1、關于雷電對計算機網絡及機房的危害第一張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月直擊雷雷電波侵入雷電電磁脈沖地電位反擊傳播途徑網絡及機房設備抗干擾分析雷電災害實例分析第二張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月隨著現代化進程的加快，特別是信息產業的迅猛發展，自動控制、通信和計算機網絡等微電子設備和電子系統在氣象行業內外得到日益增加的廣泛應用，雷擊事故帶來的損失和影響也越來越大，尤其是在經濟發達國家和地區，雷擊造成的電子設備直接經濟損失達雷電災害總損失的80%以上。雷電災害已成為聯合國公布的10種最嚴重的自然災害之一。 第三張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月據有關部門估計，全世界平

2、均每分鐘發生雷暴2000次，全球每年因雷擊造成的人員傷亡超過1萬人，所導致的火災、爆炸等時有發生。1995年，德國一保險公司雷電災害賠款是火災和水災的近10倍，高居首位。2003年8月14日，美國東北部和加拿大發生大面積停電，其原因可能是閃電擊中美國紐約州北部一家電廠并引起火災。雷電災害被列為“電子時代的一大公害”。第四張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月雷電災害，也是目前中國十大自然災害之一。據統計，我國有21個省、區、市雷暴日在50天以上，最多的可達134天。雷暴給人們生活帶來了極大的安全隱患。尤其是近年來，中國社會經濟、信息技術特別是計算機網絡技術發展迅速，城市高層建筑日益增多，

3、雷電危害造成的損失也越來越大。僅1998年和1999年兩年的統計，中國因雷擊造成的直接經濟損失達百萬元以上的有38起。每年因雷電災害傷亡的人員約為3000-5000人，造成的財產損失在70100億元左右 第五張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月我國的雷電災害損失80%以上涉及電子、通訊和配電系統。如，2000年8月18日12時56 分，一次閃電造成上海證劵交易所衛星地面站機房遭雷擊，致使股票交易行情傳輸中斷54分鐘。總之雷電可以通過各種途徑危害地面的物體和人畜，雷電事故，既造成巨大的經濟損失，也給社會帶來難以估量的間接損失，對社會影響很大。 第六張，PPT共一百零二頁，創作于2022年

4、6月歸納起來，雷電的危害如圖3.1所示，它包括直接雷擊的危害和雷擊電磁脈沖的危害。 第七張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月第一節 直擊雷的危害一、直擊雷又叫直接雷擊 當雷云較低，且周圍又沒有帶異性電荷的云層，則雷云就會通過距離其最近的物體以波速向大地放電，這就是直接雷擊。二雷電流的熱效應及其危害在雷云對地放電時，強大的雷電流從雷擊點注入被擊物體，由于雷電流幅值高達數十至數百千安，其熱效應可以在雷擊點局部范圍內產生高達600010000C，甚至更高的溫度，能夠使金屬熔化，樹木、草堆引燃；當雷電波侵入建筑物內低壓供配電線路時，可以將線路熔斷。這些由雷電流的巨大能量使被擊物體燃燒或金屬材料

5、熔化的現象都屬于典型的雷電流的熱效應破壞作用，如果防護不當，就會造成災害。 第八張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月第九張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月第十張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月1.雷擊點處的熱量 現代建筑、高層、金屬結構，兼作防雷裝置，引導雷電流。雷電流作用，對金屬物體的破壞作用必須考慮，雷擊金屬物時，雷電放電通道直接與金屬物接觸，在雷擊點產生的熱量可以通過在雷電流持續時間內的積分來計算，即（3.1）式中W熱量，J； UAR金屬物體上雷擊點處電弧壓降，其經驗值取為2030V；i從雷擊點注入金屬物體的雷電流，A；第十一張，PPT共一百零二頁，創作于20

6、22年6月上式中，考慮到UAR近似取為常數，并代入電荷表達式式式中Q電荷量，C。第十二張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月由上式可知：在雷擊點處產生的熱量與雷電放電通道注入的電荷量成正比。雷云對地放電具有隨機性，雷擊時放電通道注入地面被擊物體的電荷量也是個隨機量，其概率分布如圖3.3所示。 圖3.3 注入電荷的概率分布量全部雷擊過程；-僅首次雷擊1正雷；2負雷第十三張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月雷電流熱效應的計算由于雷電流的作用時間很短，在計算 （3.2）雷擊點處的溫升以及雷電流通過金屬物體所產生的溫升時，均可以忽略散熱的影響，于是雷擊點處的溫度升高可表示為式中 T溫升，

7、； m金屬物體質量，； 比熱，J /（）。第十四張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月當溫升值過高時，就會造成金屬的熔化。由試驗和理論計算，可估計出注入單位電荷作用下幾種常用金屬的熔化體積當量為：鋁：12mm3/c；銅：5.4mm3/c；鋼：4.4mm3/c。 在通常情況下，雷電流幅值雖然很高，但其作用時間卻很短，只能產生局部瞬時的高溫，使雷擊點處局部小面積的金屬發生熔化，對于大面積的金屬物體，雷電流熱效應的熔化能力是相當有限的。如果金屬屋面和金屬罐等大型物體的鋼板壁厚超過4mm時，則可直接承受雷擊，即可用于接受直擊雷電流。第十五張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月在建筑物遭受雷

