雷電沖擊電壓下接地裝置的電壓升高和反擊

1、雷電沖擊電壓下接地裝置的電壓升高和反擊 昆明昆雷電力科學(xué)研究所 梅忠恕     摘要：當(dāng)接地裝置泄放雷電流時，在其上將產(chǎn)生瞬間電位升高。聯(lián)接在接地裝置上的設(shè)備的電位與接地裝置的電位同時升高。從外界引入設(shè)備的各種傳輸線，如電源線、通信線以及數(shù)據(jù)采集和控制線等將受到接地裝置升高電位的反擊。對電位反擊的防護是防雷的主要任務(wù)之一。 關(guān)鍵詞：雷電沖擊電壓 地電位升高 地電位反擊   1前言 防雷的主要任務(wù)有三：直擊雷防護、二次雷防護和雷電電磁輻射干擾的防護。二次雷又主要包括沿（各種）線路侵入室內(nèi)的感應(yīng)雷（俗稱浪涌電壓）和從接地裝置產(chǎn)生的地電位升高和地電位不均兩個方面，后者又

2、形成地電位反擊。從防雷論壇反饋的信息，不少人對接地裝置的地電位升高和反擊的機理感到疑惑不解。本文著重介紹和分析了在雷擊發(fā)生時接地裝置的電位升高及其帶來的電壓反擊。 2雷電沖擊電壓的產(chǎn)生及量值的估計 2.1雷電沖擊電壓的產(chǎn)生機理 在雷擊發(fā)生前，接閃器、引下線和整個接地裝置都處于與大地相同的零電位，這時在它們之間沒有電壓分布不均的問題，在接地裝置與聯(lián)接在它上面的設(shè)備之間也不存在電位反擊。而在接閃后，當(dāng)雷電流流過引下線和整個接地裝置的時候，雷電流在接地裝置各部分造成的電壓降是不相等的，于是在接地裝置各部分之間就存在電壓分布不均，而在接地裝置與接在其上的設(shè)備之間就有電位反擊（或電壓反擊）的問題。 雷電

3、流的頻率較高，無論它在導(dǎo)線或在空氣放電通道中流過時都不能簡單地看成一個純電路的問題。一般的電路是以集中參數(shù)形式存在的電阻、電感和電容組成的電路。而對于一個較高頻率的雷電流，與之相關(guān)聯(lián)的更主要的是以分布參數(shù)存在的電感和電容以及由它們組成的波阻抗。考慮波阻抗，就涉及到電磁場的問題。雷電流在空氣的放電通道中流過時，更多的是與波阻抗有關(guān)。而在雷打下來以后，雷電流進入接地裝置時，更多的是與導(dǎo)體的集中參數(shù)的電阻、電感有關(guān)。 當(dāng)接閃器接閃雷電流時，強大的雷電流將通過接閃器、引下線和接地網(wǎng)泄放入地。對于單根引下線，為簡化起見，我們暫且只考慮電路中的電阻和電感，而不考慮它的波阻抗。于是，在泄放雷電流時，在防雷裝

4、置上將產(chǎn)生雷擊沖擊電壓U： （1） 式中，R引下線和接地網(wǎng)的電阻，W； L引下線和接地網(wǎng)的電感，H； i雷電流，kA； di/dt雷電流對時間的變化率，kA/mS。 由式（1）可知，直接雷擊沖擊電壓（或稱直擊雷過電壓）U，它不僅與雷電流的大小和陡度有關(guān)，而且同引下線和接地裝置的電阻和電感有關(guān)。 需要注意，雷電流是一個脈沖電流波，由它產(chǎn)生的雷電過電壓也是一個脈動電壓波。即是說，它們的瞬時值是隨時間變化的，要計算雷電過電壓的最大值，即幅值，需要用雷電流i的幅值I和陡度di/dt的最大值代入式（1）進行計算。 如果泄放雷電流的不是單根引下線，而是由鋼筋混泥土梁和柱中的鋼筋組成的接地網(wǎng)絡(luò)，在估算雷電流

5、所致電壓升高時，還應(yīng)考慮雷電流在各網(wǎng)絡(luò)支路中的分配。 2.2 雷電流參數(shù) 要計算雷擊沖擊電壓，需要知道雷電流的參數(shù)大小。建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（GB50057-2000）附錄六中給出了首次雷擊的雷電流參數(shù)，如表1所示。需要指出，國標(biāo)GB/T16972.1高電壓試驗技術(shù) 第一部分：一般試驗要求中規(guī)定的沖擊電流有兩類：第一類標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流有四種波形，分別為1/20S、4/10S、8/20S和30/80S；第二類沖擊電流為方波電流，其峰值持續(xù)時間為500S、1000S、2000S或者在2000S與3200S之間，而國標(biāo)GB50057-2000規(guī)定的首次雷擊的雷電流的波頭時間卻是10S，對三類防雷建筑都一樣

6、。兩者相差非常之大。我們不討論它們相差的原因，在以后的計算中，我們只能應(yīng)用GB50057-2000中規(guī)定的波頭時間（見表1），并以此計算出雷電流的陡度。 表1 國標(biāo)GB50057-2000規(guī)定的首次雷擊電參量 雷電流參數(shù) 防雷建筑物類別 一類 二類 三類 雷電流幅值I（kA） 200 150 100 波頭時間T1（S） 10 10 10 雷電流陡度di/dt（kA/S） 20 15 10   2.3 接地裝置的參數(shù) 防雷接地裝置主要包括兩部分：防雷引下線和接地系統(tǒng)（接地網(wǎng)）。對于引下線，主要考慮它的電感，而忽略它的電阻；對于接地系統(tǒng)（網(wǎng)），則主要考慮它的接地電阻，而忽略它的電感。 通

