等电位防雷介绍及解决方案

中山市恒一电子科技有限公司，专业致力于防雷技术研究。公司主要经营可不接地等电位避雷器、等电位防雷、等电位防雷器。其特点是: 防雷效果与接地电阻大小无关，避雷时电源、信号不中断，具自动修复自动诊断，尽终保护功能。产品有国家规定的检测报告，备案证等，工程验收方便快捷，并有十几项专利

对雷电危害的普通防护措施

概括的说，当今电子设备的防雷手段，主要采用分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护五种方法。

1、分流

分流也就是通过用接闪器、引下线及接地系统应根据GB50057-94中的规定进行设计、施工。接闪器应使建筑物处于其滚球半径保护范围内；采用多条引下线均匀分布，接地装置的性能、结构、接地电阻值及有效长度应达到相应的标准要求。

（1）接闪器

接闪器就是让在一定范围内出现的闪电能量按照人们设计的通道泄放到大地中去。外部防护安全在很大程度上取决于能不能利用有效的接闪装置，把一定保护范围的闪电放电捕获到，纳入预先设计的对地泄放的合理途径之中。避雷针是一种主动式接闪装置，其英文原名是Lightning Conductor,原意是闪电引导器，其功能就是把闪电电流引导入大地。避雷线和避雷带是在避雷针基础上发展起来的。采用避雷针是最首要、最基本的防雷措施。

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，大体上有如下四种计算方法：①折线法，即单支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，日本建筑物防雷规范规定，避雷针的保护范围是以避雷针的针尖为顶点作一俯角的角度来确定，如有爆炸危险的建筑物用45度角，对一般建筑物采用60度角。由于采用角度确定，实质上保护范围为一直线圆锥体。④滚球法，是指以某一定半径的球体，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，则该部分就得到接闪器的保护。

对避雷针的接闪原理的认识是有一个发展过程的，现在的滚球法理论比较全面地解释了接闪器吸引雷电的各种现象，“滚球法”是国际电工委员会（IEC）推荐的接闪器保护范围计算方法之一；已被世界上一些国家作为国家防雷规范采用，我国建筑防雷规范B50057-94也采纳“滚球法”作为接闪器保护范围计算的方法。“滚球法”理论认为：①半径为R的球与接闪器和地面相切绕接闪器滚动一周所形成的阴影区域即为接闪器的保护范围。根据建筑物不同的防雷类别分别选择半径为30米、45米、60米的滚球予以计算。②在保护范围内并不是没有雷击，只是雷击能量较小，滚球半径R越小，进入保护范围的雷击能量也越小，也就是说接闪器的防雷效果越好。③接闪器并非越高越好，超过滚球半径2倍的接闪器在技术上是没有多大意义的。

（2）引下线

引下线是指连接接闪器与接地装置的金属体。在国标《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）中，对金属引下线的规定就已采取了降低引下线电磁干扰的措施，如多根引下线的分流作用，均匀对称的布置在建筑物四周可相互抵消内部电磁场，利用建筑物的钢筋框架这个很好的屏蔽笼（法拉第笼）接闪引下雷电流等。因此，普通金属引下线的方法在技术经济上都有是可行的。

2、接地

接地就是让已经纳入防雷系统的闪电能量泄放入大地，良好的接地才能有效地降低引下线上的电压，避免发生反击。接地是防雷系统中最基础的环节。接地不好，所有防雷措施的防雷效果都不能发挥出来。过去有些规范要求电子设备单独接地，目的是防止电网中杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作。90年代以前，部队的通信导航装备以电子管器件为主，采用模拟通信方式，模拟通信对干扰特别敏感，为了抗干扰，所以都采取电源与通信接地分开的办法。现在，防雷工程领域不提倡单独接地。在IEC标准和ITU相关标准中都不提倡单独接地，美国标准IEEEStd1100-1992更尖锐地指出；不建议采用任何一种所谓分开的、独立的、计算机的、电子的或其它这类不正确的大地接地体作为设备接地导体的一个连接点。现在一般不主张采用单独接地的方式而被共用接地取代，共有接地是把需要接地的各系统统一接到一个地网上，或者把各系统原来的接地网通过地下或者地上用金属连接起来，使它们之间成为电气相通的统一接地网。

