（免費下載）GB/T 19271.1-2003 雷電電磁脈沖的防護 第1部分：通則
1 總 則
1.1 范圍
本部分為建筑物內(nèi)或建筑物上的信息系統(tǒng)的有效的雷電防護系統(tǒng)的設計、安裝、檢查、維護及測試提供信息。
下列情況不屬于本標準范圍：車輛、船舶、航空器。各種離岸裝置由專門機構制定的法規(guī)管理。
本部分不考慮系統(tǒng)設備本身。然而，本部分為信息系統(tǒng)的設計者與LEMP防護系統(tǒng)的設計者之間，為了達到最佳防護效能而進行的合作提供一些指導原則。
1.2 規(guī)范性引用文件
下列文件中的條款通過GB／T 19271的本部分的引用而成為本部分的條款。凡是注日期的引用文件，其隨后所有的修改單(不包括勘誤的內(nèi)容)或修訂版均不適用于本部分，然而，鼓勵根據(jù)本部分達成協(xié)議的各方研究是否可使用這些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本部分。
IEC 61024-1：1990 建筑物防雷 第1部分：通則
2 干擾源
2.1 作為干擾源的雷電流
為了分析估算在LPS及與之等電位連接的裝置中雷電流的分布，應將雷電流源看作一個向LPS的導體及與其相連裝置注入雷電流(由若干個雷擊組成)的電流發(fā)生器。
不但雷電通道的電流產(chǎn)生電磁干擾，而且這一傳導電流也產(chǎn)生電磁干擾。附錄D說明了這些電磁耦合過程。
2.2 雷電流參數(shù)
為了模擬的需要，依照一次閃電中的各次雷擊(見圖2)，假定雷電流由以下的三種組成：
——正或負極性的首次雷擊；
——負極性的后續(xù)雷擊；
——正或負極性的長時間雷擊。
對各種保護級別，雷擊點的雷電流參數(shù)見下列各表：
——表1，用于首次雷擊；
——表2，用于后續(xù)雷擊；
——表3，用于長時間雷擊。
表中各參數(shù)的定義見圖1。
確定雷電流參數(shù)的背景資料參見附錄A。
用于分析的雷電流時間函數(shù)參見附錄B。
用于測試的雷電流的模擬參見附錄C。
3 防雷區(qū)
3.1 防雷區(qū)的定義
LPZ 0A：本區(qū)內(nèi)物體易遭到直接雷擊，因而可能必須傳導全部的雷電流。本區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減。
LPZ 0B：雖然本區(qū)內(nèi)物體不易遭到直接雷擊，但區(qū)內(nèi)產(chǎn)生未被衰減的電磁場。
LPZ1：本區(qū)內(nèi)物體不易遭到直接雷擊，本區(qū)內(nèi)所有導電部件上的雷電流比在LPZ 0B區(qū)內(nèi)的雷電流進一步減小。本區(qū)內(nèi)的電磁場也可能被衰減，取決于屏蔽措施。
后續(xù)防雷區(qū)(LPZ2等)：如果要求進一步減小傳導電流或電磁場，就應引入若干后續(xù)防雷區(qū)。應根據(jù)被保護系統(tǒng)所要求的環(huán)境區(qū)來選擇所需后續(xù)防雷區(qū)的個數(shù)。
通常，防雷區(qū)序號越高，其電磁環(huán)境參數(shù)就越低。
在各個防雷區(qū)的界面處，所有穿越的金屬物應作等電位連接，也可采取屏蔽措施。
注：LPZ 0A、LPZ 0B與LPZ1之間的界面處的等電位連接在IEC 61024-1：1990的3.1中規(guī)定。建筑物內(nèi)部的電磁場受到如窗口這樣的孔洞的影響，也受金屬導體(如等電位連接帶、電纜屏蔽層及電纜屏蔽管子)上的電流及電纜布線方式的影響。
將一個需要防護的空間劃分成不同防雷區(qū)的一般原則示于圖3。
