田间观测场的雷灾分析
1.直击雷对建筑物的破坏及保护方式
1.1直击雷的保护
虽然有不少专家学者在努力的研究有效的防止直击雷的方法，但直到今天我们还是无法阻止雷击的发生。实际上现在公认的防直击雷的方法仍然是200年前富兰克林先生发明的避雷针。
1.1.1接闪器
避雷针及其变形产品避雷线、避雷带、避雷网等统称为接闪器。历史上对接闪器防雷原理的认识产生过误解。当时认为：避雷针防雷是因为其尖端放电综合了雷云电荷从而避免了雷击发生，所以当时要求避雷针顶部一定要是尖端，以加强放电能力。后来的研究表明：一定高度的金属导体会使大气电场畸变，这样雷云就容易向该导体放电，并且能量越大的雷就越易被金属导体吸引。这样接闪器的防雷是因为将雷电引向自身而防止了被保护物被雷电击中。现在认为任何良好接地的导体都可能成为有效的接闪器，而与它的形状没有什么关系。
为了降低建筑被雷击的概率，宜优先采用避雷网、作为建筑物的接闪器，如果屋面有天线等通信设施可在局部加装避雷针保护，这样接闪器的高度不会太高，不会增大建筑的雷击概率。避雷网的网格尺寸第一类防雷标准应不大于5m×5m，第二类防雷标准应不大于10m×10m，第三类防雷标准应不大于20m×20m，避雷针应与避雷网可靠连接。
1.1.2引下线
引下线的作用是将接闪器接闪的雷电流安全的导引入地，引下线不得少于两根，并应沿建筑物四周对称均匀的布置，引下线的间距不大于24米，引下线接长必须采用焊接，引下线应与各层均压环焊接，引下线采用10毫米的圆钢或相同面积的扁钢。对于框架结构的建筑物，引下线应利用建筑物内的钢筋作为防雷引下线。
采用多根引下线不但提高了防雷装置的可靠性，更重要的是多根引下线的分流作用可大大降低每根引下线的沿线压降，减少侧击的危险。目的是为了让雷电流均匀入地，便于地网散流，以均衡地电位。同时，均匀对称布置可使引下线泻流时产生的强电磁场在引下线所包围的建筑物内相互抵消，减小雷击感应的危险。
1.1.3接地体
接地体是指埋在土壤中起散流作用的导体，接地体应采用：
n钢管 直径大于50毫米，壁厚大于3.5毫米；
n角钢 不小于50×50×5毫米
n扁钢 不小于40×4毫米。
应将多根接地体连接成地网，地网的布置应优先采用环型地网，引下线应连接在环型地网的四周，这样有利于雷电流的散流和内部电位的均衡。垂直接地体一般长为1.5-2.5米，埋深0.6米，地极间隔5米，水平接地体应埋深1米，其向建筑物外引出的长度一般不大于50米。框架结构的建筑应采用建筑物基础钢筋做接地体
综合防雷方案设计
2.1前端设备的防雷
（1）前端设备有室外和室内安装两种情况，安装在室内的设备一般不会遭受直击雷击，但需考虑防止雷电过电压对设备的侵害，而室外的设备则同时需考虑防止直击雷击。
（2）前端设备如摄像头应置于接闪器（避雷针或其它接闪导体）有效保护范围之内。当摄像机独立架设时，避雷针最好距摄像机3－4米的距离。如有困难避雷针也可以架设在摄像机的支撑杆上，引下线可直接利用金属杆本身或选用Φ 8的镀锌圆钢。为防止电磁感应，沿杆引上摄像机的电源线和信号线应穿金属管屏蔽。如不考虑直击雷防护，此项可不予考虑。
（3）为防止雷电波沿线路侵入前端设备，应在设备前的每条线路上加装合适的避雷器，如电源线（220V或DC12V）、视频线、信号线和云台控制线。
（4）摄像机的电源一般使用AC220V或DC12V。摄像机由直流变压器供电的，单相电源避雷器应串联或并联在直流变压器前端，如直流电源传输距离大于15米，则摄像机端还应串接低压直流避雷器。
2.感应雷击对电子信息系统的破坏及其保护措施
在工作状态下, 一般电子信息设备工作电压只有几伏左右。而建筑物电子信息系统遭受雷电的影响是多方面的, 既有直接雷击, 又有从电源线路, 信号线路等侵入的雷电电磁脉冲, 还有在建筑物附近落雷形成的电磁场感应, 以及接闪器接闪后由接地装置引起的地电位反击。