8、擊后，雷電流會沿建筑體內各種金屬導體通路流入大地，由于金屬體自身存在著電阻，雷電流流過它們時也會產生熱量，這種熱量可表示為（3.3）式中 R金屬式中 R金屬導體電阻，；i雷電流，A。在防雷分析中，常用單位歐姆熱量這一參數，其表達式為式中W/R單位歐姆熱量，J/ W。由于雷電流具有隨機性，W/R也是個隨機量， 第十六張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月圖3.3給出了它的概率分布。 圖3.3 W/R的概率分布 1正雷；2負雷 第十七張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月實際上，當雷電流流過建筑體內的金屬物體（如各種結構鋼筋或鋁合金導條等）時，所產生的熱效應溫升常不足以使這些導體熔化，

9、這是因為從雷擊點經過分流后，流過各導體通路的雷電流將減小，而導體通路的尺寸又較大。但如果雷電流侵入建筑物內電氣或電子線路時，往往會使它們熔斷，因為這些線路的導體截面較小，難以耐受雷電流的熱效應。 第十八張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月第十九張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月另外，從式（3.3）還可以看出，嚴重的熱效應還會出現在雷電流通路上有較高電阻的地方，特別是那些引流導體之間的接觸不良處，在這些地方常可能出現金屬熔化，有時甚至出現熔體飛濺。這種飛濺熔體產生的火花對存儲易燃易爆物品的建筑物來說，是極具危害性的。第二十張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月2雷電流的電

10、效應及其危害雷電的直接破壞作用除了熱效應外，還有電效應和沖擊波。在雷云對地放電時，這種效應與熱效應一樣，均能被擊物體造成嚴重損害。但從危害的方式來看，與前者有所不同，主要是不是雷擊時，雷電流通過載流導體產生電動力的破壞作用，下面將討論雷電流的電效應的產生機理及其破壞作用。第二十一張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月由電磁學可知，在載流導體周圍的空間存在著磁場，而在磁場中的載流導體又會受到電磁力的作用。圖3.5給出兩根載有相同方向雷電流的長直導體，導體A上的電流在其周圍空間產生磁場，而導體B在這一磁場中將受到一個電磁力的作用（，其方向垂直指向導體A。同樣，導體B上的電流 也會在其周圍空間

11、產生磁場，得處在該磁場中的載流導體A也受到一個電磁力的作用,其方向垂直指向導體B。于是，在這兩根平行載流導體之間就存在著電磁力的相互作用，這種作用力稱為電動力。圖3.5 兩根平行導體之間的電動力作用 第二十二張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月按安培定律，不難推導出圖3.5所示兩根長直平行載流導體之間的電動（3.4）力計算公式：圖3.5 兩根平行導體之間的電動力作用 間的電動力作用式中 i1、i2兩根平行導體上的電流。kA； d導體之間的距離，m； F單位長度導體的電動力，kg/m。 第二十三張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月 由圖3.5可見，在電動力作用下，兩根導體之間將相

12、互吸引，有靠攏的趨勢。同理，如果i1與i2反向，則兩根導體在電動力的作用下就會相互排斥，有分離的趨勢。因此，在雷電流的作用下，載流導體就有可能會變形，甚至會被折斷。 第二十四張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月圖3.6 載有雷電流的彎曲導體受力示意 圖3.7 引下線的走線方式（a）正確 （b）不正確第二十五張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月另外，對于同一根載有雷電流的彎曲導體或金屬個構件，如圖3.6所示，其中AP段的電流i所產生的磁場可使PB段受到電動力的作用，同樣PB段電流i所產生的磁場也會使AP段受到電動力的作用，當這種電動力足夠大時，就可能會使導體或構件受到破壞。由安培

13、定律可知，凡含有拐彎部分的載流導體或金屬構件，其拐彎部分都將受到電動力的作用，拐彎處的夾角越小，受到的電動的作用，拐彎處的夾角越小，受到的電動力就越大。所以當拐彎夾角為銳角時，所受到的電動力相對較大；而當拐彎處的夾角為鈍角時，所受到的電動力相對較小。第二十六張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月因此，在防雷設計與施工中，避雷引下線的走線方式應盡可能走直線路徑，在必須拐彎的情況下，應采取鈍角并帶圓弧向下走線，而應避免采用銳角或繞直角向下走線，如圖3.7所示。當避雷引下線非要走銳角路徑不可時，應在線路的銳角拐彎處采取牢固的機械固定措施，以防被電動力拉動。 第二十七張，PPT共一百零二頁，創作

14、于2022年6月圖3.8是一飛機被雷擊壞的例子。 第二十八張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月3雷擊產生的內壓力和沖擊波效應及其危害雷電的機械效應所產生的破壞作用主要表現為兩種形式：一是雷電流注入樹木或建筑構件時在它們內部產生的內壓力；二是雷電流的沖擊波效應。在雷云對地放電時，這兩種效應亦能對地面被擊物體造成嚴重損害。第二十九張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月（1）雷擊產生的內壓力及其危害在被擊物體內部產生內壓力是雷電流機械效應破壞作用的一種表現形式。由于雷電流幅值很高，且作用時間又很短，當雷擊于樹木或建筑構件時，在它們的內部將瞬時地產生大量熱量。在短時間內熱量來不及散發出去

