摘 要 主要根據有關國家設計規范，國際電工委員會標準以及美國標準，本文簡述建筑物內部雷擊電磁脈沖的一些問題。
關鍵詞 雷擊電磁脈沖；共用接地系統；等電位連接；屏蔽
SOME PROBLEMS ABOUT PROTECTION WITHIN STRUCTURES
AGAINST LIGHTNING ELECTROMAGNETIC IMPULSE
Lin Weiyong
INSTITUTE OF PROJECT PLANNING & RESEACH
OF ENGINEERING INTERNATIONAL
Abstract Mainly on the basis of relative national design code, IEC and IEEE standard, in this paper some problems about protection within structures against LEMP(lightning electromagnetic impulse) being briefly described.
Key Words LEMP; common earthing system; equipotential bonding; shielding

1 引言
??? 有關防雷擊電磁脈沖的一些問題在參考文獻[1]中已有所闡述，本文不再詳述。其主要點是，一座建筑物應只設一個共用聯合接地體，而且應該采用共用接地系統，即一建筑物接至接地裝置的所有互相連接的金屬裝置（包括防雷裝置）。
雷擊電磁脈沖的英文是 lightning electromagnetic impulse，縮寫為LEMP，在國際上是通用名稱。若將L改成N（即nuclear的縮寫），成為NEMP，它是指核爆炸時產生的電磁脈沖，也是一種干擾源，不過它的時間過程是以納秒計。LEMP是以微秒計。若將L改成S，成為SEMP，它是指操作電氣裝置時產生的電磁脈沖，也是一種干擾源。
雷擊電磁脈沖是一種干擾源，通常是指閃電直接擊在建筑物防雷裝置或建筑物附近所引起的效應。絕大多數是通過連接導體的干擾，如雷擊電流或其分流，被雷閃擊中的裝置的電位升高以及電磁輻射干擾。
2 防雷等電位連接
??? 等電位連接區分為防雷等電位連接和電氣安全等電位連接。它們相同點是將分開的導電裝置各部分用等電位連接導體做等電位連接，以減小在雷擊下或電氣裝置故障下可能在這些部分之間產生的電位差。
但防雷等電位連接還包括不能直接連接的帶電體和信息線，當出現危及線路絕緣和設備的電位時通過安裝電涌保護器（SPD）做等電位連接，即當出現危險電位時SPD動作，以減小其兩端的電位差。
2.1 等電位連接網絡
??? 區分為電氣安全的等電位連接網絡和信息系統從直流至高頻的功能等電位連接網絡。這兩個網絡又要互相連接在一起。
電氣安全的等電位連接網絡，主要是通過與配電線路敷設在一起的保護地線（PE）構成，保護地線又必須根據配電系統的大小在多處（如每層樓或有配電箱處）與共用接地系統以及信息系統的功能等電位連接網絡做等電位連接。
信息系統功能等電位連接的基本方法示于圖1，它們的組合示于圖2。