2.1 电子设备对雷电冲击的脆弱性与防雷区的划分
2.1．1 电子设备对雷电冲击的脆弱性
从实际雷害事故的调查情况来看, 危害信息系统安全可靠运行的主要原因是雷击电磁效应。当雷击建筑物、建筑物附近地面、交流输电线路以及天空雷云间放电时, 所产生的暂态高电位和电磁脉冲能够以传导、耦合感应和辐射等方式多种途径侵入室内信息系统。
2.1．2 防雷区的划分
出于防雷电电磁脉冲的目的, 常将建筑物需要保护的空间划分为不同的防雷区, 具体划分如下:
(1) L PZ0a 区: 本区内的各物体都可能受到直接雷击或导走全部雷电流, 本区内的电磁场强度没有受到衰减。
(2) L PZ0b 区: 本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径所对应的雷电流直接雷击, 本区内的电磁场强度也没有受到衰减。
(3) L PZ1 区: 本区内各物体不可能遭受直接雷击, 流经各导体的雷电流比L PZ0b 区更小; 本区内的电磁场强度可能衰减, 这将取决于屏蔽措施。
(4) L PZn+ 1 区(n= 1, 2, 3?) 后续防雷区将一个建筑物需要保护空间划分为不同防雷区的意义在于:
① 可以估算出各L PZ 区内雷电电磁脉冲的强度, 以确认是否需要采取进一步的屏蔽措施;
② 可以确定等电位联结的位置(一般在各防雷区的交界面上) ;
③ 可以确定不同防雷区界面上选用电涌保护器的具体指标;
④ 可以选定敏感电子设备的安全位置。
2.2 屏蔽
屏蔽措施主要是指采用屏蔽电缆、利用各种人工的屏蔽线盒、法拉第笼和各种可以利用的自然屏蔽体来阻挡或衰减侵入建筑物信息系统中的雷电电磁脉冲能量, 保护信息系统中的电子设备, 使其免受雷电电磁脉冲的干扰和损害。
2.2．1 屏蔽作用的目的
屏蔽是利用屏蔽体来阻挡和减小电磁能量传输的一种技术。屏蔽的目的有两个: 一是防止外来的电磁能量进入某一区域, 避免这里的敏感电子设备受到干扰; 二是限制内部辐射的电磁能量漏出该内部区域, 避免电磁干扰影响周围环境。
2.2．2 一些基本屏蔽措施
(1) 建筑物的自然屏蔽。建筑物的建筑结构中含有许多金属构件, 如金属屋顶、金属网格、混凝土钢筋、金属门窗和护栏等, 在建造建筑物是, 将这些自然金属构件在电气上连接在一起, 就可以对建筑物构成一个立体屏蔽网。这种自然屏蔽网, 能对外部侵入的雷电电磁脉冲形成初级屏蔽, 使之受到一定程度的衰减。
(2) 电源线和信号线的屏蔽。从防雷角度来看,在建筑物内的所有低压电源线和信号线都应采用有金属屏蔽层的电缆, 没有屏蔽的导线应穿过钢管。当采金属丝编织层的电缆时, 要注意在布线上避免出现较严重的弯曲。当电缆弯曲时, 靠近内半径一侧的金属丝覆盖率很大, 而靠近外半径一侧的金属丝覆盖率则显著减小, 使得电缆的屏蔽效能下降。通常, 电缆屏蔽层阻挡电磁脉冲的能力除了与屏蔽层的材料和网眼大小等有关外, 还与屏蔽层的接地方式密切相关。就防护感应过电压而言, 要求电源线或信号线连续或至少在其首、末两端进行良好接地,即屏蔽层宜采取多点接地。但是, 多点接地不利于对低频电磁干扰的抑制。当屏蔽层作多点接地后, 各接地点之间将出现有屏蔽层与地构成的电气回路,空间低频电磁干扰在这些回路中感应出低频电流,这种低频电流在屏蔽层中流过时所产生的电磁场可能会有一部分透过屏蔽层, 在电缆内部的芯与皮回路中再次感应出低频干扰。为消除这种低频干扰, 就需要消除由屏蔽层与地之间构成的电气回路, 这就要求电缆的屏蔽层只能做单点接地。然而在采用单点接地方式后, 这从防雷上讲显然又是不安全的。因此, 出于防雷可靠性的考虑, 当低频电磁干扰不严
