防雷技术基础知识

防雷技术基础知识

第一章 雷电基本理论

人们通过模拟地球原始大气在密室中进行放电的实验，结果由无机物合成了11种氨基酸。这些物质的出现，是生命起源的基础，因此，一些生命起源学说认为，是雷电孕育了地球上的生命。同理，地球上空有一层电离层，它是由带正电荷的粒子组成，该电离层起着防止太阳和宇宙空间各种有杀害生命作用的射线进入地面，保护地球上的生命，如果没有这电离层，即使地球上本来已经有的生命，也会被来自太空的各种射线杀死，地球不可能出现现在的繁荣和文明。但是电离层的正电荷以平均约1800A的电流强度向大地放电，可想而知，如果得不到补充，电离层的电荷恨快便会放尽。由于雷电不断补充电离层放电失去的电荷，保持电离层总电荷量大体平衡，使这层生命的保护屏障得以保存，使地球上的生命不致被宇宙射线灭绝。因此，可以说，是雷电促使地球成为文明的星球。从这个角度来讲，人类有今天的文明应该感谢雷电。

由于雷击会给人类带来灾害，因此，人类很早就与雷害进行斗争。其中取得卓越成就的有18世纪中叶著名科学家富兰克林（Franklin）M·B·罗蒙诺索夫（JIOMOHOCOB），L·B·黎赫曼（PHXMAH）。他们通过大量实验建立了雷电学说，认为雷击是云层中大量阴电荷和阳电荷迅速中和而产生的现象；并且创立了避雷理论，发明了避雷针。

我国古籍中，有关雷电理论和避雷实践的记载十分丰富。例如东周时《庄子》上记述：“阴阳分争故为电，阳阴交争故为雷，阴阳错行，天地大骇，于是有雷、有霆。”这些学说与现代的雷电学说是如此相似，不过它比现代雷电学说要早2000多年。在古籍中关于建筑工程中避雷的记载也十分丰富。南北朝的孟奥《北征记》中有如下记述：“凌云台南角一百步，有白石室，名避雷室。”又有盛弦之《荆州记》中记述：“湖阳县春秋蓼国，樊重之邑了，重母畏雷，为立石室，以避之，悉之文石为阶砌，至今犹存。”书中谈及的白石、文石，据分析应该属于绝缘性能较好的石块。至于宋、元、明、清代的建筑物多用“雷公柱”（宋代称枨杆）等措施以避雷。

在古籍中有关雷击的事故的记述就更多了，例如：

《续晋阳春秋》：“太元五年，霹雳含殿四柱，杀内侍二人。” 《晋安帝记》：“义熙三年六月，震太庙鸱尾，彻壁柱，若有文字。” 《晋中兴书征祥说》：“元兴三年，永安王皇后至住巴防，将设威仪入宫，天大雷震，人马多死。”

《沈括·梦溪笔谈》：“内侍李舜举家为暴所震，其堂之西屋雷火自窗间出，赫然出檐。人以为堂屋已焚，皆出避之。及雷止，其舍宛然，墙壁窗纸皆默。有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银铝者，银悉容流在地，漆器不燃灼。有一宝刀，极坚刚，就刀室中容为汁。而室亦俨然。人必谓：当先焚草木，然后流金石，今乃金石皆烁而草木无一毁者，非人情所测。

《齐书·五行志》：“永元三年正月，豫章郡，天火烧三千余家。”

该天火，到底是一般雷击，还是球形雷？未加考证。

以上只是我国古籍关于雷记载中的点滴摘录，当然它与现代雷电理论和避雷技术相比还有差距，但是从历史观点来看，我们的祖先能够在那么早的年代里就创造出那样完整的雷电理论，并且在技术上得到应用，这是我们民族光辉灿烂文化历史的一页。

雷电的成因

通常所谓雷击是指一部分带电的云层与另一部分带异种电荷的云层，或者是带电的云层对大地之间迅猛的放电。这种迅猛的放电过程产生强烈的闪电并伴随巨大的声音。当然，云层之间的放电主要对飞行器有危害，对地面上的建筑物和人、畜没有很大影响。然而，云层对大地的放电，则对建筑物、电子电气设备和人、畜危害甚大，这是我们研究的主要对象。

通常雷击有三种主要形式：其一是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象，叫做“直击雷”。其二是带电云层由于静电感应作用，使地面某一范围带上异种电荷。当直击雷发生以后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以致出现局部高电压，或者由于直击雷放电过程中，强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压以致发生闪击的现象，叫做“二次雷”或称“感应雷”。其三是“球形雷”，将在后面另详细说明。

（1)雷云的形成

不管是直击雷还是感应雷都与带电的云层存在分不开，带电的云

层称为雷云。有关雷云形成的假说很多，但至今尚未有一种被公认为无懈可击的完整学说，这里我们介绍其中被认为比较完善并经常被推荐的假说。

根据大量科学测试可知，地球本身就是一个电容器，通常大了稳定地带负电荷50万C左右，而地球上空存在一个带正电的电离层，这两者之间便形成一个已充电的电容器，它们之间的电压为300KV左右，并且场强为上正下负。

当地面含水蒸气的空气受到炽热的地面烘烤受热而上升，或者较温暖的潮湿空气与冷空气相遇而被垫高都会产生向上的气流。这些含水蒸气的上升时温度逐渐下降形成雨滴、冰雹（称为水成物），这些水成物在地球静电场的作用下被极化（图1-1），

负电荷在上，正电荷在下，它们在重力作用下落下的速度比云滴和冰晶（这二者称为云粒子）要大，因此极化水成物在下落过程中要与云粒子发生碰撞。碰撞的结果是其中一部分云粒子被水成物所捕获，增大了水成物的体积，另一部分未被捕获的被反弹回去。而反弹回去的云粒子带走水成物前端的部分正电荷，使水成物带上负电荷。由于水成物下降的速度快，而云粒子下降的速度慢，因此带正、负两种电荷的微粒逐渐分离（这叫重力分离作用），如果遇到上升气流，云粒子不断上升，分离的作用更加明显。最后形成带正电的云粒子在云的上部，而带负电的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的形式下降到地面。当下面所讲的带电云层一经形成，就形成雷云空间电场，空间电场的方向和地面与电离层之间的电场方向是一致

的，都是上正下负，因而加强了大气的电场强度，使大气中水成物的极化更厉害，在上升气流存在在情况下更加剧重力分离作用，使雷云发展得更快。

从上面的分析，好像雷云总是上层带正电荷，下层带负电荷。实际上气流并不单是只有上下移动，而比这种运动更为复杂。 因此雷云电荷的分布也比上面讲的要复杂得多。

根据科学工作者大量直接观测的结果，典型的雷云中的电荷分布大体如图1.2所示。

科学工作者的测试结果表明，大地被雷击时，多数是负电荷从雷云向大地放电，少数是雷云上的正电荷向大地放电；在一块雷云发生的多次雷击中，最后一次雷击往往是雷云上的正电荷向大地放电。从观测证明，发生正电荷向大地放电的雷击显得特别猛烈。