15、，以致使這些內部的水分被大量蒸發成水蒸氣，并迅速膨脹，產生巨大的內壓力。這種內壓力是一種爆炸力，能夠使被擊樹木劈裂和使建筑構件崩塌。有關這類現象，國內外均時有報道。 第三十張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月圖3.9a，b，是最近（2005年7月）在江蘇揚 州市石塔附近文昌中路拍攝的兩長照片，據揚州老人介紹，路中間綠化帶中的一棵百年古銀杏樹是在抗日戰爭時期被雷擊，從地面起樹身被雷擊為兩半，但沒有引起燃燒，顯然這是雷擊產生的內壓力對這棵古樹的損害，圖3.9a被雷擊劈裂樹的全貌，圖3.9b被雷擊裂樹的一半，這棵古樹至今還活著，成為美化環境、供人們觀賞一個景觀。 第三十一張，PPT共一百零二

16、頁，創作于2022年6月圖3.9a被雷擊劈裂樹的全貌 圖3.9b被雷擊裂樹的一半，這棵古樹至今還活著，成為美化環境、供人們觀賞一個景觀。 第三十二張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月圖3.10是另外為兩棵樹被雷擊劈裂和折斷的典型實例。第三十三張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月（2）雷擊產生的沖擊波效應及其危害雷云對地放電過程中的回擊階段，放電通道中既有強烈的空氣游離又有強烈的異性電荷中和，通道中瞬時溫度非常高，這使得通道周圍的空氣急劇膨脹，以超聲波速度向四周擴散，從而形成沖擊波。同時，通道外圍附近的冷空氣被嚴重 壓縮，在沖擊波波前到達的地方，空氣的密度、氣壓和溫度都會突然增大

17、，產生劇烈振動，這種沖擊波與爆炸時產生的沖擊波是類似的，可以使其附近的建筑物、人、畜受到破壞或傷害。沖擊波向外傳播的速度遠大于聲速，但很快就會衰減，轉化為聲波，于是人們就能夠聽到雷鳴聲。沖擊波的強度與回擊時雷電流的大小有關，其破壞作用與波陣面氣壓和環境大氣壓有關。 第三十四張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月 圖3.11建筑物的崩塌 第三十五張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月第二節 雷電波侵入一、直接雷擊過電壓直接雷擊放電電流可達幾十至幾百千安，由于被擊物與大地之間都有一定的電阻，雷電電流通過被擊物泄入大地時，必然在這個電阻上產生極大的電壓降，這種因直接雷擊而在物體上產生電壓

18、升高的現象就被稱為直接雷擊過電壓。 第三十六張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月二、雷電直接襲擊架空線路的方式電氣設備遭雷擊主要是通過架空電力線路或通信線路傳入的，因而架空線路是雷電侵入的重要渠道，雷電直接襲擊架空線路主要有三種方式，即：遠點雷擊、近點雷擊和錯相位雷擊第三十七張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月1.遠點雷擊由于我國的電壓基本波形是每秒50Hz的正弦波形曲線，在電力線上形成每秒50次的交變磁場。如遇到雷雨天氣時，在雷電未擊穿大氣時，將呈現出高壓電場形式。根據電學基本原理，磁場與電場之間是相互共存可逆變化的，那么，雷電高壓電場通過靜電吸收原理，向大地方向運動。假設電

19、力線桿有5米高，那么在相對濕度25%時，要擊穿5米空氣，需要15106V雷擊高壓 （3000V/mm）。如果在相對濕度95%（下雨時），擊穿5米空氣需要5106V雷擊高壓（1000V/mm）。電力線上的交變磁場對雷云的吸引小于大地的靜電吸引。如果，雷云擊穿5米空氣入地，需要很高的電壓，雷電首先擊在電力線上，并從電力線的負載保護地線入地釋放，這樣就擊穿了設備。 第三十八張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月2.近點雷擊所謂近點雷擊，實際上是雷電襲擊建筑物避雷針，從而引起的雷電電磁脈沖的問題 。雷電打在建筑物避雷裝置上，由于避雷針與引下線的電感的作用，最多只能將50%的電流引入大地（IEC（

20、國際電工委員會）1312定義），余下的電流將通過電力線屏蔽槽、水管、暖氣管、金屬門窗等與地面有連接接的金屬物質聯合引雷，但也只引下少部分雷電流，余下總電流的25%流竄至建筑物內的UPS輸入輸出的電源線、局域網線等，擊穿小型機和局域網端，最終由邏輯地線處下泄入大地。對設備而言，部分雷電流將由UPS的輸入電源線對機房保護地線進行LPE、NPE泄放，UPS輸出LPE（邏輯地）、NPE泄放,小型機LPE泄放，局域網線對邏輯地線等進行泄放，最終結果，將擊穿UPS輸出對地線和輸入對地線端、小型機電源對邏輯地線、網絡數據線對邏輯地線。 第三十九張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月3.錯相位雷擊一個高

21、能量的雷擊在一條架空線上，一個低能量的雷擊在另一條架空線上，線線之間產生一個壓差，從而侵入設備造成雷電的二次雷擊稱錯位雷擊。 第四十張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月第三節 雷擊電磁脈沖的危害一雷電的靜電感應及其危害雷電的靜電感應與電磁感應作用屬于雷電的間接破壞作用。由雷電的靜電感應與電磁感應所產生的暫態過電壓比以上所述的直接破壞作用具有更大的危害范圍，它能夠損壞建筑物內的信息系統和電氣設備，甚至造成人員傷亡，因此，在防雷設計中，一直受到關注。第四十一張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月1在有金屬頂建筑物上的靜電感應在建筑物頂部金屬體上的靜電感應城鎮的建筑物區域，常可以見到一

