1、雷電防護(hù)及等電位接地的探討與應(yīng)用 線路過電壓、過電流損壞設(shè)備的原因分析及防護(hù)方法1.1 雷擊避雷針、避雷帶、電源線、信號線產(chǎn)生感應(yīng)過電壓（過電流）的現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生的。1.2 圖中的電子設(shè)備和是兩臺互相傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備，假設(shè)電源線上傳輸進(jìn)來kA雷電電流波（10/350S），按圖所示的等效電路，設(shè)備是否會被損壞？圖 獨立接地系統(tǒng)的設(shè)備電位差圖1.2.1 假設(shè)：電源避雷器性能優(yōu)良，其響應(yīng)時間和導(dǎo)通后的殘壓不會損壞電子設(shè)備，雷電流IP=5kA全部流經(jīng)避雷器P進(jìn)入接地點1入地；接地電阻R11、R21、R31，且互為獨立接地。雷電流IP流過接地電阻1時，接地點1的地電位將抬升為G1Ip·R15kV

2、。 1.2.2 該電位G1此時會加到電源的輸入端1，而設(shè)備的接地點2為零電位，則電源輸入端與入地點2之間的電位差a1G25kV。電子設(shè)備開關(guān)電源能耐受的最高電壓為8001500V（10/350S波）,若5kV的電壓波加到1G2兩端，則設(shè)備的電源端將被過電壓損壞。 1.2.3 為了避免設(shè)備的電源端免受雷擊損壞，應(yīng)將接地點G1與G2相連接（如圖所示）。圖 用避雷器防雷的等電位接地圖.2.4 從1.2.3項看，2電位變?yōu)?kV，此時，信號傳輸線另一端設(shè)備的接地點3為零電位，而信號接口2與接地點2之間的電位差VG2a2變成了5kV，從而使信號接口2損壞。 1.2.5 要保護(hù)信號接口2，應(yīng)在信號接口2和

3、接地點2之間安裝殘壓小的信號避雷器A，且接地點必須與2相連。 1.2.6 由1.2.4項可以看出，設(shè)備信號接口被雷擊損壞，該雷電不一定是由信號傳輸線產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓所致。 1.2.7 由1.2.5項可以發(fā)現(xiàn)，雖然設(shè)備的信號接口2并未損壞，但5kV的電壓已加到2與G3端，那么信號接口2會損壞嗎？理論計算與實驗結(jié)果表明：2至2的信號傳輸線，如果線徑1mm，長度大于100m，則線阻加上導(dǎo)線的分布電感所形成的電抗分壓，使得加到2與3的電壓b2G3小于100V，但如果傳輸線小于100m，則有可能使b2G3100V 而使設(shè)備B受到雷擊損壞。 1.2.8 為使設(shè)備得完好保護(hù)，應(yīng)同設(shè)備一樣按1.2.3和1.2

4、.5項的要求去做。假設(shè)雷電從信號線上產(chǎn)生,其分析方法,防護(hù)手段同1.2.1至1.2.8。 直擊雷損壞設(shè)備的原因分析和防護(hù)方法2.1 圖是建筑物受直擊雷后室內(nèi)設(shè)備受損壞的示意圖，圖中、是處在不同樓層的電子設(shè)備;A、B、C為各設(shè)備之間互相通信的信號線;是與建筑物外的設(shè)備通信信號線；1、2、3為不同樓層建筑物內(nèi)部鋼筋引下線；、A、B、C為設(shè)備供電線路；S為設(shè)備工作接地，G為建筑物防雷接地，A、B、C為設(shè)備工作接地在主桿線上的接地點；L、S分別為電源避雷器和信號避雷器。圖3  建筑物內(nèi)設(shè)備受雷擊分析示意圖2.2 假設(shè)雷電直接打在建筑物樓頂避雷帶上，入地雷電流100kA，G1、S1。此時,1、

