“感應(yīng)雷”危害
直擊雷的危害,比較容易理解,其防范措施也相對(duì)簡(jiǎn)單明了——避雷針、引下線、接地裝置(當(dāng)然,這里面也有很多的細(xì)節(jié)和要求,也是需要專業(yè)人員來(lái)從事的,在此就不展開了),所以對(duì)直擊雷的防范是比較普及的。
而感應(yīng)雷的危害,則比較抽象,不是那么容易理解。所以要做好感應(yīng)雷的防護(hù),我們需要了解感應(yīng)雷的危害途徑/方式。感應(yīng)雷破壞本質(zhì)是感應(yīng)過(guò)電壓,通常我們稱之為電涌。
首先,電涌可以通過(guò)導(dǎo)體直接傳播,這個(gè)比較好理解,就不解釋了。其次,電涌可以通過(guò)多種耦合途徑產(chǎn)生,不依賴導(dǎo)線的傳播,常見的耦合途徑有以下幾種。
NO.1:電阻耦合(地反擊)
如上圖,兩個(gè)建筑A、B相隔一定的距離,之間有服務(wù)設(shè)施(電源、信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)等線路)連接,而A、B各自獨(dú)立接地。當(dāng)A建筑物上的避雷針接閃后,雷電流經(jīng)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(huì)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(dá)到20kV,而此時(shí)遠(yuǎn)端B處的地電位為0(通常認(rèn)為20m以外的地電位為0,但實(shí)際情況和土壤電阻率以及雷電流大小有關(guān))。這時(shí)A、B之間的瞬時(shí)地電位差達(dá)到20kV。而A、B之間有服務(wù)設(shè)施的連接,如此高的電位差就可能造成絕緣擊穿、設(shè)備損壞。
針對(duì)這種情況,可采取的防范措施:
1、進(jìn)行等電位連接。建筑物A、B原來(lái)是各自獨(dú)立接地的,進(jìn)行等電位連接后,A、B的地電位同時(shí)抬升,兩者之間的地電位差將大幅減小。
2、對(duì)A、B之間的服務(wù)設(shè)施進(jìn)行隔離。不過(guò)這個(gè)辦法一般不適用,因?yàn)楦綦x設(shè)備的隔離電壓存在上限,對(duì)于雷電流引起的高達(dá)數(shù)十千V的電壓,隔離設(shè)備很難達(dá)到這樣的水平。
3、安裝電涌保護(hù)器(SPD)。關(guān)于SPD的原理和應(yīng)用,后續(xù)將進(jìn)行介紹。
NO.2:電感耦合(電磁耦合)
電感性耦合又稱電磁耦合或電磁感應(yīng),它是由于磁場(chǎng)的作用而產(chǎn)生的,產(chǎn)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(dá)到峰值的時(shí)間為μs(10-6s)級(jí),也就是說(shuō)雷電流的變化率di/dt達(dá)到了109數(shù)量級(jí)。引下線由于自感的存在,會(huì)感應(yīng)出強(qiáng)大的電磁脈沖,以反抗電流的快速變化。電磁脈沖不依賴導(dǎo)線就可以在空間進(jìn)行傳播,當(dāng)電磁脈沖通過(guò)各種電源、信號(hào)回路時(shí),又會(huì)感應(yīng)出電涌。
針對(duì)電感耦合,可采取的防范措施:
1、合理布線。
感應(yīng)電勢(shì)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(chǎng)強(qiáng)度,S為環(huán)路面積,θ為磁場(chǎng)與環(huán)路平面夾角。所以我們可以通過(guò)相應(yīng)的辦法來(lái)降低磁通量(變化率):
a) 遠(yuǎn)離干擾源(減小B),
b) 減小環(huán)路面積(減小S),
c) 避免平行布線(減小θ)。平行布線時(shí),磁場(chǎng)方向與環(huán)路是垂直的,θ=90°
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?yàn)閷?dǎo)線經(jīng)過(guò)雙絞之后,任一絞距所形成的環(huán)路的磁通方向與相鄰的環(huán)路磁通方向相反,磁通量互相抵消,所以可以認(rèn)為雙絞線等效環(huán)路面積S接近于0。
3、合理安裝SPD。
NO.3:電容耦合
電容性耦合又稱靜電耦合或靜電感應(yīng),它是由電路間電場(chǎng)的相互作用而產(chǎn)生的,產(chǎn)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(duì)對(duì)地面(或地面上的物體)、高壓線與地面、導(dǎo)線之間等。
針對(duì)電容耦合,可采取相應(yīng)改善措施:
合理布線:避免平行布線;遠(yuǎn)離干擾源。
我們知道,兩個(gè)平板,隔開一定的距離,就構(gòu)成了一個(gè)電容。為了減小電容耦合,我們需要減小信號(hào)回路和干擾源之間的分布電容C。電容大小與電極板正對(duì)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(duì)面積S(改為垂直布線),并增大極板間的距離d(信號(hào)線路遠(yuǎn)離干擾源)。
采用屏蔽線
采用屏蔽線后,感應(yīng)的靜電荷都處在屏蔽層,將屏蔽層接地后(對(duì)于電容耦合,一般采用單端接地),其電位相當(dāng)于0,不會(huì)對(duì)屏蔽層內(nèi)的線路造成干擾。
合理安裝SPD
所以,對(duì)于雷電的防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)性的工程
它不僅需要對(duì)直擊雷進(jìn)行防護(hù)(外部防雷系統(tǒng)),還要對(duì)感應(yīng)雷進(jìn)行防護(hù)(內(nèi)部防雷系統(tǒng))。
在內(nèi)部防雷系統(tǒng)里,SPD是唯一的“產(chǎn)品”,其他都屬于“工程”。SPD本質(zhì)上是一個(gè)“瞬時(shí)等電位連接設(shè)備”,對(duì)于不帶電的導(dǎo)體,如設(shè)備外殼、金屬罐體、管道等,一般直接接地,而對(duì)于帶電導(dǎo)體,如各種電源、信號(hào)線路,必須經(jīng)過(guò)SPD進(jìn)行“瞬時(shí)”接地。
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