重时, 在需要保护的空间内, 屏蔽电缆应至少在其两端以及在其所穿过的防雷区界面处作接地; 当低频电磁干扰严重时, 可将屏蔽电缆穿入金属管内或双层屏蔽电缆的内屏蔽层可不接地或只做一端接地。
(3) 仪器和设备屏蔽。凡是含有对电磁脉冲干扰敏感的设备和仪器, 都应采用连续的金属层加以闭封起来, 进入仪器及设备的电源线和信号线以及它们之间的传输线均应采用屏蔽电缆或穿金属管进行屏蔽。在信号线或传输线电缆的两端应保持其屏蔽体具有良好的电气接触, 以便构成一个完整的屏蔽体系。对于那些重要的仪器或设备应放在屏蔽室里。
2.3 均压措施
将建筑物内不同的电缆外屏蔽层、设备外壳、金属构件和进出金属管道通过电气搭接连接在一起,形成一个电气的连续整体, 能够有效地避免在不同金属物之间出现过高的暂态高电位差, 从而可以防止反击的发生。
2.3．1 电位均衡
当雷击于建筑物的防雷装置时, 防雷装置中各部位暂态电位的升高可能会对其周围的金属物发生反击, 损坏设备。将钢筋混凝土建筑物中的钢筋和金属构件进行电气连接, 不仅具有屏蔽作用, 而且也具有均压作用。为了保证建筑物内信息系统免受反击的危害, 就需要对电子设备及其所联系的电源线和信号线采取均压措施, 即将设备外壳和线路外屏蔽层与建筑物中接地金属构件进行电气连接, 实现电位均衡。经过电位均衡之后, 就可以有效地限制设备与构件和设备与设备之间的暂态电位差, 从而避免发生反击。进出建筑物的电源线和信号线等, 也需要加以暂态电位均衡。在未发生雷击时, 这些线路中的带电导体或者要输送电能, 或者要传输信号, 不能直接进行电气连接, 否则将会造成短路, 妨碍它们的正常运行。为此, 可在各线路中的带电导体上采用避雷器或电涌保护器以及保护间隙来与建筑物的防雷接地装置进行电气连接, 实施暂态均压。在发生雷击时, 带电导体与其他部分之间将出现高的暂态电位差, 使得与这些导体相连接的保护器件动作限压, 呈现出接近于短路的电气连接, 于是就实现了暂态电位均衡。而雷击结束后, 线路恢复正常运行,由于带电导体的工作电压相对很低, 不足以使保护器件动作, 则保护器呈现开路状态, 不会影响带电导体的正常工作。
2.3．2 等电位联结
均压措施是通过等电位联结来实现的。通常, 所有进入建筑物的外来金属管道、电源线和信号线等在穿过各防雷区时, 均应在各区的交界处做等电位联结, 以预防雷电感应侵入波沿这些途径进入信息系统。电源线和信号线从某一处进入被保护空间L PZ1 区, 它们首先在设于L PZ0a 区或L PZ0b 区与L PZ1 区界面处的等电位联结带上做等电位联结。当外来的金属管道和电源线与信号线从不同地点进入建筑物时, 宜设若干条联结带, 以供各管道和线路进行等电位联结。等电位联结带宜就近连到环形接地体、内部环形条体或此类的钢筋上。
2.4 箝位保护
实际调查结果表明, 雷电侵入波主要是从电源线和信号线等途径侵袭到信息系统中去的, 所以必须在这些线路上采取箝位保护措施。
2.4．1 电源保护
将电源保护器安装在电子设备的电源线侧, 对沿线路来的雷电暂态过电压进行抑制, 这就构成了电源保护的基本模型。从电路结构上看, 电源保护器可以分为单级和多级结构。单级保护器一般是一个保护元件或是与其他元件的组合。在单级保护支路中串入熔断器是起到电流保护作用, 用于防止保护元件在抑制异常严重过电压时被过流烧毁。将压敏电阻与保护间隙串联的目的是为了有效地切断工频续流和抑制正常时的泄漏电流, 此外的保护间隙也可以换成放电管。单级保护只能对雷电暂态过电压进行一次性抑制, 在一些保护要求较高的场合, 就需要采用多级保护。最简单的多级保护器只包含两级, 即两级保护器。