上面的假说首先是由威尔逊（Wilson）提出的，通常把它叫做威尔逊假说。另外，广州有位唐山樵先生对雷云的形成提出了如下的假说： 雷电的出现是与气流、风速密切相关的，而且与地球磁场也有一定的联系。雷雨云内部的不停运动和相互磨擦而使雷雨云产生大量的正、负电荷的小微粒，即所谓的摩擦生电。这样，庞大的雷雨云就相当于一块带有大量正、负电荷的云块，而这些正、负电荷不断地产生，同时也在不断地的复合，当这些云块在水平方向向东或向西迅速移动时（最大风速可达40m/s），它与地球磁场磁力线产生切割，这就好像导体切割磁力线产生电流一样，云中的正、负电荷将产生定向移动，其移动的方向可按右手定则来判断。若云块是由西向东移动，

而地磁场磁力线则是由地球南极指向地球的北极，因此大量的正电荷向上移动，负电荷向下移动，这样云的下部将积聚越来越多的负电，而云的上部积聚大量的正电，当电场强度达到足够高（25～30KV/cm）时将引起雷云间的强烈放电，或是雷云中的内部放电，或是雷云对地放电，即所谓的雷电。

综上所述，雷电的成因仍为摩擦生电及云块切割磁力线，把不同电荷进一步分离。由此可见，雷电的成因或者说主要能源来自于大气的运动，没有这些运动，是不会有雷电的。这也说明了为什么雷电总伴随着狂风骤雨而出现。

(2)电离层与地面间的电荷平衡

上面说过，地球是一个表面带负电荷的球体，并且它所带的负电荷量长期稳定在5×105C水平，而在地球上空的电离层上则带有相等的正电荷，使电离层与地面之间的电压约300KV。因而在电离层与地面之间存在一个电场，晴天时在地面附件的电场强度为120V/m。即使在晴天时，大气中总有一些空气分子被电离。

在电场的作用下造成放电电流。根据观测和计算的结果表明，全地球该放电电流强度为1800A，如果长期如此，电离层与地面之间的电荷将很快放电完毕；然而事实上，它们之间大致长期保持恒定的电量和电压，这主要由于雷暴的形成和雷击，把正电荷从大地送回到电离层，起到对电离的正电荷充电的作用。根据卫星观测资料及电学观测资料估计，在任何一时刻全地球表面上连续发生着大约1000个

雷暴，从而使电离层与大地之间的电场保持稳定。见图1-3

(3)尖端放电与雷击

由物理学可知，通常物体内部的正电荷和负电荷是相等的，所以从整体来看不显示带电现象，当某一物体所具有的正、负电荷不相等时，这个物体就显示带电的特性，当物体内部的正电荷多于负电荷，物体带正电，反之带负电。由于电荷都有异性相吸、同性相斥的特性，所以带电物体中的同性电荷总是受到互相排斥的电场力作用。以一个如图1。4那样的带尖锋的金属球为例，假如金属球带上负电（同理也可以解释带上正电），由于电荷同性相斥的作用，电子总是分布到金属球的最外层表面，并且有“逃离”金属球表面的趋势。球带尖锋部分的电子受到同性电荷往外排斥力最强，故最容易被排斥离开金属球，这就是通常说的“尖端放电”。此外当带电物体周围的空气越潮湿或带有与带电体相反电荷的离子时，带电体也越易放电。

当天空中有雷云的时候，因雷云带有大量电荷，由于静电感应作用，雷云下方的地面和地面上的物体都带上与雷云相反的电荷。雷云与其下方的地面就成为一个已充电的电容器，当雷云与地面之间的电压高到一定的时候，地面上突出的物体比较明显地放电。同时，天空带电的雷云在电场的作用下，少数带电的云粒（或水成物）也向地面靠拢，这些少数带电微粒的靠拢，叫做先驱注流，又叫电流先导。先驱注流的延续将形成电离的微弱导通，这一阶段称为先驱放电。 开始产生的先驱放电是不连续的，是一个一个脉冲地相继向前发展。它发展的平均速度为105～106m/s各脉冲间隔约30～90us，

每阶段推进约50 m。先驱放电常常表现为分枝状，这是由于放电是沿着空气电离最强、最容易导电的路径发展的。这些分枝状的先驱放电通常只有一条放电分支达到大地。

当先驱放电到达大地，或与大地放电迎面会合以后，就开始主放阶段，这就是雷击。在主放电中雷云与大地之间所聚集的大量电荷，通过先驱放电所开辟的狭小电离通道发生猛烈的电荷中和，放出能量，以至发出强烈的闪光和震耳的轰鸣。在雷击中，雷击点有巨大的电流流过。大多数雷电流峰值为几十KA，也有少数上百KA以至几百KA的。雷电流峰值的大小与土壤电阻率的大小成减函数关系，即土壤电阻率高，则雷电流峰值小；土壤电阻率低，、则雷电流峰值大。 雷电流大多数是重复的，通常一次雷电包括3～4次放电。重复放电都是沿着第一次放电通路发展的。雷电之所以重复发生，是由于雷云非常之大，它各部分密度不完相同，导电性能也不一样，所以它所包含的电荷不能一次放完，第一次放电是由雷云最低层发出的，随后放电是从较高云层、或相邻区发出的。一次放电全部时间可达十分之几秒。

雷击闪电的特性

(1)雷电流的特性

雷电破坏作用与峰值电流及其波形有最密切的关系。雷击的发生、雷电流大小与许多因数有关，其中主要的有地理位置、地质条件、季节和气象。其中气象情况有很大的随机性，因此研究雷电流大多数

采取大量观测记录，用统计的方法寻找出它的概率分布的方法。根据资料表明，各次雷击闪电电流大小和波形差别很大。尤其是不同种类放电差别更大。为此有必要作如下说明。

由典型的雷雨云电荷分布可知，雷雨云下部带负电，而上部带正电。根据云层带电极性来定义雷电流的极性时，云层带正电荷对地放电称为正闪电，而云层带负电荷对地放电称为负闪电。正闪电时正电荷由云到地，为正值，负闪电时负电荷由云到地，故为负值。云层对地是否发生闪电，取决于云体的电荷量及对地高度或者说云地间的电场强度。

云地间放电形成的先导是从云层内的电荷中心伸向地面。这叫做向下先导。其最大电场强度出现在云体的下边缘或地上高耸的物体顶端。雷电先导也可能是从接地体向云层推进的向上先导。因此，可以把闪分成四类，只沿着先导方向发生电荷中和的闪电叫无回击闪电。当发生先导放电之后还出现逆先导方向放电的现象，称为有回击闪电。

上面讲到一次雷击大多数分成3～4次放电，一般是第一次放电的电流最大，正闪电的电流比负闪电的电流大。这可以从图1.2典型的雷雨云中的电荷分布得到理解。

电流上升率数据对避雷保护问题极其重要，最大电流上升率出现在紧靠峰值电流之前。习惯上用电流波形起始时刻至幅值下降为半幅值的时间间隔来表征雷电流脉冲部分的波长。雷电流的大小与许多因

素有关，各地区有很大区别，一般平原地区比山地雷电流大，正闪电比负闪电大，第一闪击比随后闪击大。

(2)闪电的电荷量

闪电电荷是指一次闪电中正电荷与负电荷中和的数量。这个数量直接反映一次闪电放出的能量，也就是一次闪电的破坏力。闪电电荷的多少是由雷云带电情况决定的，所以它又与地理条件和气象情况有关，也存在很大的随机性。从大量观测数据表明，一次闪电放电电荷Q可从零点几库仑到1000多库仑。然而在一次雷击中，在同一地区它们的数量分布符合概率的正态分布。第一次负闪击的放电量在10多库仑者居多。