5、2、3所處的各樓層的電位都將抬升100kV,如果A、 B、C與防雷地不相連接，就會發(fā)生設(shè)備工作地線與建筑物樓板到處打火的現(xiàn)象（反擊），因為100kV的電位差可擊穿的空氣距離達(dá)300500mm（由當(dāng)時的空氣絕緣程度而定）。2.3 如果G與S相距較遠(yuǎn)（如20m以上），設(shè)備工作接地線與樓板、墻壁絕緣較好，地電位的抬升不足以擊穿設(shè)備工作地線。但雷擊時，工作人員剛好與設(shè)備機(jī)殼相接觸，人身體上的某一部位又與地板或墻壁相接觸，雷電將會流過人體進(jìn)入設(shè)備工作接地，人身安全必將受到傷害（作者本人親眼看到此類事故的發(fā)生）。2.4 當(dāng)2.2項和2.3項的事故發(fā)生后，高電位進(jìn)入設(shè)備擊穿設(shè)備的電源端或信號端口，雷電從電源

6、線或信號線流出，構(gòu)成了雷電流回路，使設(shè)備受到損壞，造成雷電電流波的低電位引入現(xiàn)象。2.4.1 為了避免2.2項和2.3項事故的發(fā)生,G與S必須是同一個接地體,即設(shè)備工作地和防雷地必須聯(lián)合接地；聯(lián)合接地后，人身安全了。2.4.2 聯(lián)合接地后，設(shè)備就安全了嗎？不,雷擊時,設(shè)備機(jī)殼通過工作地線流入接地體，由于地線的分布電感及線電阻產(chǎn)生的線電壓降很大（分布電感產(chǎn)生的線電壓將在下一節(jié)討論）,很難保證設(shè)備與與之間的地電位是相等的,當(dāng)電位差大于100V以上就有可能使C、B、A和的接口通過信號連接線將雷電流（或過電壓）引入而損壞接口；當(dāng)雷電產(chǎn)生的電位差大于8001500V，電源輸入端口C、B、A也將損壞（不論

7、是否安裝避雷器L、S，此結(jié)果作者曾做過多次試驗）。2.4.5 要解決直擊雷造成反擊損壞設(shè)備的現(xiàn)象,就得盡量減少各點之間的電位差。具體方法是：各樓層的設(shè)備工作地A、B、 C應(yīng)與該樓層的建筑物主鋼筋相連（至少兩點相連），并在機(jī)房內(nèi)組成環(huán)形匯集環(huán)，如圖所示。接在匯集環(huán)上的設(shè)備與設(shè)備如果互相連網(wǎng)，在雷擊時，因其地電位差極小，從而避免了雷擊反擊損壞。2.4.6 禁止在機(jī)房內(nèi)用細(xì)小的銅線將設(shè)備串聯(lián)接地，因為導(dǎo)線的分布電感和線阻，將使各接地點之間電位差增大。2.4.7 如機(jī)房內(nèi)的環(huán)形接地體無法與大樓內(nèi)的主鋼筋相連，則用兩條銅線同時引下,銅線的截面積為每平方毫米導(dǎo)線最長為0.5m且截面積不宜小于35 mm2。

8、環(huán)形接地體與設(shè)備的電源插座相連或與設(shè)備相連，其連線截面積為每平方毫米導(dǎo)線長度最長為10cm。圖4  機(jī)房內(nèi)的環(huán)形接地匯集環(huán)2.5 進(jìn)入和引出大樓的各種線路均加裝避雷器。且應(yīng)與設(shè)備的工作接地相連。 2.6 由于直擊雷入地的電流強(qiáng)度極大，因此在雷電流入地的過程中，將產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁波，該電磁波會近距離感應(yīng)在大樓內(nèi)各種設(shè)備的線路上，產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，從而使設(shè)備損壞。 2.6.1 防止直擊雷的感應(yīng)過電壓，傳統(tǒng)的辦法是將各線路進(jìn)行屏蔽處理或在每一個線路的設(shè)備輸入、輸出端安裝各種避雷器。 2.6.2 可采用限流避雷針，限制入地的雷電流強(qiáng)度（將在下一節(jié)討論）。 電抗、干擾及避雷器選型3.1 上一節(jié)已提

