防雷技术与科学-03 第三章.ppt

第 三 章 雷电防护一般方法 法拉第笼、 多级屏蔽、保护锥、滚球法 3.1 完美的雷电防护 一个有孔或有缝隙的金属封闭结构内，我们可以对雷电引起的电磁场进行比较完善的防护。 我们称这个封闭的导体结构为法拉第笼，但是，对于这个结构体的厚度应该怎样来确定呢? ? 依据电磁场理论，电磁场在封闭导体外表面拥有最大值，一个给定频率的信号，每经过一个渗透深度，里面的值将减为外面值的1／3，也就是说，在经过两个渗透深度，一个单一频率的信号将约减为原来的1／10，如果是4个深度，那么大概为原值的1／100。 因此，要想成为一个最佳有效的防护体，这个墙厚度应该具有足够的渗透深度，使得大多数电磁场信号不能到达防护体的内部。 ?电磁信号渗透深度 δ 和电磁场中金属防护体的电阻率 ρ 、 金属的磁导率 u 和信号频率 f 之间的 关系如右： 铜中渗透深度δ 与频率 f 之间的关系 由铜中渗透深度δ 与频率 f 之间的关系可知：一个几毫米厚的铜防护体通常就可以起到防止雷电影响的作用。当雷电直接击中防护体本身时，可能会对防护体表面直击点产生一些损害。 法拉第防护体也可由两层铜壁组成，在铜壁外采用木质材料进行隔离保护，在这个屏蔽空间内不会受到外部电磁噪声的影响。 法拉第笼所提供的完全防护概念在实际应用中的价值是有限的，在现实生活中，大多数金属结构都不具有完全屏蔽作用，如水管设施、电场、通信，更不用说像窗户这样的有孔结构。 由基本原理可知，当电磁场传播到封闭结构内部时，它的值已经被大大地减弱了，然后再利用限压性SPD（过电压保护器）来控制进入法拉第笼的信号大小，设计出对大多数设备都比较合适的雷电保护系统。 这项技术在每一层都包括嵌套完整的金属结构或金属屏蔽笼。 每层防护体壁的里外都有导线相连接并接地，当然有无很低的接地电阻对整个系统的影响不是很重要，但进入每层防护体的导线都必须装有保护器件，并与外面的接地线有良好的连接。 因此，在每个相连接的内部防护层上，电涌保护器都能减少有害的电磁场噪声，包括在进入的电缆和空间内。 3.2 雷电防护方法 在雷电防护中，我们必须考虑两个因素： (1) 建筑物上的雷电流的分流，其作用主要是为了保护建筑本身，当然也可能是为了减少建筑内雷电引起的电流和磁场的大小。分流的作用应该和法拉第防护体的作用差不多。 (2) 电涌保护器在能量和通信系统中具有限压和限流能力。这两个方面都是有联系的，然而，我们通常依据相关的准则和标准将它们独立对待。 (1) 建筑物上的雷电流的分流。 雷电电流到达地面主要通过以下三部分组成： (A) 接闪装置，包括一些与屋顶相连的竖直向下的树枝、屋顶的水平线缆、一些超过屋顶的悬线缆，或一些金属屋顶，所有这些的目的在一定程度上都是一样的：拦截向下发展的梯级先导； (B)引下线： 主要是将雷电流 引流至接地极； (C)接地极： 将雷电流最终流 向大地。 (A) 接闪装置： (B)引下线： (C)接地极： 不同结构的屋顶的雷电防护是不同的，不同的标准给出的保护方案也是有所区别的。为了避免屋顶避雷设施之间产生电势差，一般将屋顶各避雷带、网、针等进行等电位连接，一般是用导电材料焊接来连接各器件。当然用于连接的导体从某种意义上也成了接闪器。 依据美国雷电防护标准 (NFPA780：2004)对一栋民宅的雷电防护设计 复合商业建筑的外部雷电防护设计 (2) 电涌保护器 对于一个能保护带电流、能量以及通信信号设备的器件，它应具备调控由于闪击建筑物和或设备导致的电压电流能力，同时也能控制由于雷电感应产生的电压电流或一些由外部金属管道携带进来的有害电流、能量或其他交流信号。 当然通过绝缘纤维来传输信号进入设备时，可以不需要作雷电防护设计。 目前常用的四种电压电流限制技术有：(A)电压断路器；(B)电压控制；(C)交流过滤器和直流过滤器；(D)隔离器。 (A)电压断路器 用来限制保护线路上的有害电压，使其保持在正常工作电压下，并且使短路电流泄放到大地。 老式的碳片避雷器和现代气管避雷器，在通信公司中的断路器中都得到了很好的应用，当断路器中电压升高到上百伏时，避雷器中的空气间隙将会产生电流击穿，进而使通过避雷器的电压值瞬间降至近似0。 硅控整流器也是一种较好的断路器，通常来说断路器运行并不是瞬间的，或不是像电压钳制那样快。 (B)电压控制 固态器件有如金属氧化物变阻器、雪崩二极管以