一朵雷云是否会向大地发生闪击，由几个基本因素决定，其一是云层带电荷多少，其二是把云层与大地之间形成的电容模拟为平板电容时，它对大地的电容是多少。当然这个模拟电容两极之间的电压就是由电容和带电量决定的。当这个模拟电容内的电位梯度du/dl达到闪击值时就会发生闪击。当闪击一旦发生，云地之间即发生急剧的电荷中和。

雷电之所以破坏性很强，主要是因为它把雷云蕴藏的能量在短短的几十μｓ放出来，从瞬间功率来讲，它是巨大的。但据有关资料计算，每次闪击发出的能量只相当燃烧几千克石油所放出的能量而已。

(3)雷电波的频谱分析

雷电波频谱是研究避雷的重要依据。从雷电波频谱结构可以获悉雷电波电压、电流的能量在各频段的分布，根据这些数据可以估算通

信系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，进而确定避雷措施；在电力系统中，了解雷电波频谱分析在避雷工程中，也可以根据其分析结果，用最小的投资，达到足够安全的效果。

虽然各种雷电波总体的轮廓相似，但是每一次雷电闪击的电流（电压）波形仍然存在很大的随机性。

雷云向大地或雷云之间剧烈放电的现象称为闪击（这里以讨论前者为主），带负电荷的雷云向大地放电为负闪击，带正电荷的雷云向大地放电为正闪击，雷云对大地放电多为负闪击，其电流峰值以20~50KA居多。正闪击比负闪击猛烈，其电流幅值往往在100KA以上，我国黑龙江省近年曾发生过300KA正电荷闪击记录（通常200KA以上属少见）。

雷电活动及雷击的选择性

(1)雷电活动及雷电活动日

雷电活动从季节来讲以夏季最活跃，冬季最少，从地区分布来讲是赤道附近最活跃，随纬度升高而减少，极地最少。

评价某一地区雷电活动的强弱，通常用两种方法。其中一种是习惯使用的“雷电日” ，即以一年当中该地区有多少天发生耳朵能听到雷鸣来表示该地区的雷电活动强弱，雷电日的天数越多，表示该地区雷电活动越强，反之则越弱。我国平均雷电日的分布，大致可以划分为四个区域，西北地区一般15日以下；长江以北大部分地区（包括东北）平均雷电日在15?0日之间；长江以南地区平均雷电日达40日以上；北纬23°以南地区平均雷电日达80日。广东的雷州半岛地

区及海南省，是我国雷电活动最剧烈的地区，年平均雷电日高达120--130日。总的来说，我国是雷电活动很强的国家。

因为人们耳朵能听到的雷声，一般距离只能在15km左右，更远的雷声一般就听不到了，所以雷电日只能反映局部地区雷电活动情况。

还有一些科学家认为用雷电日表征一个地区雷电活动不够准确，因为一天当中听到一次雷声就算一个雷电日，而一次当中听到1000次雷声也算一个雷电日，并且认为测试地区以1000k㎡范围内发生的闪击次数来统计，这样就得出一种新的评价雷电活动的方法，叫雷闪频数。也就是说雷闪频数是1000k㎡内一年共发生的闪击数（也可以用每1k㎡一年内雷击次数为单位）。显然以1000k㎡作为一个地区单位来评价雷电活动的情况，对航空、航海、气象、通信等现代技术更为适合。然而它的测试方法只能借助于无线电，用耳朵来听是无能为力的。而对于建筑行业防雷，用雷电日单位己足够准确，并且大量观测统计资料表明，一个地区的雷闪频数与雷电话动日成线性关系，所以两种统计方法是没有矛盾的。

(2)雷击的选择

年平均雷电日这一数字只能给人们提供概略的情况。事实上，即使在同一地区内，雷电活动也有所不同，有些局部地区，雷击要比邻近地区多得多。如广州的沙河，北京的十三陵等地。我们称这些地方为该地区的“雷击区” 。

雷击区与地质结构有关。苏联H﹒C﹒斯捷柯里尼科夫

（CTehojhkob）曾用模拟试验的研究方法证明，如果地面土壤电阻率的分布不均匀，则在电阻率特别小的地区，雷击的几率较大。这就是在同一区域内雷击分布还是不均匀的原因。

这种现象我们称之为“雷击选择性” 。试验结果证明，雷击位置经常在土壤电阻率较小的土壤上，而电阻率较大的多岩石土壤被击中的机会很小。这是因为在雷电先驱放电阶段中，地中的电导电流主要是沿着电阻率较小的路径流通，使地面电阻率较小的区域被感应而积累了大量与雷云相反的异性电荷，雷电自然就朝这些地区发展。

根据H。那林达（Norinder）,O.沙卡(Salka)和上面提到的H.C.斯捷柯尼科夫的试验结果和实际调查资料证明：

土壤电阻率较大的山区和平原，雷电选择性都比较明显；雷击经常发生在有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、山坡与稻田接壤的地上和具有不同电阻率土壤的交界地段。

在湖沼、低洼地区和地下水位高的地方也容易遭受雷击。此外地面上的设施情况，也是影响雷击选择性的重要因素。

当放电通道发展到离地面不远的空中时，电场受地面物体影响而发生畸变。如果地面上有一座较高的尖顶建筑物，例如一座很高的铁塔，由于这些建筑物的尖顶具有较大的电场强度，雷电先驱自然会被吸引向这些建筑物，这就是高耸突出的建筑物容易遭受雷击的缘故。 在旷野，即使建筑物并不高，但是由于它是比较孤立、突出，因此也比较容易遭受雷击。调查结果表明，在田野里供休息的凉亭、草棚、水车棚等遭受雷击的事故是很多的。

从烟囱冒出的热气柱和烟囱常含有大量导电微粒和游离分子气团，它们比一般空气易于导电，这就等于加高了烟囱的高度，这也是烟囱易于遭受雷击的原因之一。因此，在一支较高的烟囱附近，如果有一支较低的烟囱，在高烟囱不冒烟而低烟囱冒烟的情况下，雷电往往直接击在低烟囱上。所以在高低两条烟囱并排时，即使低烟囱在高烟囱雷电保护范围之内，但仍然要求两条烟囱都要装避雷装置。 建筑的结构、内部设备情况和状态，对雷击选择性都有很大关系。金属结构的建筑物、内部有大型金属体的厂房，或者内部经常潮湿的房屋，如牲畜棚等，由于具有很好的导电性，都比较容易遭受雷击。 上面所谈到的这些雷电选择性，仅仅是一些常见的例子，很不全面，但它已经给我们提供了雷击选择性的资料，因而对防雷工作有重要的意义。据此我们可以决定哪些地区、哪些建筑物应该加避雷装置，而另一些地区、建筑物在防雷投资上可以少花一些或甚至不必花费投资。

在同一区域内雷击分布不均匀的现象，我们称之为“雷击选择性”。 雷灾事故的历史资料统计和实验研究证明，雷击的地点以及遭受雷击的部位是有一定规律的，因此掌握这些规律对预防雷击有很重要的意义。同一区域容易遭受雷击的地点和部位有：

