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摘要： 對(duì)雷電和瞬態(tài)過壓損害低壓系統(tǒng)的機(jī)理進(jìn)行了分析，介紹了雷電侵入低壓系統(tǒng)的幾種途徑及有關(guān)的防護(hù)方法。
瞬態(tài)過壓現(xiàn)象的發(fā)生與整個(gè)自然界和人為的電氣系統(tǒng)的設(shè)備操作有關(guān)，自然界的雷電、極光、電暈、靜電、輻射和電離，都可能導(dǎo)致瞬態(tài)過壓。在各種不同類型的瞬態(tài)現(xiàn)象中，雷電和開關(guān)轉(zhuǎn)換沖擊是最普遍?
每次沖擊造成電子設(shè)備元器件的損傷，使其工作壽命縮短;
因設(shè)備故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)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(nèi)移動(dòng)通話收入的減少;
因業(yè)務(wù)突然停頓造成的信譽(yù)等不可估量的間接損失，如用戶打不通手機(jī)，對(duì)電信部門服務(wù)質(zhì)量的抱怨(不能保證通信順暢)。
1.2 開關(guān)切換造成的瞬態(tài)過壓
導(dǎo)體上有電流流動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)把能量存儲(chǔ)起來，電流越大及導(dǎo)線越長(zhǎng)，儲(chǔ)能就越多。所以，當(dāng)電力傳輸線中斷和大負(fù)載切換時(shí)，在線路上能測(cè)到高達(dá)3500V的瞬態(tài)電壓。
1.3 雷電造成的瞬態(tài)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(nèi)從0上升到100kA;第二部分是第一部分開始后半部5ms內(nèi)達(dá)到2kA，總電荷超過20C;而第三部分是在兩秒內(nèi)達(dá)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(jù)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(gè)正或負(fù)極性的首次雷擊
*一個(gè)正或負(fù)極性的長(zhǎng)時(shí)間雷擊
首次雷擊10/350μs(參見圖2)和后續(xù)雷擊0.25/100μs電流波形的數(shù)學(xué)表達(dá)為i=(I/h){(t/τ1)10/[1+(t/τ)10]｝exp(-t/τ2)………………(1)
t———時(shí)間;S
τ1———波頭時(shí)間常數(shù);τ2———波尾時(shí)間常數(shù)。
我們可以按雷電沖擊侵入設(shè)備的不同形式將雷擊分為直擊雷和感應(yīng)雷。
設(shè)備或線路遭到直接雷擊，全部雷電流都可能經(jīng)過這些設(shè)備或線路再入地導(dǎo)走，這種情況稱為直擊雷。由于落雷的設(shè)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(yīng)雷分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。雷電形成時(shí)，雷雨云底部集中了單極性電荷(如負(fù)電荷)，由于對(duì)地電場(chǎng)的作用，雷雨云下部的大地感應(yīng)出相應(yīng)的正電荷，這就形成了靜電感應(yīng)電場(chǎng)。當(dāng)雷擊放電發(fā)生時(shí)，雷云和大地之間的電場(chǎng)消失，但雷電在周圍空間形成很強(qiáng)的電磁場(chǎng)。由于電磁感應(yīng)，在被保護(hù)物上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，其過電壓幅值與雷電流幅值成正比，與雷擊點(diǎn)距離成反比。雷電磁場(chǎng)達(dá)到0.07高斯和2.4高斯時(shí)會(huì)導(dǎo)致微電子設(shè)備失靈和損壞，這相當(dāng)于100kA的雷電流流過避雷針時(shí)，距離避雷針2.8km及80m處的磁場(chǎng)。一般來說建筑物內(nèi)的電子設(shè)備和避雷針的距離要比這個(gè)距離小得多。同時(shí)也意味著在雷擊中心2.8km的范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生危險(xiǎn)過電壓。下面介紹雷擊對(duì)低壓系統(tǒng)的幾種耦合侵入方式并通過實(shí)例加以說明：
1.3.1 電阻耦合過電壓，(如由屏蔽層電阻或接地電阻引起的耦合)
我們也可導(dǎo)出雷擊時(shí)電纜屏蔽層兩端都接地情況下的反擊過電壓。反擊過電壓，是指雷擊時(shí)設(shè)備的接地點(diǎn)電位升高，使設(shè)備的接地外殼與設(shè)備的導(dǎo)電部分之間產(chǎn)生可能使設(shè)備損壞的高電壓。
