抵消,所以可以認為雙絞線等效環路面積S接近于0。

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3) 合理安裝SPD。


3、電容耦合


電容性耦合又稱靜電耦合或靜電感應,它是由電路間電場的相互作用而產生的,產生這種耦合的原因是電路間存在著分布電容,如天空中的云朵對對地面(或地面上的物體)、高壓線與地面、導線之間等。

 

針對電容耦合,可以采取相應的改善措施:


1) 合理布線:避免平行布線;遠離干擾源。

我們知道,兩個平板,隔開一定的距離,就構成了一個電容。為了減小電容耦合,我們需要減小信號回路和干擾源之間的分布電容C。電容大小與電極板正對面積S成正比,與極板之間的距離d成反比。為了減小C,可以減小極板正對面積S(改為垂直布線),并增大極板間的距離d(信號線路遠離干擾源)。


2) 采用屏蔽線

采用屏蔽線后,感應的靜電荷都處在屏蔽層,將屏蔽層接地后(對于電容耦合,一般采用單端接地),其電位相當于0,不會對屏蔽層內的線路造成干擾。


3) 合理安裝SPD

 

所以,對于雷電的防護,是一個系統性的工程,不僅需要對直擊雷進行防護(外部防雷系統),還要對感應雷進行防護(內部防雷系統)。


防雷知識連載(二)| 了解“感應雷”危害,針對性防護


在內部防雷系統里,SPD是唯一的“產品”,其他都屬于“工程”。SPD本質上是一個“瞬時等電位連接設備”,對于不帶電的導體,如設備外殼、金屬罐體、管道等,一般直接接地,而對于帶電導體,如各種電源、信號線路,必須經過SPD進行“瞬時”接地。




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防雷知識連載(一)| 消除誤解,科學防雷

防雷知識連載(三)| SPD的原理和選型

防雷知識連載(四)| 如何選擇高品質SPD

防雷知識連載(五)| 如何配置電源SPD后備保護裝置



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