易遭雷击的地点：

土壤电阻率较小的地方，如有金属矿床的地区、河岸、地下水出口处、湖沼、低洼地区和地下水位高的地方；

山坡与稻田接壤处；

具有不同电阻率土壤的交界地段。

易遭受雷击的建（构）筑物：

高耸突出的建筑物，如水塔、电视塔、高楼等；

排出导电尘埃、废气热气柱的厂房、管道等；

内部有大量金属设备的厂房；

地下水位高或有金属矿床等地区的建（构）筑物；

孤立、突出在旷野的建（构）筑物。

同一建（构）筑物易遭受雷击的部位：

平屋面和坡度≤1/10的屋面，檐角、女儿墙和屋檐；

坡屋度＞1/10且＜1/2的屋面；屋角、屋脊、檐角和屋檐； 坡度＞1/2的屋面、屋角、屋脊和檐角；

建（构）筑物屋面突出部位，如烟囱、管道、广告牌等。 雷电的破坏作用

当人类社会进入电子信息时代后，雷灾出现特点与以往有极大的不同，可以概括为：

（1）受灾面大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业，特点是与高新技术关系最密切的领域，如航天、航空、国防邮电通信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等；

（2）从二维空间入侵变为三维空间入侵。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无空不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击雷、感应雷进入防雷电电磁脉冲（LEMP）。前面是指雷电的受灾行业面扩大了，这儿指雷

电灾害的空间范围扩大了。例如二000年七月二十五日14点40分左右，一次闪电造成漕宝路桂菁路附近二家单位同时受到雷灾，而不是以往的一次闪电只是一个建筑物受损。

（3）雷灾的经济损失和危害程度大大增加了，它袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大，而由此产生的间接经济损失和影响就难以估计。例如一九九九年八月二十七日凌晨2点，某寻呼台遭受雷击，导致该台中断寻呼数小时，其直接损失是有限的，但间接损失将大大超过直接损失。

（4）产生上述特点的根本原因，也就是关键性的特点是雷灾的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电的本身并没有变，而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术的应用渗透到各种生产和生活领域，微电子器件极端灵敏，这一特点很容易受到无孔不入的LEMP的作用，造成微电子设备的失控或者损坏。

为此，当今时代的防雷工作的重要性、迫切性、复杂性大大增加了，雷电的防御已从直击雷防护到系统防护，我们必须站到历史时代的新高度来认识和研究现代防雷技术，提高人类对雷灾防御的综合能力。

第二章 外部防雷系统

外部防雷系统由接闪器（避雷针）、引下线、接地地网等有机组成。缺一不可。下面分别对以上三个主要因素的相关技术及安装进行描述。

主要讲本部分的内容是对建筑物外部空气如何截雷，把雷电流向

大地中泄放的问题。

本部分的内容提要是：

(1)接闪器：避雷针、避雷线、避雷带、避雷网

(2)避雷带和避雷网的结构设计

(3)接闪器的选择和布置

接闪器

直接截受雷击，以及用作接闪的器具、金属构件和金属屋面等，称之为接闪器。功能是把接引来的雷电流，通过引下线和接地装置因如大地中泄放，保护建筑物免受雷害。

从公元1753年，富兰克林发明了避雷针以来，避雷针作为接闪器唯一的形式，延续了上百年的历史，从十九世纪以后，逐渐有出现了避雷线、避雷带和避雷网。其分类如下：避雷针、避雷线 、避雷带 、避雷网, 下面逐一介绍。

避雷针

尖端放电

由物理学可知，通常物体内部的正电荷和负电荷是相等的，所以从整体来看不显示带电现象。当某一物体所具有的正、负电荷不相等时，这个物体就显示带电的特性。当物体内部的正电

荷多于负电荷时，物体带正电，反之带负电。由于电荷都有异性相吸、同性相斥的特性，所以带电物体中的同性电荷总是受到相互排斥电场力的作用。以图中带尖锋的金属球为例，假如金属球上带负电（同样也可以理解带上正电），由于电荷同性相斥的作用，电子总是

分布到金属球的最外层表面，并且容易逃离金属球。球的尖锋部分，电子受到同性电荷往外排斥力最强，最容易被排斥离开金属球，这就是通常说的“尖端放电”。

公元1749年4月29日，富兰克林在给约翰·米西尔（John Mitchel）的信中提出了，云层由于不断受到蒸汽摩擦而带电的看法，他认为"当带电的云块飘过田野、掠过高山、巨树、耸立的高塔、尖屋顶、船舶桅杆、烟筒等物的时候，拖曳出电火，正如许多尖导体和突出物产生的现象一样，整个云层就在那里放出电来"由此，他提出了避雷针的设想。他说：既然尖导体可以把一个离它很远的带电体上的电荷释放掉，避免它对其他物体产生电击，那麽尖导体对于人类可能有些用处。于是他建议将一根上端尖锐并涂有防锈层的铁杆安装在房屋的最高处，并用导线接在它的下端，沿着墙壁直通到地下。在海船上则把铁杆固定在桅杆顶端，用导线连接向下直通入水中。它们就能在云层将要产生电击的千钧一发之际，静悄悄地把电从云中吸走，因而使我们免受最突然、最骇人的悲剧。富兰克林详细描述避雷针的装置，并正式宣布它是在1753年。

避雷针的英文名字Lightning rod，直译为"闪电棍"更准确些，本无避免雷击之意。这个名词望文生义就会产生误解。我们国内许多物理课本，甚至大学的教课书也把避雷针的原理说成是靠尖端放电中和云层电荷从而消除闪电的，这是错误的。实际上，在富兰克林发明避雷针的时候，提出了两种避雷针工作机理的解析；第一种解析认为，避雷针是靠其针尖电晕放电发出与雷雨云相反的电荷，使雷雨云的电

荷得到中和，从而免除建筑物的雷害。第二种解析认为，避雷针是靠把雷雨云所带的异种电荷引导到自身上来，通过良好的接地装置，把雷电流泄入大地，保护建筑物不受雷击。至1753年富兰克林明确倾向于避雷针引雷的理论了，所以说避雷针是靠尖端放电消除闪电而能避雷的提法是错误的，避雷针是消除不了闪电的。

工作原理

雷雨云形成以后对大地的电压，低则几百万伏，高则数千伏甚至更高，雷雨云对大地的一次闪击放电的峰值电流平均为30多KA，它的瞬时功率为109-1012W以上。由于瞬时功率很大，所以它的破坏力是相当大的。

当高空出现雷雨云的时候，大地上由于静电感应作用，必然带上与雷雨云相反的电荷，避雷针处于地面建筑物的最高处，与雷雨云的距离最近，由于它与有良好的电气连接，所以它于大地有相同的电位，使避雷针附近空间的电场强度比较大，容易吸引雷电先驱，使主放电都集中到它的上面，从而保护附近比它低的物体遭受雷击的几率大大减少。而避雷针被雷击的几率却大大的提高。避雷针不但不能避雷反而引雷，它是自身的多受雷击而保护周围免受雷击。

由于避雷针与大地有良好的电气连接，能把大地积存的电荷能量迅速传递到雷雨云层中泄放；或把雷雨云层中积存的电荷能量传递到大地中泄放，使雷击而造成的过电压时间大大的缩短，从很大程度上降低了雷击的危害性，这就是避雷针的工作原理。