接地是防雷的基础，标准规定的接地方法是采用金属型材铺设水平或垂直地极，在腐蚀强烈的地区可以采用镀锌和加大金属型材的截面积的方法抗腐，也可以采用非金属导体做地极，如离子接地极、石墨地极、硅酸盐水泥地极和降阻剂。更合理的方法是利用现代建筑的基础钢筋做地极，有事半功倍之效。

由于过去对防雷认识的局限性，片面强调降低接地电阻的重要性，认为接地电阴越小避雷效果越好，被保护对象就越安全，当然避雷接地电阻值应该有一定要求，因为接地电阻越小散流越快，被雷击物体高电位保持时间越短，危险性越小，其跨步电压、接触电压也越小。但是近十几年来的理论和实践证明，与其说接地网接地电阻值重要不如说接地网的结构更重要。这是由于在等电位原理的防雷理论中，地网只是一个总的电位基准点，并不是绝对的零电位点要求地网形状是为了等电位的需要。

3、屏蔽

屏蔽就是用金属网、箔、壳、管等导体和各种可以利用的自然屏蔽体把需要保护的对象包围起来，阻隔闪电的脉冲电磁场从空间入侵的通道。屏蔽是防止雷电电磁脉冲辐射对电子设备影响的最有效方法。实际防雷工程中，屏蔽措施主要可分为建筑屏蔽（包括房间屏蔽）、线路屏蔽、设备屏蔽。

由雷电流的“集肤效应”可知，雷电流能量大部分集中在建筑物外墙附近而室内的电磁场强度在雷电流流经的立柱（引下线）附近最大，所以机房及机房内设备的位置应选择在建筑物的中间位置，并且应与作为引下线的立柱保持足够距离。

将建筑物的金属构架、门窗、地板及管线等均相互焊（连）接在一起，形成一个“法拉第笼”，并与接地系统形成良好的电气连接，构成屏蔽以阻挡电磁波的侵入。屏蔽管线入户要求采用埋地引入，其金属保护层应在两端做良好接地。

4、等地位连接

等电位连接是把建筑物内、附近的所有金属物，如混凝土内的钢筋、自来水管、煤气管及其它金属管道、机器基础金属物及其他大型的埋地金属物、电缆金属屏蔽层、电力系统的零线、建筑物的接地线统统用电气连接的方法连接起来（焊接或者可靠的导电连接），使整座建筑物成为一个良好的等电位体。当雷电袭击的时候在这建筑物内部和附近大体上是等电位的，因而不会发生内部的设备被高电位反击和人被雷击的事故。此外在电力线、电话线、电视信号电缆、电子计算机信号传输线等到一切与外界有联系的金属线都要接上合理的过电压保护装置（避雷器），并且避雷器的接

地端要与建筑物的避雷接地装置直接进行电气连接，使之成为等电位（实际上是准等电位，因为接受雷击时避雷器两端存在雷电残压）使用连接导体或等电位连接器将防雷地、交流工作地、保护地、直流工作地、防静电地等连接后应与建筑物主钢筋连接的等电位连拉带可靠电气连接，形成共用接地系统，消除在雷击发生时各接地体之间存在的瞬间电位差，防止地电位反击。

5、避雷器

避雷器又称等电位连接器、过电压保护器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷保安器等。避雷器过压保护的基本原理是，在瞬态过电压存在的极短时间内，在被保护区域内的所有导电部件之间建立起一个等电位。这种导电部件也包括电路中的有源导线。人们需要响应速度快于微秒的元件，对于静电放电甚至快于毫微秒。这种元件能够在极短的时间间隔内，将非常强大直到高达数倍于十千安的电流（在预期的雷击情况下按10/350us脉冲计算，电流高达50千安）导出并迅速通过接地系统泻放到大地，可以在极短的时间内形成一个等电位岛，这个等电位岛对于远处的电位差甚至可高达数十万伏。重要的是，在需要保护的区域内，所有导电部件都可认为具有接近相等或绝对相等的电位，因而不存在显著的电位差，从而起到保护设备的作用。

