低壓系統的防雷和過壓防護



摘要： 對雷電和瞬態過壓損害低壓系統的機理進行了分析，介紹了雷電侵入低壓系統的幾種途徑及有關的防護方法。

關鍵詞： 雷電；瞬態過壓；低壓系統；防護
0　前言
　　隨著科技的發展，先進電子設備的應用日益廣泛：電子醫療診斷系統、通信系統、工業自動化集成控制系統、計算機網絡等等。這些功能越來越強大的敏感電子設備的工作電壓卻在不斷降低，因而瞬態過壓—特別是雷電形成的瞬態過壓對它們造成損害的可能性大大增加。
1　瞬態過壓和雷電
1．1　瞬態過壓
　　所謂瞬態過壓是指微秒至毫微秒之內產生的尖峰沖擊電壓，如圖1：
　　




　　這種尖峰沖擊電壓有別于一般電源上所謂過電壓，因一般電源過電壓可能維持數秒以上，過壓幅值較小，而這種尖峰沖擊電壓幅值有時會非常高，既可能發生在電源系統中，也可能發生在信號系統中。
　　瞬態過壓現象的發生與整個自然界和人為的電氣系統的設備操作有關，自然界的雷電、極光、電暈、靜電、輻射和電離，都可能導致瞬態過壓。在各種不同類型的瞬態現象中，雷電和開關轉換沖擊是最普遍?

　　因此，在當今電子化時代，雷電和瞬態過壓成了一大公害，它造成的損失可分為4個層次：
　　每次沖擊造成電子設備元器件的損傷，使其工作壽命縮短；
　　多次沖擊后導致設備損壞，而更換和維護設備需要人力、物力；
　　因設備故障導致業務停頓造成各類損失。例如郵電通信的GSM基站因雷擊故障后，本基站覆蓋范圍內移動通話收入的減少；
　　因業務突然停頓造成的信譽等不可估量的間接損失，如用戶打不通手機，對電信部門服務質量的抱怨（不能保證通信順暢）。
1．2　開關切換造成的瞬態過壓
　　導體上有電流流動時，就會產生磁場把能量存儲起來，電流越大及導線越長，儲能就越多。所以，當電力傳輸線中斷和大負載切換時，在線路上能測到高達3500V的瞬態電壓。
1．3　雷電造成的瞬態過壓
　　一次雷電閃擊過程一般由3部分沖擊電流組成：第一部分是10μs內從0上升到100kA；第二部分是第一部分開始后半部5ms內達到2kA，總電荷超過20C；而第三部分是在兩秒內達到200C。因此，雷擊的要害是功率大、能量小、電流大和快速的電流變化。
　　根據IEC1312－1（02．95）的定義，供分析用的一次閃擊由下列雷擊組成：
＊一個正或負極性的首次雷擊
＊一個負極性的后續雷擊（首次以后的雷擊）
＊一個正或負極性的長時間雷擊 　　








　　首次雷擊10／350μs（參見圖2）和后續雷擊0．25／100μs電流波形的數學表達為i＝（I／h）｛（t／τ1）10／［1＋（t／τ）10］｝exp（－t／τ2）………………（1）
（1）式中：
I———峰值電流；A
h———峰值電流的修正系數；
t———時間；S
τ1———波頭時間常數；τ2———波尾時間常數。
　　我們可以按雷電沖擊侵入設備的不同形式將雷擊分為直擊雷和感應雷。
　　設備或線路遭到直接雷擊，全部雷電流都可能經過這些設備或線路再入地導走，這種情況稱為直擊雷。由于落雷的設備或線路上可能承載巨大的雷電流的沖擊，因此直擊雷造成的破壞性極大。感應雷分為靜電感應和電磁感應。雷電形成時，雷雨云底部集中了單極性電荷（如負電荷），由于對地電場的作用，雷雨云下部的大地感應出相應的正電荷，這就形成了靜電感應電場。當雷擊放電發生時，雷云和大地之間的電場消失，但雷電在周圍空間形成很強的電磁場。由于電磁感應，在被保護物上會產生感應過電壓，其過電壓幅值與雷電流幅值成正比，與雷擊點距離成反比。雷電磁場達到0．07高斯和2．4高斯時會導致微電子設備失靈和損壞，這相當于100kA的雷電流流過避雷針時，距離避雷針2．8km及80m處的磁場。一般來說建筑物內的電子設備和避雷針的距離要比這個距離小得多。同時也意味著在雷擊中心2．8km的范圍內都可能產生危險過電壓。下面介紹雷擊對低壓系統的幾種耦合侵入方式并通過實例加以說明：
1．3．1　電阻耦合過電壓，見圖3（如由屏蔽層電阻或接地電阻引起的耦合）