但需要说明，避雷针必须有足够可靠，并且有接地电阻尽量小的引下

线接地装置与其配套，否则，它不但起不到避雷的作用，反而增大雷击的损害程度。

避雷针保护范围的计算方法

目前世界各国关于避雷针保护范围的计算公式在形式上各有不同，大体上有如下几种

计算方法：

1、 折线法：即单一避雷针的保护范围为一折线圆锥体。

2、 曲线法：即单支避雷针的保护范围为一曲线锥体。

3、 直线法：是以避雷针的针尖为顶点作一俯角来确定，有爆炸危险的建筑物用45°角，对一般建筑物采用60°角，实质上保护范围为一直线圆锥体。

自1983年起，我国正式制定了自己的防雷规范。目前我国建筑防雷规范GB50057-94也采纳了国际电工委员（IEC）推荐的"滚球法"作为避雷针保护范围的计算方法。

避雷针的制作规格

由大量模拟实验和实际调查统计资料表明，避雷针的外表形状与其避雷效果无明显的关系，所以，不必过多考虑采用单针式或者其他形式造型的避雷针。

避雷针宜采用圆钢或钢管制成，其直径不应小于下列数值： 针长1m以下： 圆钢为12mm 钢管为20mm

针长1-2m： 圆钢为16mm 钢管为25mm

烟囱顶上的针： 圆钢为20mm 钢管为40mm (见GB50057-94.

第四章)

主动式避雷针

近来国内市场经销一种叫主动式避雷针的产品，主要有来自法国和澳大利亚的产品，据厂家称，这此产品能够随大气电场变化而吸收能量，当存储的能量达到某一程度时，便会在避雷针尖放电，尖端周围空气离子化，使避雷针上方形成一条人工的向上的雷电先导，它比自然的向上的雷电通道能更早的于雷雨云向下的雷电先导接触，形成主放电通道。这样，一方面可以使雷雨云靠该避雷针放电的几率增加，相当于避雷针的保护范围加大，或者相当于将避雷针加高。 避雷线

接闪器最初的形式只是富兰克林所设计的磨尖的铁棒。20世纪初，在电力系统，为了使输电线路少受雷击，采用了在输电线路上方架设平行的钢线避雷的方法，在实用中，由于它简单有效，逐步得到了推广。这种架设在输电线路上方的钢线，称之为避雷线。后来在房屋建筑上也推广了这种形式，开始布设在方脊、屋角、房檐等处作雷电保护，以后这种方式又有所改进。

避雷带

在房屋建筑雷电保护上，用扁平的金属带代替钢线接闪的方法称之为避雷带，它是由避雷线改进而来。在城市高大楼房上，使用避雷带比避雷针有较多的优点，它可以与楼房顶的装饰结合起来，可以与房屋的外形较好的配合，即美观防雷效果又好，特别是大面积的建筑，它的保护范围大而有效，这是避雷针所无法比的。避雷带的制作，采

用扁钢，截面积不小于48mm2，其厚度不应小于4mm。

避雷网

避雷网是指利用钢筋混凝土结构中的钢筋网作为雷电保护的方法（必要时还可以辅助避雷网），也叫做暗装避雷网。它是根据古典电学中法拉第笼的原理达到雷电保护的金属导电体网络。

暗装避雷网是把最上层屋顶作为接闪设备。根据一般建筑物的结构，钢筋距面层只有6-7cm，面层愈薄，雷击点的洞愈小。但有些建筑物的防水层和隔热层较厚，入彀钢筋距面层厚度大于20cm，最好另装辅助避雷网。辅助避雷网一般可用直径为6mm或以上的镀锌圆钢，网格大小可根据建筑物重要性，分别采用5m′5m或10m′10m的圆钢制成。避雷网又分明网和暗网，其网格越密可靠性越好。 建筑物顶上往往有许多突出物，如金属旗杆、透气管、钢爬梯、金属烟囱、风窗、金属天沟等，都必须与避雷网焊成一体做接闪装置。在非混凝土结构的建筑物上，可采用明装避雷网。做法是首先在屋脊、屋檐等到顶的突出边缘部分装设避雷带主网，再在主网上加搭辅助网。

避雷带和避雷网的结构设计

避雷带和避雷网一般采用圆钢或扁钢，其尺寸不应小于下列数值：

圆钢直径为8mm，扁钢截面积为48mm2，扁钢厚度为4mm。 避雷线一般采用截面积不小于35mm2的镀锌钢绞线架设。

安装避雷带和避雷网要注意下面事项：

1、避雷带及其连接线经过沉降沟（沉降沟：一座较长的多层建筑物，往往在横向上把建筑物分成几段，段与段之间留有一段空隙，防止各段下沉不一致，引起建筑物损坏）时，应备有10-20cm以上的伸缩余裕的跨越线。

2、 有女儿墙的平顶房屋，其宽度小于24m时，只须沿女儿墙上部敷设避雷带；宽度大于24m时，须在房面上两条避雷带之间加装明装连接条，连接条的间距不大于20m时，只在屋檐上装避雷带；宽度大于20m时，需在屋面上加装明装连接条，连接条间距不大于20m。

3、瓦顶房屋面坡度为27°-35°，长度不超过75m时，只沿屋脊敷设避雷带。四坡顶房屋，应在各坡脊上装上避雷带。为使檐角得到保护，应在屋角上装短避雷针或将避雷带的引下线从檐角上绕下来。如果屋檐高度高于12m，且长度大于75m时，要在屋脊和房檐上都敷设避雷带。

4、当屋顶面积非常大时，应敷设金属网格，即避雷网。避雷网分明网和暗网，网格越密，可靠性越好，网格的密度视建筑物重要程度而定，重要建筑物采用5′5m的密网格，一般建筑物用20′20m的网格即可。

在非混凝土结构的建筑物上，可采用明装避雷网。做法是首先在屋脊、房檐等到顶的突出边缘部分装设避雷带主网，再在主网上加搭辅助网，避雷网格大小按上述要求。采用避雷带和避雷网保护时，屋

顶上的烟囱、混凝土女儿墙、排气楼、天窗及建筑装饰等突出于屋顶上部的结构物和其他突出部分，都要装设短避雷针或避雷带保护，或暗装防护线，并连接到就近避雷带或避雷网上。对金属旗杆、金属烟囱、钢爬梯、风帽、透气管等必须与就近的避雷带、避雷网焊接。

采用避雷带和避雷网保护时，每一座房屋至少有两根引下线（投影面积小于50m2的建筑物可只用一根）。避雷引下线最好对称布置，例如两根引下线成"一"字或"Z"字形，四根引下线要做成"工"字形，引下线间距离不应大于20m，当大于20m时，应在中间多引一根引下线。见《雷电与避雷工程的避雷带和避雷网的结构设计》

接闪器的选择和布置

合理设计的接闪器将显著地减少雷电击中需要防雷空间的可能性。

只有将防雷装置的设计与建筑结构设计同时进行时，才能在技术和经济上得到最优化的组合。特别是在设计建筑物时，就应充分利用建筑物的金属物作为防雷装置的诸部分之用。

接闪器可由以下一种或多种组成选择：

1) 独立避雷针；

2) 架空避雷线或架空避雷网；

3) 直接装设在建筑物上的避雷针、避雷带或避雷网。

接闪器的布置：

GB50057-94 接闪器布置应符合下表的规定：

建筑物防雷类别滚 球半径hr(M) 避雷网网格尺寸（M）

第一类防雷建筑物 30

第二类防雷建筑物 45

第三类防雷建筑物 60

布置接闪器时，可单独或任意组合采用滚球法避雷网。

滚球法：滚球法是以hr为半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物）或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物），而不触及需要保护的部位时，该部分就得到接闪器的保护。