2.4．2 信号保护
与电源保护模式相仿, 信号保护就是在电子设备的信号线上设置信号保护器, 以抑制沿信号线侵入的雷电暂态过电压。信号保护器的结构也分为单级和多级。其中压敏电阻、雪崩二极管和瞬态二极管一般用于保护频率不太高的信号线路, 而放电管则适合于保护高频信号线路。
3.雷电过电流入侵方式
由感应雷产生的雷电过电压过电流主要有以下三个途径：
（1）由供电电源线路入侵；高压电力线路遭直击雷袭击后，经过变压器耦合到各低压0.38kv/0.22kv线路传送到建筑物内各低压电气设备；另外低压线路也可能被直击雷击中或感应雷过电压。据测，低压线路上感应的雷电过电压平均可达10kv，完全可以击坏各种电气设备，尤其是电子信息设备。
（2）由建筑物内计算机通信等信息线路入侵；可分为三种情况：
1、当地面突出物遭直击雷打击时，强雷电压将邻近土壤击穿，雷电流直接入侵到电缆外皮，进而击穿外皮，使高压入侵线路。
2、雷云对地面放电时，遭线路上感应出上千伏的过电压，击坏与线路相连的电器设备，通过设备连接侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播，涉及面广，危害范围大。
3、若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时，当某一导线被雷电击中时，会在相邻的导线感应出过电压，击坏低压电子设备。
（3）地电位反击电压通过接地体入侵；雷击时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地，在接地体附近放射型的电位分布，若有连接电子设备的其他接地体靠近时，即产生高压地电位反击，入侵电压可高达数万伏。建筑物防直击雷的避雷引入了强大的雷电流通过引下线入地，在附近空间产生强大的电磁场变化，会在相邻的导线（包括电源线和信号线）上感应出雷电过电压，因此建筑物避雷系统不但不能保护计算机反而可能引入了雷电。
4.观测场内设备的雷害形式
观测场内设备主要了雷害形式有直击雷对电子信息设备的破坏以及过电压。
在保护重要的电子信息设备时, 多数采用多级浪涌保护器防护, 以达到分级泄流, 避免单级保护因过大的雷击电流而出现损坏概率高和产生高残压。通过合理的多级泄流能量配合, 保证浪涌保护器有较长的使用寿命和设备电源端口的残压低于设备端口耐雷电冲击电压, 确保设备安全。为了保证雷电高电压脉冲沿电源线路侵入时, 各级涌保浪护器都能分级启动泄流, 避免多级涌保浪护器出现盲点, 根据ITU , K 20,IEC61312-3 的规定, 两级浪涌保护器间必须有一定的线距长度( 即一定的感抗或加装退藕元件) 来满足避免盲点的要求。同时规定, 末级电源线路浪涌保护器的保护水平必须低于被保护设备对浪涌电压的耐受能力。各级电源线路涌保浪护器能量配合最终目的是将总的威胁设备安全的电压电流浪涌值减低到被保护设备能耐受的安全范围内, 而各级电源线路涌保浪护器泄放的浪涌电流不超过自身的标称放电电流。虽然雷电感应电压经电源线路浪涌保护器法短路泄流,但是在电子信息设备电源端口仍然会有残压, 即使是经多级避雷器分级泄流, 在电子信息设备电源端口仍然会有一定的残压。在日本的一些关于电子信息系统防感应雷雷害的文章中还提到了一种隔离法, 就是在被保护设备电源端口加设隔离变压器, 用这个隔离变压器隔离掉沿线路入侵的威胁设备安全的电压电流浪涌。因为《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中并未提到这种方法, 所以在实际设计中我们还是采用等电位连接, 共用接地系统, 浪涌保护器和屏蔽及适当的布线措施等做为主要的防雷措施。