　　雷擊a處時，雷電流入地產生的泄放電流和電壓降，在a處和b處之間產生電位差E。由于建筑物b端的電纜屏蔽層沒接地，在電纜屏蔽層和建筑物b的接地系統間會出現電位差△V。△V的一部分以共態電壓△V1的形式加在等效負載Zb和建筑物b的接地系統間。
　　1997年7月，南昌向塘機場塔臺遭受雷擊，部分計算機網絡損壞，塔臺內的自動轉報通信接口正常。機場通信站距離塔臺較遠，通信站內除與塔臺的自動轉報通信電纜相連的接口板損壞外，其余眾多通信電子設備均正常。通信站與塔臺之間的通信電纜是全部埋地鋪設的。經過仔細分析事故原因，結果發現從塔臺來的通信電纜進入通信站內上配線架時，電纜的屏蔽層沒有接地，導致對應的通信接口板損壞。這是雷擊透過電阻耦合過電壓經屏蔽層破壞設備的典型例子。
　　我們也可導出雷擊時電纜屏蔽層兩端都接地情況下的反擊過電壓，見圖4。



　
　　反擊過電壓，是指雷擊時設備的接地點電位升高，使設備的接地外殼與設備的導電部分之間產生可能使設備損壞的高電壓。
　　圖4表示雷擊在a處時，建筑物b處的設備負載Zb上的反擊過電壓：
　　Vf＝i2R2－i2（R1＋Zb）－dφ／dt＝i2R2－i1（R1＋Zb）－L1di1／dt…………………………………（2）

（2）式中： i1———電纜內芯的沖擊電流；i2———電纜屏蔽層的沖擊電流；φ———電纜內芯和電纜屏蔽層回路的磁通量；R1———電纜內芯的電阻；R2———電纜屏蔽層的電阻；Zb———建筑物b處的設備負載阻抗；L1———電纜芯線電感。
　　可以通過使i1和i2分別等于零，得到電纜兩端屏蔽層分別開路時加在建筑物b處的設備負載Zb上的反擊過電壓。
1．3．2　電容耦合過電壓
　　由于雷電形成過程中的靜電場的作用，電荷便積聚在電場中所有的導電物體上。雷擊終止后，靜電場消失，電荷的重新分布便形成物體內部及阻抗上的電流，由此產生壓降導致過電壓。
1．3．3　電感耦合過電壓
　　雷電沖擊電流流經導線時，導線周圍產生的磁場，會在相鄰的各類傳輸線內感應出一個過電壓。


1996年4月江西省電力調通局大樓北面相距16m左右的84 m高的微波塔上落雷，大樓中靠北面有一個電纜溝，其中有屏蔽的信號電纜相連的設備安然無恙，唯有一根從八樓計算機房通過這個電纜溝引到十樓調度室終端的RS232通信線沒有屏蔽，信號線兩端（八樓主機和十樓終端）的RS232接口損壞。從事故情況分析，由于微波塔落雷，雷電流沿幾乎垂直的塔材（角鋼）向地泄放時，產生水平方向磁場，感應到樓內與塔材平行的信號線上，導致RS232接口損壞，見圖5：
　　同理，當雷擊建筑物的避雷針，雷電流沿避雷引下線下泄時，可能感應到室內的傳輸線上。




