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摘要： 對雷電和瞬態(tài)過壓損害低壓系統(tǒng)的機理進行了分析，介紹了雷電侵入低壓系統(tǒng)的幾種途徑及有關的防護方法。
瞬態(tài)過壓現(xiàn)象的發(fā)生與整個自然界和人為的電氣系統(tǒng)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(tài)過壓。在各種不同類型的瞬態(tài)現(xiàn)象中，雷電和開關轉換沖擊是最普遍?
每次沖擊造成電子設備元器件的損傷，使其工作壽命縮短;
因設備故障導致業(yè)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(nèi)移動通話收入的減少;
因業(yè)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(tài)過壓
導體上有電流流動時，就會產(chǎn)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(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)達到2kA，總電荷超過20C;而第三部分是在兩秒內(nèi)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(jù)IEC1312-1(02.95)的定義，供分析用的一次閃擊由下列雷擊組成：
*一個正或負極性的首次雷擊
*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(xù)雷擊0.25/100μs電流波形的數(shù)學表達為i=(I/h){(t/τ1)10/[1+(t/τ)10]｝exp(-t/τ2)………………(1)
t———時間;S
τ1———波頭時間常數(shù);τ2———波尾時間常數(shù)。
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(jīng)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(fā)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)都可能產(chǎn)生危險過電壓。下面介紹雷擊對低壓系統(tǒng)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，(如由屏蔽層電阻或接地電阻引起的耦合)
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。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(chǎn)生可能使設備損壞的高電壓。
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(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。
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(nèi)部及阻抗上的電流，由此產(chǎn)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(jīng)導線時，導線周圍產(chǎn)生的磁場，會在相鄰的各類傳輸線內(nèi)感應出一個過電壓。
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(diào)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(chǎn)生水平方向磁場，感應到樓內(nèi)與塔材平行的信號線上，導致RS232接口損壞：
2.1 防雷保護區(qū)
IEC標準將需要保護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)電磁場沒有衰減; Z1區(qū)———本區(qū)內(nèi)物質不可能遭到直接雷擊，區(qū)內(nèi)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(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(chǎn)生極大的破壞力。
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(wěn)定的，可能以一個角度接近建筑物。這說明傳統(tǒng)的避雷針“保護角”是不可靠的。因此，GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)程》不再沿用避雷針的“保護角”概念，而是根據(jù)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(wǎng)格來計算避雷針(或避雷帶、避雷網(wǎng))的保護范圍。滾球半徑參見規(guī)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(jīng)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(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)，針長和角度均經(jīng)過仔細計算。
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