22、些頂部大面積金屬體的建筑物，例如半球形銅殼裝飾成的圓頂樓，用銅材或鐵皮包裝屋頂的建筑物。當這種建筑物上空有雷云生成并向下發展下行先導時，由于雷云和先導通道中電荷的感應作用，在建筑物頂部的金屬體上將出現反極性的感應電荷，如圖3.12所示。在該圖中示出的是常見的負雷云對地放電，雷云及下行先導通道中的電荷為負，而在建筑物金屬屋頂上感應出的電荷為正。這些感應正電荷在屋頂上的聚集速度取決于先導發展的速度，因為先導發展的速度約比回擊速度小100倍，所以在先導發展階段，金屬屋頂上有足夠的時間來聚集大量正電荷。 圖3.11金屬屋頂上的靜電感應第四十二張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月這些正電荷受到先

23、導通道中負電荷的束縛，不能自由運動。當先導發展到附近地面時，回擊過程便開始，先導通道中攜帶的負電荷將被地面上的正電荷自上而下地迅速中和，伴隨著負電荷的消失，金屬屋頂上的正電荷將失去束縛，變為自由電荷，但由于屋頂金屬體與地之間的電荷流散路徑上存在著數值可觀的電阻，這些被釋放的正電荷不能以與回擊發展同樣的速度來消散。 第四十三張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月在回擊后的短時間內，可以近似認為金屬體上仍有大量正電荷存在，于是金屬體與地之間將構成一個電容器，金屬體對地將具有一個高電位，它可用下式來表示：（3.5）式中金屬體電位；Q金屬體上的電荷；C金屬體對地電容。上 式中的實際是金屬體上感應

24、電壓的最大值。隨后，金屬體上正電荷將通過建筑結構中的路徑向地流散，設該流散路徑的電阻為R，這種電荷流散過程本質上是一個一階RC電路的零輸入響應過程，因此建筑物金屬屋頂的對地電壓u將按以下規律變化： （3.6）第四十四張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月如果建筑物金屬屋頂或頂部金屬對地絕緣，則在靜電感應所引起的高電壓作用下，金屬體對其下方的某些接地物體將會造成火花放電，導致設備和人員的損壞和傷亡，還可能會引發火災。如果頂部金屬體的接地引下線在某個部位斷開或電阻過大，則在這些部位也將出現高電壓，造成局部火花放電，危及建筑物內設備與人員的安全。很明顯，要減小雷電靜電感應的危害程度，就必須設法

25、減少在建筑物頂部金屬體上的感應電荷，這就需要將金屬體良好地接地，以盡可能快地將感應電荷泄放入地。第四十五張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月2.在架空線路上的靜電感應在各種架空線路上，同樣會因雷云對地放電而產生靜電感應電荷。現仍以常見的負雷云對地放電為例，來說明架空線路上感應電荷和高電壓的產生機理。圖3.12 架空線上感應過電壓的形成（a）回擊前（b）回擊后第四十六張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月如圖3.12（a）所示，當雷云下行負先導向地面發展時，先導通道攜帶的負電荷將在最靠近其前端的一段導線上感應出正電荷，在先導尚未到達地面，即回擊尚未發生時，這些正電荷將受到先導通道中

26、負電荷的束縛，成為不能自由運動的束縛電荷。圖3.12 架空線上感應過電壓的形成（a）回擊前（b）回擊后第四十七張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月而此時導線上與正束縛電荷相應的負電荷則被排斥向兩側運動，經線路的泄漏電導和電網的中性點進入大地。先導到達地面時，回擊就發生，如圖3.12（b）所示，原先導通道中的負電荷被迅速中和，這就消除了對導線上正電荷的束縛，這些失去束縛的正電荷將向兩側運動，形成過電壓波，其波速接近于光速。由于回擊的平均速度很快，導線上正電荷被釋放的時間也很短，所以過電壓波的幅值是很高的。第四十八張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月實際上，在回擊過程中，伴隨著回擊

27、電流的出現，該電流所產生的暫態脈沖磁場將部分地交鏈于由導線、桿塔和大地構成的回路，在回路中產生感應電壓，但由于回擊通道在空間上近似與導線垂直，兩者之間的互感很小，這種磁場感應電壓遠比靜電感應電壓小，因此在總的過電壓中，靜電感應分量占主要地位。在工程上，過電壓的幅值可按下式來估算：第四十九張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月（3.7）上式中的具有電阻量綱，與回擊速度關系不大。感應過電壓波向導線兩側傳播，當它沿線路進入建筑物內時，將會對建筑物內的信息系統和電氣設備造成損壞。這種沿線路進入建筑物內的感應過電壓波常稱為雷電侵入波，它是一種典型的雷電暫態過電壓，對信息系統中的電子和微電子設備極具