表示雷擊在a處時(shí)，建筑物b處的設(shè)備負(fù)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(nèi)芯的沖擊電流;i2———電纜屏蔽層的沖擊電流;φ———電纜內(nèi)芯和電纜屏蔽層回路的磁通量;R1———電纜內(nèi)芯的電阻;R2———電纜屏蔽層的電阻;Zb———建筑物b處的設(shè)備負(fù)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(shí)加在建筑物b處的設(shè)備負(fù)載Zb上的反擊過電壓。
由于雷電形成過程中的靜電場(chǎng)的作用，電荷便積聚在電場(chǎng)中所有的導(dǎo)電物體上。雷擊終止后，靜電場(chǎng)消失，電荷的重新分布便形成物體內(nèi)部及阻抗上的電流，由此產(chǎn)生壓降導(dǎo)致過電壓。
1.3.3 電感耦合過電壓
雷電沖擊電流流經(jīng)導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)，會(huì)在相鄰的各類傳輸線內(nèi)感應(yīng)出一個(gè)過電壓。
1996年4月江西省電力調(diào)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(gè)電纜溝，其中有屏蔽的信號(hào)電纜相連的設(shè)備安然無恙，唯有一根從八樓計(jì)算機(jī)房通過這個(gè)電纜溝引到十樓調(diào)度室終端的RS232通信線沒有屏蔽，信號(hào)線兩端(八樓主機(jī)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(shí)，產(chǎn)生水平方向磁場(chǎng)，感應(yīng)到樓內(nèi)與塔材平行的信號(hào)線上，導(dǎo)致RS232接口損壞：
2.1 防雷保護(hù)區(qū)
IEC標(biāo)準(zhǔn)將需要保護(hù)的空間劃分為不同的防雷區(qū)：Z0A區(qū)———本區(qū)內(nèi)物體都可能遭到直接雷區(qū);Z0B區(qū)———本區(qū)內(nèi)物體不可能遭到直接雷擊，但區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)沒有衰減; Z1區(qū)———本區(qū)內(nèi)物質(zhì)不可能遭到直接雷擊，區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)有可能衰減，衰減程度取決于屏蔽措施。
在實(shí)際應(yīng)用中，我們一般簡(jiǎn)單地將防雷分為外部防雷和內(nèi)部防雷。
2.2 外部防雷系統(tǒng)
外部防雷系統(tǒng)由避雷針(或避雷帶、避雷網(wǎng))、引下線和接地系統(tǒng)構(gòu)成。主要作用是為了保護(hù)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(yīng)、高熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、反擊等均會(huì)產(chǎn)生極大的破壞力。
研究表明，雷電的先驅(qū)尖端離地面高度甚至幾十米，其前進(jìn)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(qiáng)度而定。特別是低強(qiáng)度放電對(duì)地走向是不穩(wěn)定的，可能以一個(gè)角度接近建筑物。這說明傳統(tǒng)的避雷針“保護(hù)角”是不可靠的。因此，GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)程》不再沿用避雷針的“保護(hù)角”概念，而是根據(jù)IEC1024-1提法，在設(shè)計(jì)接閃器時(shí)，可單獨(dú)或任意組合采用滾球法和避雷網(wǎng)格來計(jì)算避雷針(或避雷帶、避雷網(wǎng))的保護(hù)范圍。滾球半徑參見規(guī)范中的104頁。
我們?cè)趯?shí)踐中對(duì)貴冶623線路防雷改造上全面采用了“球切法”來計(jì)算避雷針的保護(hù)范圍。貴冶623線路的電壓等級(jí)6kV，全長(zhǎng)5km，沿線是水田和丘陵。該線經(jīng)常遭受嚴(yán)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(tǒng)。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(zhǎng)和角度均經(jīng)過仔細(xì)計(jì)算。
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