9、到由于接地導(dǎo)線的分布電感及線電阻在雷電流流過時會造成接地導(dǎo)線上電壓分布不均的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致連接于該接地線上相互連網(wǎng)的設(shè)備因地電位不等而損壞。 3.1.1 以習(xí)慣采用的2.5 mm2的銅線為例進(jìn)行計算：2.5 mm2的銅線1m長其分布電感為L1.01×10-6,線電阻R0.02，按10/350S的電流波 I1kA流過該導(dǎo)線產(chǎn)生的電壓： V1mdI/dt×LR·I103/(10×10-6)×1.01×10-60.02×103121(V)實驗室測量值為：106 V由此可見，如果幾十米的2.5 mm2的接地導(dǎo)線將產(chǎn)生的電位差可達(dá)幾千

10、伏以上。 3.1.2 在防雷工程中認(rèn)真計算接地線上因電抗形成的電位差是非常重要的。建議在實驗室檢測和計算時，機(jī)房設(shè)備接地線采用10/350S、5kA電流波進(jìn)行檢測、計算和設(shè)計。 3.1.3 石化系統(tǒng)的原油罐，是浮頂金屬罐，浮船與罐體用多根25 mm2的軟銅線相連，而浮船與罐體的間隙是絕緣的，雷擊罐頂或罐頂上的避雷針時，由于軟銅線的分布電抗及雷電流太大,浮船與罐體之間的電位差可3.2 聯(lián)合接地可以解決防雷等電位問題,但是,聯(lián)合接地會將工頻干擾、高頻干擾加到設(shè)備上,使得網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備的工作穩(wěn)定性受到危害,并容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、誤碼、通信中斷等。 3.2.1 各種干擾中最主要的是工頻干擾,而

11、工頻干擾表現(xiàn)的是地電位抬升，如三相用電不平衡、零線重復(fù)接地、機(jī)殼漏電等產(chǎn)生的電流。 3.2.2 設(shè)工頻入地電流為,接地電阻為,則地電位抬升為20V，該電壓直接加到計算機(jī)的邏輯低電平上，造成整個系統(tǒng)的誤碼或信號中斷（因為：計算機(jī)的串行通信電平為±12V），而接地電阻在以下，地電位抬升在V以下，計算機(jī)的通信才會安全。 3.2.3 為了保證計算機(jī)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定工作，聯(lián)合接地電阻必須達(dá)到以下。 3.3 在驗收、檢查工頻接地電阻，測試所需的電流極埋設(shè)位置與地網(wǎng)邊緣之間應(yīng)不小于該地網(wǎng)等效直徑的倍，電壓極棒埋設(shè)位置，應(yīng)為電流極棒埋設(shè)位置的0.618倍。 3.3.1 建議禁止使用目前普遍流行的電流極

12、40m，電壓極20m的測量方法來測量大樓和地網(wǎng)等效直徑大于15m的接地系統(tǒng)。 3.3.2 測量方法不對，將導(dǎo)致出現(xiàn)較大誤差。 3.4 避雷器的選型。 3.4.1 從LpzA、B區(qū)（IEC1312-1標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)入室內(nèi)的電源線應(yīng)選取通流量大于40kA（10/350S）的避雷器，由于導(dǎo)線的分布電感，連接于避雷器的導(dǎo)線殘壓很高。由此,應(yīng)在室內(nèi)的其它樓層配電柜上安裝第二級通流量不少于10kA電源避雷器，此處的殘壓仍對設(shè)備有危險，應(yīng)在設(shè)備機(jī)房內(nèi)安裝第三級通流量不小于5kA的避雷器。 3.4.2 從LpzA、B區(qū)進(jìn)入室內(nèi)的信號線上應(yīng)安裝通流量不小于5kA的避雷器，室內(nèi)各線路應(yīng)安裝通流量不小于1kA的信號避雷器