IEC1024-1：1990 当符合下表的要求时，接闪器的布置就是合适的。按照保护级别布置接闪器

就设计接闪器系统而言，下列方法可单独使用，也可结合使用，只要接闪装置不同部分所提供的保护区能相互衔接，并确保建筑物得到完全的保护就行（见IEC1024-1第2.1.2条）：

--保护角法：

--滚球法：

--网格法：

所有这三种方法都可用于独立、半独立和非独立的防雷系统的设计。

1、 保护角法：接闪导体、避雷针、避雷杆塔和避雷线的位置，应使被保护建筑物的各个部分都处于由接闪装置导体上的各点以""角朝四面八方向地面投影所形成的轨迹面之内。保护角法有几何局

限。

2、滚球法：对具有复杂几何形状的建筑物，或当IEC1024-1的表1排除采用保护角法时，应采用滚球法来确定建筑物的面积和各部分的保护空间。"滚球"半径应符合所选择的防雷系统保护等级。

滚球法是在建筑物上才利用半径为"R"的球，绕建筑物滚动，直到碰到地平面，或碰到与地平面接触且能用作雷电导体的任何永久性建筑物或物体为止。在滚动接触建筑物的地方便有可能受到雷击。在这样的点和地段处，就需要由接闪导体来提供防雷保护。

防雷系统的保护空间就是"滚球"接触该导体并作用于建筑物时并未穿过的那块空间的体积。保护等级和防雷系统的安装成本随所选滚球的尺寸的缩小而增加。

3、 网格法：接闪导体或屋顶导体应形成一个闭合多边形，其周边应靠近屋顶的边缘布设。这种多边形接闪装置应通过增设相互连接的横向接闪导线来完善，以形成符合IEC1024-1表1要求的网格。

选型程序：

(1)评估保护级数；

(2)选择合适的保护半径；

在地球上所处径、纬度的不同Na也不同。

评估保护级数

1、查出当地的雷电密度Na 我国北方地区一般为4，可查图而来。

理论上 1）建筑物的重要程度；

2）建筑物的危险程度；

现场记录风险内容： 3）建筑物的人员密度；

4）建筑物的构筑位置；

5）建筑物的建筑结构；

6）建筑物所在地的雷电密度；

2、做工地现场勘察

实际上：根据多年的实践经验，在实际运用上，多采用1类。查出滚球法半径D。

3、计算和选择合适的保护半径：根据上列Rp= h (2 hr – h ) 公式，设计人员需考虑所选择避雷针的型号，其保护半径将能覆盖在不同垂直距离上的受保护平面。

避雷针选型确定以后，安装时应注意以下事项：

a.砖木结构的房屋，可把避雷针敷设在山墙顶部或屋脊上，用抱箍或对锁坶丝固定于梁上，固定部分的长度为针高的1/3。也可以将避雷针嵌于砖墙或水泥中，为了结构的坚固，插在砖墙中的部分为针高的1/3，插在水泥中部分约为针高的1/4-1/5。

b.对于平顶屋上的避雷针应安上底座与屋顶层连接，并用螺丝紧固好。

引下线

连接接闪器与接地装置的金属导体称为引下线。

雷击时引下线上有很大的雷电流流过，会对附近接地的设备、金属管道、电源线等产生反击或旁侧闪击。为了减少和避免这种反击，

现代建筑利用建筑物的柱筋作避雷引下线，经过实践证明这种方法不但可行，而且比专门引下线有更多的优点，因为柱钢筋与木梁、楼板的钢筋，都是连接在一起的和接地网络形成一个整体的"法拉第"笼，均处于等电位状态。雷电流会很快被分散掉，可以避免发击和旁侧闪击的现象发生。

关于引下线，"规范"作如下规定：《GB50057-94》引下线一般采用圆钢或扁钢，其尺寸不小于下列数值：

圆钢直径为 8mm；扁钢截面为 48mm2；扁钢厚度为 4mm。 装在烟囱上的引下线其尺寸不小于：圆钢直径?12mm；扁钢厚度为4mm，截面积为100mm2。

所有引下线要镀锌或涂漆，在腐蚀性较强场所，还应加大截面积或采取其他防腐措施。

引下线的固定支撑点间隔不得大于1.5-2m，引下线的敷设应保持一定的松紧度，不能拉的太紧，以免热胀冷缩而拉断。

为了减少引下线的电感量，引下线应沿最短接地路径敷设。对于建筑艺术要求较高的建筑物，引下线可采用暗敷设，但截面要加大。

由于建筑物的造型不同，不能做直线引下时，应注意弯曲开口处两点间的直线距离不得等于或小于弯曲部分线段的实际长度的0.1倍，一般弯曲处不用锐角尽量避免用直角。

引下线应装在人员不易碰到的隐蔽地点，以防接触电压的危害。 距地面2M以内的引下线，应有良好的保护，用瓷管或耐阳光的塑料管套住，避免人或动物触碰。

为便于检查避雷设施连接导体的导电情况和接地体的散流电阻，要在每根引下线上做断接卡子，断接卡子"规范"规定距地面最高为

1.8M。暗装引下线也应在相应的地方做断接卡子接线盒。（利用混凝土柱钢筋做引下线时，不必做断接卡子，但必须引出测量线端子外露墙面）断接卡子必须镀锌，并保护接触面严密，接触面不得小于10mm2卡接母丝直径必须大于8mm，卡接母丝上应套有弹簧垫圈。

第三章 内部防雷系统

构筑和作用于建筑物内部的防雷工程称内部防雷工程。

内部防雷工程主要有屏蔽、防雷器和等电位连接三部分组成。 建筑物内部防雷工程涉及面较宽，面对的是包括感应雷、球雷、传导雷或因线路上浪涌高电压所造成电网波动在内的众多损害，归纳起来危害最大的主要方面是高电压引入。

高电压引入是指雷电高电压通过金属线引导到其他地方和室内造成破坏的雷害现象。高电压引入的电源有三种：其一是直击雷直接击中金属导线，让高压雷电以波的形式沿着导线两边传播而引入室内；第二种是来自感应雷的高电压脉冲，即由于雷雨云对大地放电；或雷雨云之间迅速放电形成的静电感应和电磁感应，感生出几KV到几十KV至数百KV的地电位反击，这种反击会沿着电力系统的零线，保护接地线和各种形式的接地线，以波的形式传入室内或传播到更大的室内范围，造成大面积的危害。

雷击电子设备的途径和损坏机理

雷击电子设备的途径，雷击电子设备的途径可分为三种情况：

(一)雷电直接击中电子设备网络物理

落雷点为电源高电压侧,雷电沿供电线路侵入到电子设备系统供电部分,产生过电流与过电压造成网络供电系统的UPS电源损坏、断电、致使整个系统瘫痪。

雷电直击网络无线通信的天线，沿天馈进入网络系统，造成通信接口、接收系统、室内单元、路由器等网络主要通信设备损坏?