圖4給出將一座建筑物劃分為若干防雷區(qū)的例子。此例中所有的電力線及信號線均在一點進入被保護空間(LPZ 1)，并在LPZ 0A、LPZ 0B與LPZ 1之間的界面處等電位連接至等電位連接帶1。此外，這些線路在LPZ 1與LPZ 2界面處等電位連接至內(nèi)部等電位連接帶2上。而且，建筑物的外屏蔽1等電位連接到等電位連接帶1，而內(nèi)屏蔽2等電位連接到等電位連接帶2。電纜從一個LPZ穿到另一LPZ，則需在每個界面處做等電位連接。LPZ2的構成應使局部雷電流不能傳入該空間也不能穿越過該空間。
3.2 接地要求
接地應遵守IEC 61024-1的規(guī)定。
如果在相鄰的建筑物之間有電力和通訊電纜通過，應將其接地系統(tǒng)相互連接，并且，最好在接地系統(tǒng)間有多條并行通路，以減少流經(jīng)電纜的電流。網(wǎng)格狀接地系統(tǒng)可滿足這種技術要求。
可用以下方法進一步減小雷電流效應，例如將所有電纜穿在金屬管道或格柵型鋼筋混凝土管道內(nèi)，金屬管道和鋼筋必須匯集到網(wǎng)格形接地系統(tǒng)中去。
圖5示出了附有一座塔的建筑物的網(wǎng)格形接地系統(tǒng)的典型例子。
3.3 屏蔽要求
應采用雷電流幅值密度(圖B.5給出)及相應的磁場幅值密度來評估屏蔽效能。
屏蔽是減小電磁干擾的基本措施。
在圖6中，原則上示出了為減小感應效應而采取的屏蔽及布線措施：
——外部屏蔽措施；
——適當?shù)牟季€措施；
——線路屏蔽措施。
這些措施可組合使用。
為了改善電磁環(huán)境，與建筑物相關聯(lián)的所有大尺寸金屬部件應連接在一起并且與LPS等電位連接，如金屬屋頂及金屬立面、混凝土內(nèi)鋼筋、門窗的金屬框架等(見圖7例示，其網(wǎng)孔寬度為幾十厘米)。
若在被保護的空間內(nèi)使用屏蔽電纜，它們的屏蔽層至少應在兩端進行等電位連接，假如經(jīng)過LPZ，還應在其界面處再作等電位連接。
在分離的建筑物間布設的電纜應敷設在金屬電纜槽中(如金屬管、槽架或混凝土中的格柵形鋼筋網(wǎng))，這些金屬管槽應首尾電氣貫通，并應與各個建筑物的等電位連接帶等電位連接。電纜屏蔽層應與這些等電位連接帶相連接。如果電纜屏蔽層能承載可預見的雷電流，則可不敷設金屬電纜槽。
附錄A 確定雷電流參數(shù)的背景資料
A.1 參數(shù)的概率
2.2條所確定的雷電流參量是根據(jù)國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)在Electra 41(1975)及Electra 69(1980)給出的結果而確定的。
在圖A.1中，示出了若干參量的概率。這些概率本質上是相互獨立的。
A.2 首次雷擊和長時間雷擊
表1將雷電流、電荷量、單位能量及持續(xù)時間等參數(shù)量組合在一起，因為它們中的每一個參數(shù)往往決定了一種事故機理。作為初步探討，可認為所有雷擊的10％是正極性的而90％是負極性的。盡管正極性雷擊與負極性雷擊之比是很低的，但正是正極性雷擊(僅由首次雷擊及長時間雷擊構成)決定了所考慮的I、Q及W／R等參數(shù)的最大值。如果按照Ⅰ級保護，要使差不多所有雷擊的99％都被包括進去，則要以概率低于10％的正雷擊來決定峰值電流I、雷擊電荷Qf、短時雷擊電荷Qs以及單位能量W／R等參數(shù)的最大值。(相對應的概率為1％的負雷擊的這些參數(shù)值，遠比概率為10％的正雷擊的參數(shù)值小許多，故可不予考慮)。
注：一個更精確的雷電流參數(shù)的估算正在考慮中。
A.3 后續(xù)雷擊