2　雷電和瞬態過壓的綜合防護
2．1　防雷保護區
　　IEC標準將需要保護的空間劃分為不同的防雷區：Z0A區———本區內物體都可能遭到直接雷區；Z0B區———本區內物體不可能遭到直接雷擊，但區內電磁場沒有衰減；　　Z1區———本區內物質不可能遭到直接雷擊，區內電磁場有可能衰減，衰減程度取決于屏蔽措施。
　　在實際應用中，我們一般簡單地將防雷分為外部防雷和內部防雷。　
2．2　外部防雷系統
　　外部防雷系統由避雷針（或避雷帶、避雷網）、引下線和接地系統構成。主要作用是為了保護建筑物免受雷擊，通過避雷針為雷電流提供快速可靠的泄放入地途徑。如果雷擊在沒有可靠泄放入地通道的物體上，雷電流的高壓效應、高熱效應、機械效應、靜電感應、電磁感應、反擊等均會產生極大的破壞力。
2．2．1　避雷針（或避雷帶、避雷網）的保護范圍
　　研究表明，雷電的先驅尖端離地面高度甚至幾十米，其前進方向依然可能不受地上和地下特征的影響。具體高度視雷電強度而定。特別是低強度放電對地走向是不穩定的，可能以一個角度接近建筑物。這說明傳統的避雷針“保護角”是不可靠的。因此，GB50057－94《建筑物防雷設計規程》不再沿用避雷針的“保護角”概念，而是根據IEC1024－1提法，在設計接閃器時，可單獨或任意組合采用滾球法和避雷網格來計算避雷針（或避雷帶、避雷網）的保護范圍。滾球半徑參見規范中的104頁。
　　我們在實踐中對貴冶623線路防雷改造上全面采用了“球切法”來計算避雷針的保護范圍。貴冶623線路的電壓等級6kV，全長5km，沿線是水田和丘陵。該線經常遭受嚴重雷害：瓷瓶炸飛，線路擊斷，變壓器被擊壞，雷電竄入低壓系統。我們選用的方案是在每基電桿上裝V型避雷針（避雷針基座已獲國家專利），針長和角度均經過仔細計算。
　　從圖6、圖7的不同角度可以看出V型避雷針都能有效保護輸電線不受直擊雷。當雷云降低高度并且以一個角度從側面接近線路時，V型避雷針也能有效保護輸電線不受直擊雷。自1995年底貴冶623線路采用V型避雷針進行防雷改造，自1996年初改造完成并投入運行以來，取得了比較滿意的防雷效果。




　　對于塔高大于60m或高山上的微波站，筆者提出一種微波（通信）天線防直擊雷的避雷方法———由塔頂避雷裝置和水平針或塔周圍的獨立避雷針組成。它們的具體尺寸和保護范圍要根據實際情況用“球切法”計算出來。塔頂避雷裝置和水平針可由符合接閃要求的鋼材組成，造價低廉，見圖8。
　　總之，筆者認為在防雷實踐中應緊扣防雷規范，并結合被保護物的現場實際情況靈活、嚴謹地加以應用。