28、危害性，在防雷設計中需要采取專門的措施加以防護。第五十張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月3雷電的電磁感應及其危害雷電通道和防雷保護系統的導線上的雷電流，在接地系統的沖擊接地電阻上產生電壓降，同時也會在建筑物內部導線形成的環路感應出浪涌電壓和電流。特別是由于雷擊的磁干擾輻射，周圍區域的雷擊在設備環路上感應出浪涌電壓和電流。如果雷擊架空電線時，在電源進線上就有傳導的出浪涌電壓和電流（與上一節陳述的雷云在架空導線上的靜電感應有區別，但不論那種形式在架空電線上感應出浪涌電壓和電流，其傳導形式是相同的）。由于電磁干擾的輻射，云間閃電在電力線和其他大范圍的導線系統上也會產生傳導的浪涌電壓和電流。

29、第五十一張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月根據建筑物防雷設計規范GB5700-94估算，雷擊時，全部雷電流的50%流入建筑物的接地系統，另外 50%（ia）分配于引入建筑物的各種外來導電物、電力線、通信線等設施。如圖3.13流入每一設施的電流i，等于ia /n，n為若上述各導體的個數。流經無屏蔽或者沒有穿圖3.13 進入建筑物各種設施之間的雷電流分配金屬管的電纜芯線的電流ib等于 ib/m， m為芯線數。 第五十二張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月在Peter Hasse的“低壓系統防雷保護”中提到了各外部導體和導線分擔的雷電流ii取決于外部導體和導線的數量、其等效接地電阻

30、和接地系統的等效接地電阻。即 （3.8） 式中Z為接地系統的等效接地電阻；Zi為外部導體和導線的等效接地電阻；n為外部導體和導線的總數；I為按保護等級確定的雷電流。第五十三張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月雷擊防雷系統雖然有分流，在每一分支導體或導線上雷電流減小了。但雷電流具有很大的幅值和波頭上升陡度，能在所流過的路徑周圍產生很強的暫態脈沖磁場。根據電磁感應定律，這種快速變化的脈沖磁場交鏈導體回路時，能在回路中感應出電動勢，產生過電壓和過電流。在現代建筑物內，通常布置和鋪設著各種電源線、信號線和金屬管道（如供水管、供熱管和供氣管等），這些線路和管道常常會在建筑物內的不同空間構成導體回

31、路或回環，如圖3.14a中陰影部分所示。 第五十四張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月圖3.14 感應回路所端接的電子設備損壞示意圖 （a）金屬管形成的回路 （b）天饋線形成的回路第五十五張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月 脈沖磁場在回路中感應出電壓大小與回路尺寸、雷電流波頭陡度以及回路與載流導體之間的距離有關，載流導體產生的脈沖磁場對其附近回路的電磁感應作用可用兩者之間的互感系數來表征，借助于互感系數，回路中的（3-9）感應電壓可表示為式中 u1回路感應電壓，V； M互感系數，H； ic分支導體上流過的雷電流，A。第五十六張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月圖3.1

32、5 回路感應過電壓損壞端接電子設備第五十七張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月從雷電流波形特征來看，其波頭部分的變化率遠大于其波尾部分，所以在考慮雷電流的電磁感應危害性時，一般只考慮（3-10）雷電流波頭部分的變化率，即波頭陡度，并將取為波頭的平均陡度，于是回路中感應電壓的幅值可表示為式中 U1回路感應電壓幅值，V； Ic分支導體上流過的雷電流幅值，A；f雷電流波頭時間，s。第五十八張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月在一般情況下，要精確計算各種空間位置上的回路與載雷電流分支導體之間的互感系數往往是相當困難的，為此在工程上常采用一些近似公式，這里將給出其中兩種在防雷設計中較為常

33、用的互感系數公式。 第五十九張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月對于圖3.16所示的情況，載流導體為感應回路的一部分，當、a1，a2 r時，載流導體與感應回路之間的互感系數為式中 M互感系數，H；a1，a2 感應回路的寬和長，m；對于如圖3.16所示的情況，載流導體與感應回路分離，兩者之間的互感系數可近似表示為（3-12）式中a1，a2 感應回路的寬和長，m； a3載流導體與感應回路之間的距離，m。圖3.16載流導體為感應回路的一部分第六十張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月在近似確定互感系數后，按式（3.10）即可估算出感應回路開口處感應電壓幅值，再由空氣擊穿電場強度的臨界值

34、就能進一步估算出開口處不發生擊穿的最短距離為（3-13）式中 dmin開口處不發生擊穿的最短距離，m；EL電感降壓的空氣擊穿場強，其值按本章第三節的式（3.17）確定。圖3.17 載流導體與感應回路分離第六十一張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月在上式中，波頭時間可取為苛刻情況下的數值0.25s。即后續雷擊的雷電流波頭時間。在實際場合下，如果回路的開口距離小于dmin，則開口處的空氣就會在回路感應過電壓作用下發生擊穿，出現火花放電，這將可能引燃或引爆附近的易燃易爆品，從而產生災害。當感應回路不開口或開口被擊穿時，在感應過電壓作用下，閉合回路中將出現電流。 第六十二張，PPT共一百零二頁