負極性的后續(xù)雷擊決定了波前電流的平均上升速率的最大值。如果按照Ⅰ級保護，要使大約99％的雷擊都包括進去，則宜考慮概率小于1％的負極性后續(xù)雷擊。
據(jù)圖A.1曲線15(波前的30％與90％間電流的平均上升速率概率曲線)，概率略低于1％時的整數(shù)值為：
此值取作為波前電流上升速率的平均值I／T1。
同樣，根據(jù)圖A.1曲線2，概率略低于1％時Ⅰ的整數(shù)值為50kA。由此得出對應的視在波前時間為：
A.4 不同的保護級別
以保護級別Ⅰ所確定的值的75％及50％作為保護級別Ⅱ和保護級別Ⅲ～Ⅳ的相應確定值。
這些確定值列于表1至表3中。
圖A.1 雷電流參數(shù)的概率
附錄B 用于分析的雷電流時間函數(shù)
附錄B 用于分析的雷電流時間函數(shù)
為了進行分析，首次雷擊(10／350μs)及后續(xù)雷擊(0．25／100μs)雷電流波形可定義為：
式中：
I——峰值電流；
h——峰值電流校正系數(shù)；
t——時間；
τ1——波前時間常數(shù)；
τ2——波尾時間常數(shù)。
為了得出各種不同保護級別的首次雷擊及后續(xù)雷擊的電流波形，應采用表B．1中給出的參數(shù)。得到的解析曲線繪于圖B．1～圖B．4。
長時間雷擊可用平均電流為I、持續(xù)時間為表3中的T的矩形波來描述。
從這些解析曲線可導出雷電流的幅值密度，參見圖B．5。
圖B.1 首次雷擊的電流上升波形
圖B.2 首次雷擊的電流波尾波形
圖B.3 后續(xù)雷擊的電流上升波形
圖B.4 后續(xù)雷擊的電流波尾波形
圖B.5 保護級別Ⅰ的雷電流幅值密度
附錄C 用于測試的雷電流的模擬
C.1 雷電流高能量部分的模擬
表C.1、表C.2定義了測試參數(shù)，圖C.1給出了測試發(fā)生器電路圖，利用這些參數(shù)及發(fā)生器可模擬與直接雷擊相關的雷電流的高能量部分。
這些測試是用來評估被測試物的機械牢固性以及免除發(fā)生有害的發(fā)熱及熔化效應的能力。這一模擬是用一個短時雷擊及一個長時間雷擊進行的。
依據(jù)本方法進行的模擬包括了以下的參數(shù)：峰值電流I、短時雷擊電荷量Qs、長時間雷擊電荷量Q1以及單位能量W／R。
短時雷擊波形的定義見圖1。
短時雷擊的測試參數(shù)(包括I、Qs及W／R)由表C.1給出。
要在同一個脈沖中獲得I、Qs及W／R等測試參數(shù)(具有相應的容差)?？梢杂靡粋€T2為350μs的近似指數(shù)衰減電流脈沖來獲得這些參數(shù)。
長時間雷擊波形的定義見圖1。
長時間雷擊的測試參數(shù)(包括持續(xù)時間為T的能量Q1)由表C.2給出。
注：當一個系統(tǒng)遭雷擊時，雷電流將在系統(tǒng)內(nèi)部分配。當對系統(tǒng)的個別的輸入及輸出端進行測試時，必須考慮雷擊時雷電流的分配，因而須為系統(tǒng)的各個部件選取適當?shù)臏y試參數(shù)。為此，必須進行系統(tǒng)分析。
一個測試發(fā)生器的例子示于圖C.1。
測試應以一個短時雷擊(參數(shù)如表C.1)及一個長時間雷擊(參數(shù)如表C.2)進行。危許長時間雷擊緊隨在短時雷擊之后。電弧熔化測試宜用兩種極性的雷擊進行。
C.2 雷電流快速上升的模擬
電流的上升速率連同耦合機理決定了在荷載雷電流的導體附近的環(huán)路中以及載流導體本身磁感應電壓及電流的大小。本條只涉及雷電流的模擬。
規(guī)定了測試參數(shù)并示出了測試發(fā)生器的電路圖，可利用這些參數(shù)及發(fā)生器來模擬與直接雷擊相關的雷電流的快速上升部分。此模擬適用于首次短時雷擊及后續(xù)短時雷擊的模擬。