常用的避雷器种类繁多，但归纳起来可分为四大类：①放电间隙型避雷器；②半导体（齐纳型）；

③氧化锌压敏电阻避雷器；④传输线分流型避雷器。

早期的线路避雷器是开放的空气间隙。空气的击空电压很高，约500KV/m，而当其被高电压击穿后就只有几十伏的低压了。利用空气的这一特性人们设计出了早期的线路避雷器，将一根导线的一端连在输电线上，另一根导线的一端接地，两根导线的另一端相隔一定距离构成空气间隙的两个电极，间隙距离确定了避雷器的击穿电压，击穿电压应略高于输电线的工作电压。这样当电路正常工作时，空气间隙相当于开路，不会影响线路的正常工作。当过电压侵入时，空气间隙被击穿，过电压被箝位到很低的水平，过电流也通过空气间隙泄放入地，实现了避雷器对线路的保护。开放间隙有太多的缺点，需经过多个交流周期才能熄弧，这就可能造成避雷器故障或线路故障。以后研制出的气体放电管、管式避雷器、磁吹避雷器在很大程度上克服了这些毛病，但他们仍然是建立在气体放电的原理上。气体放电型避雷器的固有缺点：冲击击穿电压高；放电时延较长（微秒级）；残压波形陡峭（dV/dt较大）；重复使用特性变化大。这些缺点决定了气体放电型避雷器对敏感电气设备的保护能力不强。优点是：结构简单，通流量大，结电容小，可用于高频电路。

早期的半导体避雷器是以碳化硅材料做成的阀式避雷器，它具有与稳压二极管相似的伏—安特性，但通过雷电流的能力很强。不过很快人们又发现了金属氧化物压敏电阻器（MOV），其伏—安特性更好，并具有响应时间快、通流容量大及在额定通流量以内，雷击脉冲消除后能够自动恢复原有工作特性，重复使用特性稳等许多优点。缺点是结电容大，不可用于高频电路。因此，目前普遍采用MOV线路避雷器。

随着通信的发展，又产生了许多用于通信线路的避雷器，由于受通信线路传输参数的约束，这一类避雷器要考虑电容和电感等影响传输参数的指标。但其防雷原理与MOV基本一致。

各避雷器的主要区别在于放电能力，电容大小，响应特性以及残余电压。由于各有其优缺点，人们将其组合成特殊保护电路，以扬长避短。

据统计，由电力线引入雷电过电压造成的事故约占雷击事故的70%~80%，因此要重点加强对电源系统的雷电防护，根据IEC-61312的多级防护原则，应在各防雷保护区界面处加装相应的雷电过压保护器（SPD）作多级防护，最终使过电压限制在设备可以承受的范围内。一般根据机房建设的要求，配电系统电源防雷应采用三级防护，第一级采用放电间隙型避雷器，第二、三级采用氧化锌压敏电阻避雷器，通过组合可以发挥各器件之所长，保护设备不受浪涌过压损害。对于SPD的选择，IEC标准也信出了明确的要求：在LPZ0区与LPZ1区的交界处加装的SPD应满足10/350us的雷电测试波形，在LPZ1区与LPZ2区的交界处加装的SPD应满足8/20us的雷电测试波形。

目前，计算机远程联网常采用的方式有电话线、专线、X.25、DDN和帧中继等，通讯网络设备主要为MODEM、DTU、路由器和远程中断控制器等。通常根据通信线路的类型、通讯频带、线路电平等选择信号避雷器，将信号避雷器串联在通讯线路上。通信线路避雷器的技术要求较高，因为除了满足防雷技术要求外，还须保证传输指标符合要求。加上与通信线路相连的设备耐压很低，对防雷器件的残压要求严格。

解决的方法是采用不同器件组合成两级避雷器，第一级用放电管，中间隔离阻抗用电阻或PTC，第二级用半导体避雷器，这样可以发挥各器件之所长。这种避雷器大约可到几十MHZ的频率。更高频率的避雷器就主要是采用放电管了，如移动和寻呼的天馈线避雷器，否则很难足传输要求。也有产品采用高通滤波器的原理，因雷电波的能量频谱集中在几千赫兹到几百千赫兹之间，相对于天线的频率很低，滤波器容易制作。最简单的电路是在高频芯线上并联一个小磁芯电感，就可以构成高通滤波的避雷器。对于点频通信天线也可采用四分之一波长的短路线构成带通滤波器，防雷效果更好，但这两种方法都会将天馈线上传送的直流短路，其应用范围有限。

大量实例证明，以上各种对雷电的防护措施虽然在不同程度起到了应有的效果，但总是无法彻底地解决防雷（特别是感应雷）对设备损坏的问题。为什么呢？因为他们总是跳不出“避雷效果受

接地电阻所制约”的传统理论框框。而要彻底解决这个难题；恐怕由中山恒一独创的“避雷效果与接地无关”的“等电位”避雷器来完成。

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