35、，創作于2022年6月對于圖3.16和圖3.17的兩種情況，假設此時開口處已閉合，分支載流導體中的電流與閉合回路中的電流之間將滿足以下關系：（3-14）式中 in閉合感應回路中的電流，A； L回路的自感系數，H。 上式中，閉合感應回路的自感系數由下式來計算（在ra1、a2情況下）在閉合感應回路中出現電流后，如果回路中某個部位的接觸不良，則可能在此處產生嚴重的局部發熱，有可能引發易燃易爆品的燃燒或爆炸等事故。如果回路中各部分導體接觸良好，則回路中的電阻就小，在感應過電壓作用下就會產生過電流，過電流的熱效應可能會使回路導體受到被損害。第六十三張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月4雷電流在信

36、號線上的耦合雷電流產生的暫態脈沖磁場在建筑物內的導體回路中感應出過電壓和過電流是通過阻性耦合、感性耦合和容性耦合感應出過電壓和過電流來影響設備。（1）阻性耦合在由雷擊引起的暫態過程中，暫態過電壓和過電流常常可以通過信號或電源等線路耦合或轉移到電子設備上，造成電子設備的損壞。為了說明這一情況，先來看一個例子，如圖3.18所示。第六十四張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月圖3.18 過電壓阻性耦合轉移第六十五張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月當雷擊樓1防雷系統時，雷電流將流過樓1的接地電阻Rg1將引起樓1的地電位以及與這個地相連的設備1外殼電位抬高，其值可以高達100Kv，此時的

37、信號線尚處于零電位，于是在設備1外殼與信號線之間將出現暫態過電壓，并會使這里的絕緣擊穿。擊穿發生后，信號線在設備1端的電位將抬高，這個電位抬高將沿信號線傳輸到樓2中的設備2端，由于設備2外殼是與樓2接地相連，與設備1外殼接地分離，因此這時的設備2外殼也可視為零電位，則信號線與設備2外殼之間也 被擊穿。這種通過線路兩端絕緣依次擊穿來向電子設備轉移暫態高電位是一種典型的阻性耦合過電壓情況。該浪涌電流的幅值（其峰值可能達到kA）取決與歐姆電阻Rg1 和Rg1的相對值。第六十六張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月（2）感性耦合如前所述，金屬回路通過雷電流通道或雷電流導線的感應場而感應過電壓。分

38、雷電流在多芯電纜中流動時，芯線與電纜的金屬屏蔽層之間產生的電壓稱縱向電壓U1，施加在所連接的設備輸入端與接地外殼的絕緣上。出現在芯線之間的電壓，稱橫向電壓U2，給所連接的設備的輸入電路施壓。如果分雷電流i2 已知，那么縱向電壓可根據電纜的藕合阻抗計算。下面是幾個例子。第六十七張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月圖3.19 多芯線纜過電壓感性耦合和轉移第六十八張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月如圖3.19，當樓防雷系統遭受雷擊后，由于分流作用，較大部分雷電流將沿樓1的接地體入地，而較小部分雷電流2 則經過設備1外殼、電纜金屬護套、設備2外套和樓2的接地體入地。2在電纜的金屬護套

39、上流過時，所產生的磁鏈將完全交鏈電纜芯線，于是能夠通過磁耦合在芯線與金屬護套（縱向電壓）以及芯線與芯線之間（橫向電壓）產生暫態過電壓。芯線與金屬護套之間的暫態過電壓能夠損壞設備1和設備2的輸入和輸出端對地絕緣，而芯線與芯線之間的暫態過電壓則可以損壞設備1和設備2的輸入或輸出電路。 第六十九張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月電纜中芯線與金屬護套之間的暫態過電壓峰值可按下式來計算：U2m =I2m *R r 式中 U2m為過電壓峰值；I2m 為金屬護套中雷電流的峰值；R r為金屬護套與芯線轉移電阻，它與護套的屏蔽性能有關，一般由試驗來確定。第七十張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6

40、月耦合過電壓還會發生在地下電纜中。許多通信電纜常埋設在地下，當雷擊與電纜附近的地面時，在雷擊點與電纜之間將會產生電弧，電弧又會燒傷距雷擊點近處的電纜外層絕緣，使部分雷電流從這一絕緣燒傷部位進入電纜的金屬護套層，并向電纜左右兩側傳輸，如圖3.20（a）所示。 第七十一張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月 圖3.20 地下電纜中耦合過電壓第七十二張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月在金屬護套中流過的雷電流一方面可直接在電纜的芯線與護套及芯線與芯線之間偶合出暫態過電壓分量；另一方面，由于護套自身有電阻，它還會在沿電纜長度方向產生一個 暫態 梯度分布，在護套與土壤之間產生一定的暫態電位

41、差，如圖3.20（b）所示。當沿電纜長度方向上某一點（如A點）處的金屬護套與土壤之間的電位差超過電纜外層絕緣強度時，外層絕緣就會被擊穿，在護套中流動的雷電流將從這一點進入土壤，并使該點處護套與土壤等電位。一般地說，在電纜的長度方向上會出現一系這樣的擊穿點，不斷地將金屬護套中的雷電流分流進土壤，這一暫態分流過程將會在電纜芯線上耦合出另一個暫態過電壓分量，這些暫態過電壓分量向電纜兩端傳輸，能夠將電纜兩端連接的電子設備損壞。 第七十三張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月 （a）信號線之間的回路 （b） 信號線與地之間的回路 圖3.21 通信線路的感應回路第七十四張，PPT共一百零二頁，創作于