可單獨地進行本測試或者與C.1所述的方法組合起來進行測試。
根據(jù)本方法所進行的模擬涉及短時雷擊的電流上升速率△i／△t。電流的波尾部分對這類模擬無關緊要。
短時雷擊波形的定義見圖C.2。
測試參數(shù)為時間△t內(nèi)的電流變化量△i。表C.3給出了這些參數(shù)。
注：當一個系統(tǒng)遭雷擊時，雷電流將在系統(tǒng)內(nèi)部分配。當對系統(tǒng)的個別的輸入及輸出端進行測試時，必須考慮雷擊時雷電流的分配，因而須對系統(tǒng)的各個部件選取適當?shù)臏y試參數(shù)。為此，必須進行系統(tǒng)分析。
測試發(fā)生器的例子示于圖C.3及圖C.4。
注：用于測試的其他的參數(shù)、發(fā)生器以及測試方法正在考慮中。
圖C.2 根據(jù)表C.3的電流上升波形
表C.1 短時雷擊參量
表C.2 長時間雷擊參量
表C.3 短時雷擊參量
圖C.1 模擬短時雷擊電流及長時間雷擊電流的典型測試電路
圖C.3 模擬首次雷擊電流上升的典型測試電路
圖C.4 模擬后續(xù)雷擊電流上升的典型測試電路
附錄D 電磁耦合過程
D.1 耦合機理
為了實用目的同時為了能用包含集總參數(shù)的等效電路來進行研究，將耦合過程分為電阻性耦合、磁場耦合及電場耦合是有好處的。
由于直接雷擊而對信息系統(tǒng)的瞬態(tài)耦合可起因于下列不同的機理：
——電阻性耦合(例如：由于接地電阻或電纜屏蔽層電阻引起的耦合)；
——磁場耦合(例如：由于裝置構成的環(huán)路或連接線的電感引起的耦合)；
——電場耦合(例如：由于桿狀天線引起的耦合)。
由建筑物內(nèi)設備引起的電場耦合通常比磁場耦合小。
耦合受以下因素影響：
——接地；
——等電位連接；
——屏蔽；
——金屬導體的走向與布局。
D.2 電阻性耦合
當建筑物遭到雷擊時，入地的雷電流通常在LPS與遠地之間產(chǎn)生幾百kV量級的電壓，此電壓值取決于接地電阻值。這就是與建筑物有等電位連接并接至遠處大地的外來導體(如電纜)，有局部雷電流流過的原因。
電纜屏蔽層流過的局部雷電流導致在內(nèi)部芯線與屏蔽層間產(chǎn)生電壓。
D.3 磁場耦合
雷電流不論其在導體中流過或在雷電通道中流過，都產(chǎn)生磁場，該磁場在遠至100m的范圍內(nèi)，其強度正比于時變電流值。
磁場強度／H(t)與傳導雷電流i的單一長直道路中心間的距離r成反比：
H(t)＝i(t)／2πr
某些情況下可應用這一公式作簡單的估算，但在大多數(shù)情況下宜對磁場作詳細的分析。
在磁場與導體有交鏈的地方，它就在環(huán)路(由這些導體構成)中產(chǎn)生與dH／dt成正比的電壓。這就稱之為磁感應。
D.4 電場耦合
在形成主放電之前的瞬間必須考慮在整個雷擊區(qū)(由雷擊點起最遠大約100m范圍)內(nèi)達到空氣擊穿放電場強(在500kV／m的范圍內(nèi))的各爭場強。
主放電形成后，就必須考慮電場的衰減消失以及電場變化(范圍為500(kV／m)／μs)的影響。
附錄E 防護管理
附錄E 防護管理
一座新建建筑物或在現(xiàn)有建筑內(nèi)安裝一套新信息系統(tǒng)的規(guī)劃的早期階段就宜提出LEMP防護的問題。
通常，通過防雷專家的參與，從而與防雷設計相協(xié)調(diào)，這是建筑物的建筑設計師和工程師的職責。
為了建立并維持技術上、經(jīng)濟上都為最佳的LEMP防護系統(tǒng)設計，防護管理是需要的。LEMP防護的設計宜與LPS的設計一起進行。
宜遵循的防護管理的各個步驟如表E.1所示。
表E.1 新建建筑物以及建筑物結構或用途有重大改變的LEMP防護管理
