了解“感应雷”危害，针对性防护

时间：2023-05-19

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。

1、电阻耦合（地反击）

图1

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。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，地凯科技采取的防范措施：

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。

2、电感耦合（电磁耦合）

图2

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10^9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°;

图3

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。

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，可以采取相应的改善措施：

1) 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，与较板之间的距离d成反比。为了减小C，可以减小较板正对面积S（改为垂直布线），并增大较板间的距离d（信号线路远离干扰源）。

2) 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。

3) 合理安装SPD

所以，对于雷电的防护，是一个系统性的工程，不仅需要对直击雷进行防护（外部防雷系统），还要对感应雷进行防护（内部防雷系统）。

图4

在内部防雷系统里，SPD是一的“产品”，其他都属于“工程”。SPD本质上是一个“瞬时等电位连接设备”，对于不带电的导体，如设备外壳、金属罐体、管道等，一般直接接地，而对于带电导体，如各种电源、信号线路，必须经过SPD进行“瞬时”接地。

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