當采用Ss或Ms等電位連接網絡時，信息系統的所有金屬組件，除等電位連接點ERP（即接地基準點）外，應與共用接地系統各組件有大于10 kV、1.2/50?s的絕緣，如鋪以橡膠墊。
通常，Ss或Ms等電位連接網絡可用于相對較小、限定于局部的系統，低頻率和雜散分布電容起次要影響的系統可采用這兩種方法。美國標準[3]建議，當模擬電路的頻率不大于300 kHz時可采用這兩種方法；當數字電路的頻率達MHz級時應采用Mm 型等電位連接網絡.
2.2 Mm型網狀結構接至共用接地系統的功能等電位連接兩例[3]
例一是利用鋼筋混凝土地面內焊接鋼筋網做信號基準網，見圖3，其中的標注是：1-裝有電子負荷設備的金屬外殼；2-混凝土地面的上部；3-地面內焊接鋼筋網，利用其作為高頻信號基準網，除固有的綁扎點外，宜在約500～600 mm網格交叉點上加以焊接。地面內鋼筋網應與其周圍的柱、墻、圈梁內鋼筋連通；4-高頻等電位跨接線，其長度宜短于500 mm。由于高頻集膚效應，應采用薄而寬的金屬帶，銅或鋼材都可以。但與其它鋼質物連接時采用鋼帶的優點是不會產生直流電池的腐蝕效應。兩端的連接應有良好的電氣接觸，最好是焊接；若采用機械連接，每端應用兩根螺桿或螺絲固定；5-每臺外殼應有兩根不同長度的等電位跨接線，長度各為不同于干擾波（人們感興趣的）波長1/4的倍數，并設在外殼的對角處。
例二是在活動地板下用薄銅帶構成的高頻信號基礎網絡，見圖4，其中的標注是：1-薄銅帶，可用0.25 mm x 100 mm；2-薄銅帶與薄銅帶之間的焊接連接；3-薄銅帶與立柱之間的焊接連接；4-薄銅帶與等電位連接帶之間的焊接連接；5-設備的低阻抗等電位連接帶；6-薄銅帶與設備等電位連接帶之間的焊接連接，做法與圖3類似；7-電源配電中心；8-電源配電中心的接地線；9-信號基準網絡與其周圍建筑物鋼柱（或鋼筋混凝土柱上的預埋件）的焊接連接，圖中僅示出3處。若周圍有多根柱子時，應與每根柱子連接；若無其他柱子時，應每隔約5 m與周圍的圈梁或地面內鋼筋連接。
2.3 不應采用獨立接地體[5]
當采用局部（獨立）接地體做為信息技術設備（ITE）的功能接地時，由于在建筑物內的供電系統的某些故障電流會在總接地裝置上產生一電位，它可能使過多的電流經保護地線和信號線流入上述功能局部接地體。（由于在設備處功能接地線和保護地線是連接在一起的）
當安裝了功能接地的附助接地體時，需要采用截面不小于10 mm2銅線或其它等效導電材料的功能接地導體將其連接到裝置的主接地端子板上。這樣做之后，可以減輕以下諸效應：
--減小裝置內保護地線和信號線的過流；
--減小在裝置內部預期可觸及的導電部位之間的接觸電壓；
--減小功能接地體附近的跨步電壓；
--減小電磁干擾，包括雷擊效應，特別是在敏感電子電路附近。
3 線路屏蔽
規范[2]指出：“在需要保護的空間內，當采用屏蔽電纜時其屏蔽層應至少在兩端并宜在防雷區交界處做等電位連接，當系統要求只在一端做等電位連接時，應采用兩層屏蔽，外層屏蔽按前述要求處理。”
以往電纜屏蔽的“金律”要求是，電纜屏蔽層僅接地一次，即僅一端接地。該“金律”的目的在于阻止導電性“接地環路”(屏蔽層多于一點接地，例如每一端都接地)產生不希望有的電流流過。問題是本“金律”不是一個有效的規則，當它僅涉及直流和低頻信號(特別是模擬信號)時有時才是有效的。
現代數據的傳輸電路要求保護信號免受近磁場效應的電磁干擾，因此要求蔽屏層要兩端接地，以使與電磁干擾有關的近磁場在蔽屏層上產生一電流。然后利用這一蔽屏層電流在傳輸信號的導線上建立起反向電流，相位差接近180?,以抵消原來在該導線上感應的電磁干擾電流。這是一個重要的概念，而且對電纜屏蔽層提供靜電屏蔽的能力沒有任何不利的效應。
兩端接了地的電纜屏蔽層可能(例如)由于屏蔽層接了地的兩端之間的電位差而產生不希望有的屏蔽層電流。通常，這類電流與供電系統的基波和諧波有關。
產生于屏蔽層的直流和低頻電流可以采用以下方法消除掉或大大減小，即在屏蔽層的一端在屏蔽層與其接地點之間接入一堵塞器件。例如，裝入一同極性串接起來的兩個整流二極管，以建立起閉鎖電壓，這是由于兩個二極管正向電壓降產生的。若此閉鎖電壓略大于屏蔽層與接地點之間所測量的電壓時(測量端的屏蔽層是開路的)，將無電流流經屏蔽層，直到閉鎖電壓小于所測量的電壓，這時就有電流流經屏蔽層。例如，在這種情況下，正常的供電系統電流不會流經屏蔽層，但雷擊時將會產生較高的電壓而使兩個反向連接的二極管導通，因而產生的電流流過屏蔽層，因此，也會引生所期望的反向電流。
采用瞬時或電涌齊納二極管(例如硅雪崩二極管)通常比采用典型的整流二極管是一種更好的方法。美國許多電話公司經常采用另外一種實用的方法，即在用戶處的電纜屏蔽層與相關接地端之間接入一交流電容器。這一裝置完全阻斷直流電流，由于電容器在低頻下的高阻抗，也幾乎完全阻斷與供電系統有關的屏蔽電流。然而，在高頻下的電流，如雷擊產生的電流，電容器將被看作是一很低的電阻值，并將產生所期望的流經屏蔽層的電流，以便產生前述的反向電流效應。
要注意，當在由電纜兩端的電位差引生的不希望有的屏蔽層電流的頻率與所包含的導線傳送的信號頻率之間的差別較大時，在這種情況下甚至不管由于什么原因產生不希望有的屏蔽層流動電流，也不大可能影響所傳送的信號，這是高速數字信號處理過程的典型情況，也是現代設計中正常的情況。
3．1 電纜屏蔽層僅一端接地可能產生的危險
當電纜屏蔽層僅一端接地，當然另一端是不接地的，這樣，這一不接地的一端，當不管由于什么原因產生危險電壓時，將會在很大可能性上發生火災和人身電擊危險。產生電壓的三種通常形式是:
a)雷擊;
b)交流供電系統接地故障；
c)意外接觸屏蔽層的某一點同時又接觸到另一有較高電壓的系統中的導體。
在上述三種的任一情況中，容易電擊是明顯的，任何人都不愿意在出現危險電壓的時間內接觸到屏蔽層不接地的外露的一端。火災危險顯然不是容易發生的，因為通常要出現以下情況時才具有火災危險，即在電纜屏蔽層與附近接了地的物體（如終端設備的金屬外殼）之間產生電弧以及在附近有易燃物時。然而，若屏蔽層不接地的一端引入設備，這里可能會有一些易燃物，產生的電弧能對諸如印刷電路板、空氣過濾器（其中裝有亞麻布帶并有灰塵）及其它物質有影響。此外，甚至在這種情況下不發生火災，但電弧可能打到內部的電子電路，而使其造成嚴重損壞，或者由于環繞它的近磁場的效應而使其損壞。
對上述危險，美國國家電氣法規（NEC ）[3]要求，電纜信號導線及相關屏蔽層在電纜從室外進入室內通過分界點處要加以保護或接地。NEC的要求是，在分界點處所有信號導線要安裝額定值合適的SPD。而電纜屏蔽層要直接接地或在屏蔽層與地之間安裝SPD。
3．2 美國一石化廠的事故及試驗介紹[6]
美國一個位于海岸邊地區的石化廠，一天下午約5:30，受到一系列直擊雷和雷電感應的襲擊，致使該廠加工區附近的許多電子儀器損壞，超過160臺各種形式的儀器受損。該廠用了兩天半至三天替換這些損壞的儀器。其主要原因就是由于屏蔽電纜的外屏蔽層僅一端接地。后做了試驗說明這一問題的原理。
試驗是在一根8 m長、直徑5.08 cm鋁管上通以62.5 kHz、50 kV、8.73 kA電涌電流，在鋁管外綁上一根雙屏蔽層的控制電纜，該電纜屏蔽層的接地是一端或兩端或開路。
電纜的結構類似于圖5所示。
整根電纜0.19 mm厚鋁屏蔽層的功能示于圖6。干擾電流Im（雷電流或電網短路電流，試驗中以通過上述鋁管的電涌電流代替）產生瞬變磁場，它在整根電纜屏蔽層和其內的導體上感應出一電位。當屏蔽層和導體的兩端接地時即成為一閉合電路，這時，感應出的電位將轉為瞬變電流Is和Ic，這兩個電流是同相的。Is產生的磁場全部包繞電纜內的導體，在其上感應出Isc電流，Isc與Is的相位角相差約180?，也與Ic的相位角相差約180?，因此，Isc與Ic接近于互相抵消。若上述屏蔽層及導體兩端不接地或僅一端接地，這時，沒有閉合電路存在，則僅感應出一電位（電壓），即感應出產生Ic和Isc的電壓，其相位角也相差約180?,所以，它們也接近于互相抵消。
試驗結果示于表1。