42、2022年6月圖3.21給出了兩個典型的實例。在圖3.21（a）中 ，一對信號線連接著兩座建筑物內的電子設備，實現這兩座建筑物之間的信號通信。這對信號線通過其兩端所端接的電子設備輸入或輸出電路構成一個窄長的回路。當建筑物1（或建筑物2）遭受雷擊時，在其防雷裝置中流過的雷電流所產生的暫態脈沖磁場將會交鏈這一窄長回路，在回路中感應出過電壓，使電子設備1和2的輸入或輸出電路受損壞。在圖3.21（b）中，連接兩座建筑物內電子設備的一條信號線通過其兩端的接地路徑與大地構成一個窄長回路，雷擊時由雷電流產生的暫態脈沖磁場在該回路中將感應出過電壓，并能將信號線兩端電子設備1和2的對地的絕緣擊穿，在回路中產生過

43、電流，損壞電子設備1和2。 第七十五張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月近些年來，隨著信息處理技術的廣泛應用，大量電子設備正普遍地進入各種建筑物內，建筑物之間的信息交換與傳遞也日趨增強，這就使得雷電脈沖磁場的危害性變得越來越嚴重。 雷電流不僅能產生脈沖磁場，而且也能產生脈沖電場，并能以電磁波的形式直接輻射到電子設備中去，使電子設備受到干擾或被損壞。第七十六張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月（3）容性耦合如果雷擊大地或接閃器，由于接地電阻Rg上的電位差，雷電通道或接閃器升至很高電壓（約100kV，與周圍相比），如圖3.22所示，設備1與設備2之間的信號線與這種雷電通道或接閃器容

44、性耦合。耦合電容被充電，引起“注入”電流（約10A），通過設備1和設備2的絕緣流入大地。第七十七張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月圖3.22 過電壓阻性耦合轉移容性耦合 第七十八張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月第三節 暫態電位抬高及危害 從18世紀50年代富蘭克林發明避雷針到20世紀60年代，在建筑物頂部安裝避雷針、線、帶、網保護建筑物不受雷擊，是延用了200多年的唯一的雷電防護技術。然而，隨著現代化電子科學的迅速發展，依據近30年來國內外對雷電閃擊過程的研究和 雷擊事件造成的災害損失的統計分析，已經清楚地表明：在雷電閃擊過程中，沿著接閃器的引下線和雷電閃擊的通道產生的雷

45、電瞬態過電壓也會通過電源線、信號線等線路傳輸和電磁場感應等方式嚴重地危害通信、監控、計算機等現代化信息系統。因此雷電防護技術也隨之由單一的直擊雷的防護擴大為直擊雷和感應雷的現代化的綜合防雷技術。第七十九張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月由直接雷擊在建筑物防雷裝置中各個部位上產生的暫態電位升高現象，對于建筑物內的設備與人員頗具危害性。暫態高電位能夠產生很大的暫態電位差，造成對設備的間接雷擊；它也能夠產生過大的跨步電壓和接觸電壓，對人身安全構成威脅。在防雷設計中，暫態電位升高一直是一個倍受重視的問題。由于對暫態電位升高現象的詳細分析計算要涉及到許多較為復雜的內容，本節從基本機理上來討論這

46、一問題。第八十張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月一暫態電位升高與雷電反擊由電路原理可知，暫態電流流過電阻與電感串聯支路時，將會在該支路上產生壓降，支路的總壓降中含電阻上壓降分量和電感上壓降分量。在建筑物遭受雷擊時，雷電流沿防雷裝置中各分支導體流動，經接地體匯入大地。從工程近似的角度，可以把分支導體看成是具有分布電感和電阻的電路，把接地體等值地看做是集中電阻，即接地電阻。于是雷電流流過防雷裝置中各分支導體和接地體時，將會在分支導體的電感、電阻和接地電阻上產生壓降，使防雷裝置中各個部位的對地電位都有不同程度的升高。由于雷電流持續時間很短，這種電位升高現象所持續的時間也很短，所以稱為暫態電

47、位升高。 第八十一張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月為了便于分析防雷裝置中的暫態電位升高現象，先來介紹一下建筑物防雷裝置的基本結構。一般地說，防雷裝置包括三個基本環節，即接閃器、引下線和接地體，如圖3.23所示。接閃器是受雷環節，用于在發生雷擊時直接接受雷電流，常用作接閃器的有避雷針、避雷線、避雷網、避雷帶以及具有足夠厚度的金屬屋面等。引下線是引導雷電流的環節、將雷電流從接閃器引導（分流）到接地體，它常敷設在建筑物墻壁上或設置在建筑體內。接地體是泄散雷電流的環節，它埋在地下的土壤中或設置在混凝土基礎中，把引下線導入的雷電流散進大地，常見的接地體有接地線、接地棒和基礎接地網等。 圖3.