2．2．2　避雷引下線
　　常規的避雷引下線是具有一定截面積的元鋼、角鋼、和多股銅芯線等。雷電沖擊電流流經避雷引下線時，引下線周圍會產生強磁場。?虼耍?緣脫瓜低扯?裕?鮮隼嘈偷囊?孿叨疾皇?擲硐搿?
　　靜電場同軸電纜大大克服了常規引下線的缺點，它可改變瞬態響應，其特性阻抗只有銅芯線的四分之一，沖擊阻抗小于鐵塔阻抗的十分之一。這種電纜的內、外導體之間的電容較大，降低了它的阻抗，并且使電纜截面上的電壓降小到絕緣介質能夠承受的水平。雷電放電電流通過同軸引下線的內導體入地時，接地的外屏蔽層對內導體起屏蔽作用，防止引下線與建筑物之間存在很高的電壓以及引下線周圍的強磁場對建筑物內低壓系統的感應。
　　因此，靜電場同軸電纜能夠安全地將雷電流從通信塔或高層建筑上引導入地。
2．2．3　接地系統
　　外部防雷接地主要是為了在雷擊的情況下，快速、安全地將雷電流導入大地。
　　低壓系統的防雷接地，其概念不僅僅是外部防雷地，還涵蓋了直流工作地、交流工作地、保護地等接地概念。現代的接地系統，應盡可能是低阻抗的，以對雷擊和瞬態過壓提供防護，以及抑制通信電子系統的噪聲。
　　接地方式，應按單點的原理設計，即直流工作地、交流工作地、保護接地和防雷接地等四種接地宜共用一組接地裝置的聯合接地方式，這是目前國際、國內各種防雷規范所共同推薦的。
　　接地技術本身不是一門精密的學科，在實際應用中不可生搬硬套。在地電阻率很高的地區，如在高山微波站和高山電視臺，采用等電位的措施比絕對的把系統的接地電阻降下來要來得經濟有效。江西704電視臺坐落在井岡山黃洋界1400 m的山頂上，植被僅0．4m左右厚，下面全是巖石，地勢險峻，雷害嚴重。在這個臺的防雷改造工程中，我們將絕對地阻降到一定水平后，考慮到在僅靠過分延長接地體和增大地網面積來繼續降低接地電阻，對于抗雷電沖擊效果并不好，另外電視臺拮據的接地經費也不允許增加工程量，于是我們采取了嚴格的等電位措施，并在實際運行中取得很好的效果。
　　所謂聯合接地方式也不是絕對的。首先，一般對建筑物及其內部系統本應聯合共地，但有些設備廠家卻強調其設備的工作地必須獨立接地，原因估計有兩個：一是擔心大樓其它接地不可靠；二是擔心漏電流工頻干擾信號竄入。其次，特殊的發射設備如機場的指點信標機，其工作地是作為輔助發射電極，因此必須獨立接地。再者，野外分散布置并且雷電較強地區，如昌北機場跑道旁的各氣象設備的防雷，可設置獨立避雷針。獨立避雷地網和設備的工作地網要保持一定距離。對同一系統的獨立地網之間可用地網連接器相接（如德國OBO公司的GAP－480D），兩個地網平時處于隔離狀態，雷擊時，當它們之間的電位差超過1000V時，地網連接器自動導通，以平衡兩個地網的電位。
2．3　內部防雷系統
　　內部防雷系統包括屏蔽、等電位、限幅、金屬導體的路由布置、接地等措施。在一個完善的內部防雷系統中，這些措施是不可或缺的，它們從各方面對產生瞬態過壓的耦合機制起防護作用。限于篇幅，下面談一談現代低壓電源主要的限幅設備———瞬態過壓保護器（又稱浪涌抑制器，簡稱電源防雷器）：