62.5 kHz、50 kV、8.73 kA 電涌電流對有整根電纜屏蔽層和每對絞線屏蔽層的電纜的效應?
表1?

流經整根電纜屏蔽層的電流 整根電纜屏蔽層的接地狀態 電纜內導體 的接地狀態 對地的感應 電壓（V）
A 端 B端 A端 B 端?
0 接地 開路 開路 開路 2000
0 接地 開路 接地 開路 2000 ? ? ? ??
1.4 kA 接地 接地 接地 開路 50
1.4 kA 接地 接地 開路 開路 30

4 關于建筑物入戶處SPD的容量和電壓保護水平Up[4]
根據SPD安裝處低壓系統結構的不同，SPD的連接方法要符合表2。

根據系統結構安裝電涌保護器(SPD) 表2
在以下各線之間安裝SPD SPD安裝處的系統結構
TT TN-G TN-S 有中性線引出的IT 無中性線引出的IT
按以下形式連接 按以下形式連接 按以下形式連接?
CT1 CT2 CT1 CT2 CT1 CT2?
每根相線與中性線之間 + o NA + o + o NA
每根相線與PE線之間 o NA NA o NA o NA o
中性線與PE線之間 o o NA o o o o NA ? 此表我不明白何意，你自己調整吧
每根相線與PEN線之間 NA NA o NA NA NA NA NA
各相線之間 + + + + + + + +
注： O --- 必須； NA --- 不適用； + --- 非強制性的，可附加選用