雷击网络通信有线线路（如光缆、DDN、帧中继、Ｘ.25专线、电话线）产生强大的机械力，猛烈的冲击波，炽热的高温使通信线路

损坏；过电压过电流沿通信有线线路侵入到网络系统内，造成路由器、交换机及前端设备的损坏。

(二)感应过电压

１．回路感应过电压

由于网络系统在建筑物内大量布设各种导体线路（如电源线、数据通信线、天馈线），这些线路网络结构布局错综复杂，在建筑物内部的不同空间位置上构成许多回路，当建筑物遭雷击或邻近地区雷电放电时，将在建筑物内部空间产生脉冲暂态磁场，这种快速变化的磁场交链这些回路后，将在回路中感应出暂态过电压，危及与这回路相接的电子设备。

２．线路感应过电压

是网络通信线路上感应过电压，分静电感应与电磁感应

１）静电感应主要是指架空线路设于雷击点附近，由雷云团先导

通道中充满电荷，对架空线产生静电感应作用累积大量相反电荷，当雷云主放电开始，雷云中电荷速中和，从而使架空线上原先被束缚的电荷被速释放，形成暂态过电压波。这种波以接近光速向架空线两测传播，侵入导线路端接的网络设备将其损坏。

２）当雷电直接击在避雷针、避雷带上时，由于雷电流幅值大，波头陡度高，在雷电流的通道附近形成一个很强的感应电磁场。这强大的感应电磁场将直接感应在电源 线或网络通信设备上，形成感应过电压侵入到网络系统中，损坏网络设备。高强度（30KA雷电流）雷电放电可以对距离雷击点1KM范围内网络系统产生电磁感应作用，造成系统设备损坏。据统计，这种感应雷击占计算机雷击事故的70%以

上。

３．耦合与转移过电压

雷击引起暂态高电压或过电压常常可以通过网络线路耦合或转移到网络设备上，造成设备的损坏。

（三)雷击地电位抬高入侵

建筑物在遭受直接雷击时，雷电流将沿建筑物防雷系统中各引下线和接地体入地，在此过程中，雷电流将在防雷系统中产生暂态高电压，如果引下线与周围网络设备绝缘距离不够且设备与避雷系统不共地，将在两者之间出现很高的电压，并会发生放电击穿，导致网络设备严重损坏，甚至人身安全。这种由于接地技术处理不当引起地电位的反击，造成整个网络系统设备全部击毁。地电位暂态高电位危及

到相邻建筑物内网络设备，如网络系统建筑物没有遭雷击又无采取过电压保护措施，附近建筑物遭雷击后，暂态高电位将沿地下管道传至网络设备接地系统中对线路发生反击，使得与这些线路相连接的设备受到暂态高电位的损害。

雷击过电压

不管是雷电冲击波或者是地电位反击，都会在网络、线路或设备上产生瞬时的雷击过电压。雷击过电压又分为纵向过电压和横向过电压。

1、 纵向过电压：

在平衡电路某点出现的对地的过电压称之为纵向过电压。地电位上升起的电压，可看做是从地系统侵入的纵向过电压。

2、 横向过电压：

在平衡电路线与线之间，或不平衡电路的线对地之间出现的过电压称之为横向过电压。连接对称平衡传输线路的设备由于线路中两线分别对地的纵向过电压不平衡，或因纵向防护元件动作时间的差异，都会导致横向过电压的产生。

连接同轴电缆系统的电子设备，纵向过电压即为横向过电压。 电子设备的损坏机理

纵向冲击对平衡电路中设备元部件的损坏有：损坏跨接在线与地之间的元部件或其绝缘介质；击穿在线路和设备间起阻抗匹配作用的变压器匝间、层间或线对地绝缘等。横向冲击则同信息一样可在电路中传输，损坏内部电路的电容、电感及耐冲击能力差的固体元件。

设备中元部件遭受雷击损坏的程度，取决于不同的绝缘水平及受冲击的强度。对具有自行恢复能力的绝缘，击穿只是暂时的，一旦冲击消失，绝缘很快得到恢复，有些非自行恢复的绝缘介质，如果击穿后只流过很小的电流，常不会立即中断设备的运行，但随时间的推移，元部件受潮其绝缘逐渐下降，电路特性变坏，最后将使电路中断。

有的设备元部件如晶体管的集电极与发射极或发射极与基极，若发生反向击穿就出现了永久性损坏，对易受能量损坏的元器件，受损坏程度主要取决于流过其上的电流及持续时间。

雷击电磁脉冲防护措施

（1） 大楼通过建筑物主钢筋，上端与接闪器，下端与地网连接，中间与各层均压网或环形均压带连接，对进入建筑物的各种金属管线实施均压等电位连接，具有特殊要求的各种不同地线进行等电位处理。

（2） 对计算机通信网络系统在建筑物楼内的布线和接地方式要求：通信电缆以及地线的布放应尽量集中在建筑物的中部。通信电缆线槽以及地线线槽的布放应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁，并与之保持较长的距离，通信电缆线槽以及地线线槽的设计应尽可能位于距离建筑物立柱或横梁较远的位置。

（3） 根据雷电保护区的划分要求，建筑物大楼外部是直接雷击区域；建筑物内部及计算机房所处的位置为非暴露区，越往内部，危险程度越低。雷电过电压对内部电子设备的损害主要是沿线路引入。保护区的界面由外部的防雷系统、建筑物的钢筋混凝土及金属外壳等

构成的屏敝层形成。电气通道以及金属管等金属构件，穿过各级雷电保护区时必须在每一穿过点做等电位连接。

（4） 进入建筑物大楼的电源线和通讯线应在LPZ0与LPZ1、 LPZ1与LPZ2区交界处、以及终端设备的前端，根据IEC1312--雷电电磁脉冲防护标准，安装上电源类SPD，以及通讯网络类SPD（瞬态过电压保护器）。SPD是用以防护电子设备因受雷电闪击及其它干扰造成传导电涌过电压危害的有效手段。

第四章 SPD常规安装要求

SPD在低压系统中的选择，安装位置及其所提供的保护可用图1表示

对于固定式SPD，常规安装应遵循下述步骤：

1）确定放电电流路径

2）标记在设备终端引起的额外电压降的导线，见图2.1和2.2。 说明：在图2中， Ures是Ⅰ、Ⅱ类SPD的残压或更一般地说是限制电压。

3）为避免不必要的感应回路，应标记每一设备的 PE导体，图

2.3、2.4和3。

说明：如果不可能进行单一接地则需要两个SPD(如图2.4所示)。

4）设备与SPD之间建立等电位连接。

5）要进行多级SPD的能量协调

为了限制安装后的保护部分和不受保护的设备部分之间感应耦合，需进行一定测量。通过感应源与牺牲电路的分离、回路角度的选择和闭合回路区域的限制能降低互感，见图2。

当载流分量导线是闭合回路的一部分时，由于此导线接近电路而使回路和感应电压而减少。见图3。

一般来说，将被保护导线和没被保护的导线分开比较好，而且，应该与接地线分开。同时，为了避免动力电缆和通信电缆之间的瞬态正交耦合，应该进行必要的测量。

与防护距离有关的振荡效应

当 SPD1用来保护设备或安装在输入口配电盘上却不能对某些设备提供足够的保护时， SPD2的安装位置应该尽可能地靠近被保护的设备。如果距离太远，可能会在终端设备上产生2倍于 Up甚至更高的振荡电压，尽管对设备使用了 SPD保护，但这个振荡电压仍会使 设备发生损坏。合理的距离（又称防护距离）与 SPD类型、系统类型、进入的浪涌源的陡度和波形及相连的负载有关。特别是在设备相当于高阻负载或设备内部发生脱离可能出现电压倍增。为了解释此现象，图(四)给出了这类情况下出现电压倍增的一个例子。