48、23 建筑物防雷裝置結構示意第八十二張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月圖3.24繪出了一座建筑物的簡單防雷裝置，當接閃器受雷接閃時 ，雷電流將沿接閃器注入防雷裝置，并經引下線和接地體匯入大地。在此雷電流的傳輸過程中，防雷裝置中任意一點A處的暫態電位可表示為式中 UAA點對真實地的暫態電位，kV； di/dt雷電流波頭時間變化率，kA/s ；i雷電流，kA； Rg接地體的沖擊接地電阻，；L0引下線單位長度電感，H/m hA點到接地體的長度，m。第八十三張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月由上式可知，防雷裝置中任意一點暫態電位的幅值取決于由雷電流幅值與沖擊接地電阻所決定的電阻壓降

49、和由雷電流波頭陡度與引下線電感所決定的電感壓降。研究表明，電阻壓降和電感壓降使空氣擊穿的電場強度是有差異的，電阻壓降的空氣擊穿場強可近似取為500kV/m。而電感壓降的空氣擊穿場強E則與雷電流的波頭時間有關，它們之間的關系為（3.16）式中 EL電感壓降的空氣擊穿場強，kV/m；f雷電流波頭時間，S。第八十四張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月防雷裝置暫態電位升高使得它的各個部位與周圍不共地的金屬體之間出現暫態電位差。例如在圖3.25 中，引下線附近有一條金屬管道，該管道不與防雷裝置的接地體連接，當建筑物遭受雷擊時，引下線上A點與管道上的B點之間將出現暫態電位差UAB 。在UAB 作用

50、下，如果 A、B兩點之間的間隙距離d滿足下式，則引下線與金屬管道之間的空氣間隙將被擊穿，使管道也帶上高電位。像這樣由暫態電位升高使防雷裝置中的某些部位與周圍金屬體之間發生空氣間隙擊穿的現象稱為雷電反擊。在發生反擊后，被反擊的金屬體帶上高電位，它又有可能繼續對其周圍的其他金屬體反擊，從而可能引發多個金屬體之間的一系列反擊，導致嚴重的設備損壞和人員傷亡。圖3.25 防雷裝置中的暫態電位抬高第八十五張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月在許多情況下，暫態高電位還可以從雷擊處通過一定的渠道傳遞到較遠的地方去，在那里再引起反擊，損壞設備。如圖3.26所示。在該圖中，兩座建筑物的接地通過金屬管道相連

51、，當其中一座建筑物遭受雷擊后，雷電流在該建筑物的接地體接地電阻上將產生暫態壓降，并使該建筑物內接地母線的暫態電位升高。由于金屬管道與該接地母線相連，它也將帶上高電位于是它將作為傳遞渠道將高電位傳遞到另一座建筑物內，使得該處的接地母線（與金屬管道相連）也帶上高電位，導致與接地母線相連的線路很容易對其鄰近的電源線或通信線發生反擊，造成用電設備和通信設備的損壞。圖3.26 暫態高電位的傳遞第八十六張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月暫態電位的抬高往往也會對一些進出屏蔽室的電源線或信號線發生反擊，如圖3.27所 示。在該圖中，出于抗電磁干擾的目的，將某些重要電子設備安置在由致密金屬網編制的封閉

52、的屏蔽室法拉第籠）內，屏蔽室與建筑物接地系統可靠連接，為了讓室內電子設備信號線與遠處電子設備進行信號傳輸，在屏蔽體上開出小孔，供信號線進出。在發生直接雷擊時，雷電流流過屏蔽室接地連線的寄生電感和接地電阻后，將產生很高的暫態壓降，使屏蔽室的暫態電位被抬高，而來自遠處的信號線此時尚處于零電位，則在小孔處，屏蔽體與信號線之間將出現很高的電位差，這種電位差是流過沖擊接地電阻和屏蔽體的雷電流造成的。常規測量線和傳遞信息的信號線僅能耐受數百伏的沖擊電壓，這一高電壓很容易將兩者間氣隙擊穿，使信號線上也帶上高電位，該電位將會直接損壞室內的電子設備，它也將沿信號線傳輸到遠處線路終端，侵害終端處的電子設備。第八十

53、七張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月圖3.27 屏蔽室開孔處的反擊第八十八張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月二、跨步電壓與接觸電壓暫態電位升高不僅對信息系統和電氣設備造成危害，而且也能對人身安全造成威脅。在發生雷擊時，雷電流經接地體散入大地，將在周圍土壤中產生電壓降，使附近地面上不同地 點之間出現電位差。如果人站在這塊具有不均勻電位分布的地面上，則在人的兩腳之間就存在著一定的電壓，如圖3.28所示。在工程上，常將人跨一步的步長取為0.8m,并把把這一距離兩端的電位差稱為跨步電壓。跨步電壓的大小直接關系到地面上行走人員的安全，是防雷圖3.28 跨步電壓與接觸電壓第八十九張，P

54、PT共一百零二頁，創作于2022年6月與接地設計中必須要考慮的一個重要安全指標。它與多種因素有關，如接地體深度、土壤結構、土壤電阻率、雷電流幅值與波頭陡度等。在土壤電阻率小的地方，接地體周圍的暫態電位分布曲線比較平滑，。跨步電壓較小，而在土壤電阻率大的地方，接地體周圍的暫態電位分布曲線比較陡翹，跨步電壓較大。由圖3.28還可看到，越靠近接地體的地方, 跨步電壓越大，當跨步電壓超過允許值時，就會造成人員傷亡。第九十張，PPT共一百零二頁，創作于2022年6月 暫態電位升高不僅會通過跨步電壓來威脅人身安全，而且還會通過人體接觸防雷裝置或與其相連的金屬體而對人身構成危害。如前所述，雷電流在防雷裝置中傳輸會使其各個部位的暫態電位升高，并在接地體周圍形成不均勻的電位分布。當