電壓保護水平的選擇，不論是感應雷、遠處和近處直擊雷以及操作過電壓，安裝在電氣裝置的起點或其附近的SPD，其Up不應大于規范[2]中表6.4.4的Ⅱ類，對220/380 V裝置Up不應大于2.5 kV。對表2的CT2連接形式，上述要求也適用于相線與PE線之間的總的電壓保護水平。
當用一組SPD達不到所要求的保護水平時應增加安裝，配合好的附加SPD來保證所要求的保護水平。
當僅考慮防大氣過電壓（感應雷、遠處直擊雷）和操作過電壓時，進戶處SPD的標稱放電電流In，對每種保護模式都不應小于5 kA（8/20）。對于表2中CT2列，對連接于中性線與PE線之間的SPD，其標稱放電電流In對三相系統不應小于20 kA（8/20），對單相系統不應小于10 kA（8/20）。
當考慮建筑物防雷裝置或其附近遭雷擊時，雷擊沖擊電流Iimp(10/350)可按規范[2]計算選取。若不能得出該電流值，每個SPD的Iimp對每種保護模式都不應小于12.5 kA。對于表2中CT2列，連接于中性線與PE線之間的每個SPD的Iimp可按上述規范[2]按接于相線與PE線之間的每個SPD計算值乘以以下倍數選取：對于三相系統乘以4，對于單相系統乘以2。若不能得出該電流值，則對于三相系統，每個SPD的Iimp不應小于50 kA，對于單相系統不應小于25 kA。
5 簡介一種新的SPD產品
由于第4項的各種新要求，以前電壓開關型的SPD，其Up通常都超過Ⅱ類絕緣耐壓能力，即大于2.5 kV，因此近年來國外一些廠家對以前的電壓開關型SPD進行了改進，以使其Up不大于2.5 kV。
放電間隙和氧化鋅壓敏電阻的優缺點見表3。將這二者組合在一起，而且不用退耦元件的一種新產品的原理見圖7。這種組合式SPD在此簡稱FSV。

不同型式SPD的優缺點 表3

SPD的型式 ?氧化鋅壓敏電阻 ???????????????放電間隙
優點? ?低的電壓保護水平Up ???????????????有承受高的沖擊電流Iimp的能力
??????? 無續流 有???????????????????????? 承受高的暫時過電壓的能力 ?

缺點 ???承受沖擊電流Iimp的能力較低 ???????高的電壓保護水平Up
無承受暫時過電壓的能力或者能力小 有顯著的續流

此表我不明白何意，你自己調整吧

圖7 一種SPD新產品的原理圖

FSV應用于三相系統的一些參量如下：Uc為255 V/50 Hz，雷電沖擊電流Iimp(10/350) 為75～100 kA,電壓保護水平Up ≤ 1.5 kV，短路電流能力為25 kArms。Up ≤ 1.5 kV已達到規范[2]表6.4.4中的Ⅰ類。
其特性有三種狀況：
1） 當進來的電壓U < Up時，FSY的保護元件不動作；
2） 當U ≥ Up，而且Wtrigger < Waktiv時，限制過電壓由氧化鋅壓敏電阻完成，放電間隙不用動作；
3) 當U ≥ Up，而且Wtrigger ≥ Waktiv時，觸發放電間隙動作，緊接著主放電間隙動作，使氧化鋅壓敏電阻減輕流過的電流，而不使其損壞。
Wtrigger為與氧化鋅壓敏電阻組合在一起的觸發單元產生的觸發能量（J）。Waktiv為使觸發放電間隙動作的能量。Itot為進入的總電流。iprim為當氧化鋅壓敏電阻響應動作時流經它的電流。isek為主放電間隙響應擊穿導通的電流。

參考文獻
[1] 林維勇，“應該采用共用接地系統”，《工科物理》1999年副刊，現代防雷專輯（二），
14～21頁?
[2] GB 50057-94（2000年版），《建筑物防雷設計規范》
[3] IEEE Std 1100-1999: IEEE Recommended Practice for Powering and grounding Electronic Equipment
[4] 國際電工委員會文件，IEC-TC64/1226/FDIS(2002-01-25), Amendment 1 to IEC 60364-5-53,Ed.3: Revision of Clause 534: Devices for protection against overvoltages
[5] IEC 60364-5-548: 1996 and its Amendment 1: 1998, earthing arrangements and equipotential bonding for information technology installations
[6] K. E. Bow and A. Voltz, “Overall shield protects instrument cable from the effects of lightning”, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. IA-30, no.2, pp. 269-276,
March/April,1994
[7] Ralph Brocke, Friedhelm Noack, Peter Hasse und Peter Zahlmann, “Eine neue Generation von folgestromlosen Blitzstromableitern”, etz, ss.28-30,Heft 1-2/2001