3．3．1　電源防雷器
　　電源防雷器的主要作用，是在雷電波的沖擊到來時瞬間足夠快地將其導入接地體，并且使防雷器之后線路上的殘壓降低到能夠保護設備的安全。
　　電源防雷器的性能決定了其作用。通流量、箝位電壓、響應時間是電源防雷器的三項主要性能指標。要弄清這些指標的含義需要一些比較深入的知識。防雷器的主要工作原理，是通過將瞬間雷電波鉗位于安全電壓來達到保護電器設備免遭雷擊，這里面涉及一個來雷大小的問題，國際標準測試指標一般是10kA、8／20us（圖2）的雷電沖擊波。而在實際應用中，雷電流的沖擊可達幾十至上百kA，這時候要從兩方面來衡量防雷器的性能。一方面防雷器的最大耐沖擊電流能否滿足要求，如果防雷器的最大耐沖擊電流小于實際進入線路的雷電的沖擊電流，則防雷器本身會被損壞，我們在撫州708電視臺（山頂上）的應用中發現耐沖擊電流較小的雷地通在成功保護了設備的同時，本身被雷電流擊壞，后來換上德國OBO的V25（初級）和V20（次級），經過了一些大的雷擊考驗，受保護的設備和防雷器本身均安然無恙。因為V25的最大耐沖擊電流可達100kA。另一方面來說，國際上較先進的防雷器鉗位電壓的能力與雷電來波的轉換比是1：3，雖然在標準測試電流10kA、8／20us的沖擊下，防雷器的殘壓可能滿足安全要求，但是實際來波往往大于這個測試指標，比如在雷電流達到20kA、50kA的情況下，防雷器出線側的殘壓就可能會大于設備的安全保護電壓。在這里的分級保護概念無疑是一個最好的解決方案，舉例說假如來波是50kA、8／20us時，可以肯定所有的同類防雷器（假設防雷器的最大耐沖擊電流大于50kA）殘壓會在1500V以上（通訊設備輸入電壓模塊一般承受瞬間沖擊電壓可達1000V），就會導致受保護設備的損壞。這時就應再加裝第二級防雷器將第一級的殘壓再次鉗位轉換至安全電壓范圍。
　　據統計電子設備所受雷害的80％是由雷電波侵入電源部分引起的，因此電源防雷器選型相當重要。目前，國內市場上380V低壓電源防雷器（包括進口和國產的）不下幾十種。但專業高檔的低壓防雷器真正在國內較廣泛的應用也只是近幾年的事。我們從1993年起為遭受過嚴重雷擊的單位根據不同的條件選用了性能指標優良的美國的力博特、英國的雷地通、德國的OBO和中美合資愛勞的電源防雷器，經過幾年的考驗，均取得了十分理想的效果。同時，也使我們獲得了這些防雷器應用的一手資料。
　　防雷器的標準在ANSI／IEEE、UL、IEC、CCITT、FCC、CSA、DIN、NEC等國際標準中分別都有相應的規定。
　　國內權威的低壓防雷器測試機構分別是：原郵電部電信總局通信防護技術維護支援中心；原郵電部通信產品防護性能監督檢驗測試中心；中國鐵路通信信號總公司沈陽雷電防護試驗站；電子工業安全與電磁兼容檢測中心；電力部電力科學院等。
　　這些測試機構尤其是郵電部測試機構提供的檢測報告可為電源防雷器主要性能指標提供可靠的、值得信賴的依據。
　　只要電源系統嚴格規范實施，加上性能優越的電源防雷器，可以將來自電源的瞬態過壓（雷電、電網設備切換等形成的）對低壓系統造成的危害降低到接近于零。


4　前景
　　對現代低壓系統來說，防雷和瞬態過壓的防護已經擺到相當重要的位置。綜合防雷工程的實施可為低壓系統的安全提供全面的保護，筆者經歷的大量的防雷工程實踐已成功地證明了這一點。

參考文獻：
［1］［美］G．夏里克著，侯景韓譯．《接地工程》人民郵電出版社，1988．
［2］曾永林．《接地技術》，水利電力出版社，1979．
［3］《雷電電磁脈沖的防護》IEC－1312－1（1995．2），IEC－1312－2－（1994．11），IEC－1312－2（1996．10）
［4］國內防雷規范
GB50057－94　《建筑物防雷設計規范》
YD5068－98　DL548－94《移動通信基站防雷與接地設計規范》
GB50174－93　《電子計算機機房設計規范》
GB50200－94　《有線電視系統工程技術規范》