一般认为距离小于10米时不会产生振荡，图4说明即使距离为10米，也有可能产生电压倍增，但只有负载为纯电容时才有可能发生。有时设备有内部保护元件（如压敏电阻），即使距离较远，振荡也会显著减少。此时应注意SPD与设备内部保护元件的协调。

说明：一般来说，仅在靠近被保护设备处安装一个 SPD是不够的。由于电磁兼容原因（为避免浪涌电压产生的电磁干扰，最好在入口处进行分流）和为了对设备进行保护（避免导线之间的闪络），最好在设备的入口处安装 SPD。如果设备不在入口处安装的 SPD的保护范围内，有必要在靠近设备处另行安装一个SPD，此时也应考虑其协调性。

说明：这种现象可以通过由与浪涌频率和导线长度相关的振荡和行波来解释。

连接线长度的影响

为获得最佳过压保护应使SPD的连接导线尽可能短。如导线太长将引起SPD电压降，为提供有效的保护有必要降低安装于此的 SPD的保护等级。转移至设备的残压为由 SPD上和导线上感应电压的总和。这两种电压不一定同时达到峰值。出于实用的目的，一般情况下，它们可以相加。图(五)说明连接线的感应如何导致SPD残压的增加。

一般假设导线感抗为1μH／m。当脉冲陡度为1kA／μs，导线上感应电压降接近1kV／m，而且，如果 di／dt陡度更大时，感应电压值将增加。在可能情况下，当这种感抗的影响被认为是由于环路的分离而显著减小时，图(六),最好选用方案c)；当方案c)不能采用时，则采用方案d)，尽可能避免采用方案a)。

注意：如果回流线与进线是通过紧凑接线方式磁耦合，感抗将减小。

当建筑物进线处浪涌电压较低时，在靠近进线处安装一个SPD便行。但在某些特殊情况下，例如安装了非常敏感的设备（电子设备，计算机）或这些需要保护的设备离安装在入口处的 SPD太远、在建筑物内由于雷电放电和内部干扰源而产生电磁场时，有必要在靠近被保护设备处或设备内部安装附加的SPD。

电源系统和信号网络线进入防护区时，应彼此靠近并连接在同一金属物上，实现等电位连接，这一点对由非屏蔽金属（如木材、砖混结构）建筑物尤为重要。

要考虑系统中多数被保护的电子敏感设备的耐压水平。对安装在设备最近处的 SPD，必须使其UP值至少低于设备耐压值的20％。假定安装在进线处的SPD在保护范围内，如果进线处的 SPD的 UPl乘以一个过压因子后低于UP2，那么，只能使用进线处的SPD。（见图7）

说明：用户应注意设备的抗扰性可按IEC6l000-4-5标准，用混合波发生器进行试验得出。在这种情况下，低阻抗设备的抗扰性不只是根据耐压UW来定义，且部分浪涌电流通过设备分流，需设计一合理的协调。

在建筑物内部当可能出现一些高能量的开关浪涌（投切过电压）时，此时需安装附加SPD。

SPD应具备的功能和附加要求

1．SPD的基本功能

对于正常工作状态下的低压系统，安装后的SPD不应对系统和系统

装置内的设备工作特性有明显的影响。

对于出现浪涌等非正常工作状态的低压系统，SPD应及时对浪涌作出反应，通过SPD能限制瞬态过电压和分走电涌电流的特性，将过电压降到IEC60664-1规定的各类别位置设备耐冲击过电压额定值以下。

对于经历了非正常状态的低压系统，即经过浪涌后恢复正常状态的SPD，应恢复其高阻抗特性，并采取措施防止或抑制电力线上的续流。

2．使用SPD的附加要求

1)对直接接触进行保护。 SPD应以这种方式安装：安装在不可接触的范围内或对直接接触采取保护（如安置隔离设备）。

2)发生 SPD失效事件的安全性。当浪涌电压超过设计的最大承受能力和放电电流容量时， SPD可能会失效或被损坏。 SPD的失效模式大致分为开路和短路两种方式。

处于开路模式时，被保护设备将不再受保护。这时，因为对系统本身几乎不会产生影响，很难发现 SPD己失效。为了保证在下一浪涌到来之前，能将失效的SPD替换掉，必须要求SPD具备指示失效的功能。

处于短路模式时，系统出于 SPD的失效而受到严重影响。短路电流由配电系统流向失效的 SPD。因为失效的 SPD通常并未完全短路且有一定阻抗，在开路前将产生热能引起燃烧。在这种情况下，被保护系统没有合适的器件使其与失效的SPD发生脱离，此时，对处

于短路失效模式的SPD要求安装一个合适的脱离装置。（断路器）

SPD的选择步骤

说明如下：

A：Uc、UT和Ic

关于Uc在不同供电系统中的取值已在本文中说明。UT是SPD能承受的短时过电压值，在理论上是一直线。但在实际中常因一些值（电源频率、直流过压）可能随时间变化，使得在一定的时间间隔内（一般在0.05秒到10秒间），会超过最大连续工作电压Uc，因此选用UT值应考虑大于UTOV。但事实上，要求一个SPD既要有较高的耐短时过电压能力同时又能提供低保护等级不可能的，只有比较而舍取，或采用多级保护。

当外加连续工作电压Uc时，通过SPD的最大连续工作电流值为Ic。为避免过电流保护设备或其它保护设备（如RCD）不必要动作，Ic值的选择非常有用。Ic的选择可参看"五分法"的利用分流来确定。

B．保护距离

主要指SPD的安装位置。一般SPD应安装在低压供电系统在建筑物的入口处多指在变压器的低压侧（特别说明：在公共配电系统中安装SPD必须取得公共配电系统管理部门如供电局的批准）的配电盘上。当配电盘与用电设备距离较远或用电设备需要多重保护时，SPD2、SPD3应尽可能的靠近被保护设备并在防雷区交界处做等电位连接。

一般来说，SPD的选择有六个步骤,见图(八)

选用和使用SPD时的注意事项

1. 应在不同使用范围内选用不同性能的SPD。在选用电源SPD时要考虑供电系统的形式、额定电压等因素。LPZ0与LPZ1区交界处的SPD必

须是经过10/350us波形冲击试验达标的产品。对于信号SPD在选型时应考虑SPD与电子设备的相容性。

2. SPD保护必须是多级的。例如对电子设备电源部分雷电保护而言，至少应采取泄流型SPD与限压型SPD前后两级进行保护。

3. 为各级SPD之间做到有效配合，当两级SPD之间电源线或通讯线距离未达规定要求时，应在两级SPD之间采用适当退耦措施。

4. 建在城市、郊区、山区不同环境下计算机机房，设计选用SPD时，必须考虑机房供电电源不稳定因素，选用合适工作电压的SPD。

5. 对于无人值守场合，可选用带有遥信触点的电源SPD；对于有人值守场合，可选用带有声光报警之电源SPD。所有电源防雷器都具有老

化显示。

6. 信号SPD应满足信号传输带率、工作电平、网络类型的需要，同时接口应与被保护设备兼容。

7. 信号SPD由于串接在线路中，在选用时应选用插入损耗较小的SPD。

8. 在选用SPD时，应让指定供应商提供相关SPD技术参数资