13、。 兩種防雷產(chǎn)品簡介4.1 雷電直擊建筑物將帶來反擊及近距離強(qiáng)烈感應(yīng)現(xiàn)象，要防止設(shè)備損壞，就必須嚴(yán)格進(jìn)行等電位施工及每臺設(shè)備前安裝避雷器。其實這種要求是很難做到的。IEC1312-1標(biāo)準(zhǔn)要求建設(shè)全屏蔽機(jī)房，在我國很難做到，也不現(xiàn)實。因此當(dāng)直擊雷發(fā)生后，減小入地電流，不失為一種最佳選擇。下面簡要介紹一種限流避雷針。限流避雷針（又稱：雷電限流器）采用空氣離子激發(fā)器，在雷云靜電場的作用下，在限流避雷針上能激發(fā)出的電離子數(shù)比普通避雷針在同等電場強(qiáng)度下大倍以上、并以電暈形式構(gòu)成虛擬高度，提高了雷擊放電點的準(zhǔn)確性，增大了保護(hù)角，有效地減少和防止了傳統(tǒng)避雷針的繞擊、側(cè)擊現(xiàn)象。表給出了電力工業(yè)部武漢高壓研究所

14、關(guān)于限流避雷針與普通避雷針模型在相同電場強(qiáng)度下的雷擊放電概率的試驗數(shù)據(jù)。表加壓序號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 放電電壓(kV) 523 525 519 515 517 520 525 524 522 523 放電點 器 器 器 器 器 針 器 器 器 器 能引起間隙放電,造成石油化工廠的原油罐被雷擊起火。(續(xù))加壓序號 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 放電電壓(kV) 524 524 517 519 525 524 523 526 526 510 放電點 針 器 器 針 器 器 器 針 針 器注:表中的“器”為雷電限流器（限流避雷針）,“針”為普通避

15、雷針。結(jié)果對避雷針模型放電次，對雷電限流器模型放電次。限流避雷針采用直徑為108mm,高1500mm的可變阻抗變換器,在雷電閃擊未發(fā)生之前其阻抗值為0.1左右，是雷電閃擊入地的良好通道,當(dāng)雷電先導(dǎo)發(fā)生、發(fā)展至限流避雷針時,根據(jù)電流的大小和隨時間的變化率自動調(diào)節(jié)阻抗值,調(diào)節(jié)后的阻抗值可達(dá)幾百兆歐姆。阻抗調(diào)節(jié)時間為25100nS，當(dāng)阻抗變大后，流過限流避雷針的電流減小，這時阻抗值以極短的時間（25100nS）趨向于值變化,這樣雷電流在未發(fā)生旁閃的時間內(nèi)，始終被限制在限流避雷針的阻抗變換器中流過，周而復(fù)始，直至該次雷擊結(jié)束。阻抗變換的過程如下：I=O I變大 I變小 I變大 I變小 I變大 I變小-

16、 - - - -表給出了限流避雷針限流效果的檢測試驗結(jié)果表： 環(huán)境溫度：32 濕度：65 天氣：晴序 號 輸入波形8/20s 的短路電流(kA) 限流避雷針輸出電流 波形（S/S) 幅值(A) 5 102/452 85 10 383/836 350 20 363/838 566 30 400/827 806 40 380/826 1098 50 348/817 1300 60 193/434 1425 70 367/817 1460 80 333/796 1596 90 409/827 1839 100 375/828 2016 結(jié)論：限流避雷針有提前先導(dǎo)及明顯的限流效果。4.2 本文提到要做

17、到減小干擾源對設(shè)備的影響，就應(yīng)該盡可能地降低接地電阻（小于），但是在城市無足夠的土地搞接地，在高山、巖石、砂土地區(qū)土壤電阻率極高，無法降低接地電阻，應(yīng)如何解決？ 4.2.1 傳統(tǒng)的接地系統(tǒng)與接地體所包圍的面積和土壤電阻率有關(guān)。設(shè):土壤電阻率200.,要求接地電阻值達(dá)到，所需的接地面積為0.25×2/R20.25×200210000（2）由計算所得到的結(jié)論是:一般城市的土壤電阻率為200.,要做一個的接地系統(tǒng)需要接地面積為萬平方米，顯然是很難做到的。 4.2.2 要降低接地電阻，就必須進(jìn)行縱深方向的接地，向縱深垂直地面方向的接地電阻公式為：/2l×ln4l/d-接地電阻，-土壤電阻率，-接地體全長，d-接地體直徑由上式可以看出，接地體埋地越深，接地電阻越小。DK-AG電解地極，用電解液滲透入土壤深處（深可達(dá)幾十米），且無毒、無腐蝕、不易揮發(fā)，導(dǎo)電性能好，對降低接地電阻效果極好。 DK