7、常的單根鋼筋接地引下線，其電感可按每米1微亨（1H/m）計算。而接地系統(tǒng)（網(wǎng)）的接地電阻國標(biāo)中已有要求，如果實測接地電阻比國標(biāo)的要求小，計算時按國標(biāo)的要求數(shù)值計算；如果實測接地電阻比國標(biāo)的要求大，就按實測的接地電阻進行計算。 2.4 雷電沖擊電壓的量值估計 對于獨立避雷針的單根引下線，如果我們忽略它的電阻而假設(shè)其電感為1H/m，若按三類防雷考慮，雷電流的波頭時間為10S，雷電流幅值100kA , di/dt = 10 kA /S，可得沿引下線的雷電電壓降為10kV/m。對于一類建筑，雷電流幅值200kA , di/dt = 20 kA /S，則沿引下線的雷電電壓降為20kV/m。 假設(shè)一個接地

8、系統(tǒng)，它的接地電阻為4，100kA的雷電流在它上面將產(chǎn)生400kV的電壓降，雖然這個電壓降是以大地遠處的零電位為參考點，但也是一個十分巨大的數(shù)值，它將帶來一系列的危害效應(yīng)。 為了減小雷電流在引下線和接地裝置上造成的巨大的電壓降，需要盡可能地降低引下線的電感和接地裝置的接地電阻和電感。采用多根引下線并聯(lián)，如混泥土梁柱內(nèi)的鋼筋就是多根并聯(lián)，可以大大降低它的電感參數(shù)，就可達到降低雷電沖擊電壓的目的。   3雷電沖擊下接地裝置電壓的反擊類型 3.1雷電沖擊下地電位（壓）升高的機理 我們在討論雷電沖擊電位（壓）升高之前應(yīng)明確了解遠處接地裝置和本地接地裝置兩者的區(qū)別，即“遠地”與“本地”的區(qū)別。

9、在沒有雷電活動的時候，兩個地的電位都一樣，都處于零電位，沒有電位差。而當(dāng)“本地”接地裝置泄放雷電流時它們的區(qū)別就顯現(xiàn)出來了。雷電流會在“本地”接地裝置上產(chǎn)生電壓降，有時我們又稱此電壓降為電壓升高。其實，電壓降和電壓升高在本質(zhì)上是一回事。我們暫且不管雷電流的正負極性，而只討論它的量值的大小。上面所說的電壓降是沿雷電流的方向而言，雷電流在接地裝置上產(chǎn)生了電壓降落。當(dāng)談到電壓升高時，是站在“本地”接地裝置上相對于“遠地”而言具有的高電位。即是說，“本地”相對于“遠地”的零電位有了電位的升高。 從遠處引入建筑物的電源線、通信線和其它線路，它們連接在遠處的地上。它們自身的工作電壓就是以“遠地”電位為參考

10、點的電壓，因此它們在引來工作電壓的同時也引來了遠處大地的參考零電位。在雷擊發(fā)生之前，“本地”接地裝置被認為是處于零電位，比那些外引導(dǎo)線和設(shè)備的工作電位都低。而在雷擊發(fā)生的短時間內(nèi)，在“本地”接地裝置上產(chǎn)生的這個瞬間電壓升高就成為一個相對于外引導(dǎo)線和設(shè)備的真實的電壓升高了。一旦在這個電壓下發(fā)生電擊，其方向就是從“本地”接地裝置擊向這些外引導(dǎo)線和設(shè)備，所以稱為反擊。認識它的本質(zhì)對于防護它的危害具有十分重要的意義。 3.2輸電線路的雷擊過電壓反擊 電力系統(tǒng)的輸電線路在正常運行情況下三相線路是帶有額定高電壓的，而架空地線和桿塔是接地的，處于零電位。35kV及以上線路的三相架空電線通過絕緣子串懸掛在桿塔

11、橫檔上，而10kV及以下線路通常采用針式絕緣子或瓷橫檔固定在桿塔頂上或橫檔上。當(dāng)雷擊桿塔頂或架空地線時，雷電流通過桿塔接地電阻向大地泄放，由于桿塔或接地引下線具有電感和電阻，桿塔的接地裝置也有電感和電阻，雷電流在這些接地電阻和電感上將產(chǎn)生很高的過電壓。 例如一條35kV輸電線路，桿塔高15m，桿塔的接地電阻為4，按上述公式（1），一個I=100kA、di/dt = 10 kA /S的雷電流在桿塔頂上產(chǎn)生的沖擊電壓為： （2） 這個過電壓是出現(xiàn)在桿塔頂端懸掛或安裝絕緣子的地方。它高出線路對地電壓（35/3=20.2kV）多倍。這時，線路導(dǎo)線上的（輸電）電壓相對于雷電沖擊電壓是低電壓了，原本接地而

12、現(xiàn)在卻處于高電壓的桿塔將向線路導(dǎo)線發(fā)生反擊和閃絡(luò)放電。如圖1所示。圖1 輸電線路接地橫檔對導(dǎo)線的反擊3.3 接地裝置或引下線的旁側(cè)閃擊 接地裝置或引下線的旁側(cè)閃擊如圖2所示，它是一個避雷針?biāo)軐τ卩徑O(shè)備反擊的示意圖。 前面我們已經(jīng)介紹，當(dāng)通過引下線或避雷針?biāo)狗爬纂娏鲿r，沿引下線或避雷針?biāo)须妷航?。若塔頂上的避雷針A接閃，塔身上的某點C距地高為h米。與C點相近的設(shè)備B是連接在地上D點而具有與地E相同的電位。這樣B點與C點之間就有電壓降UK。若B點與C點之間的空氣間隙不足以承受此電壓，則C點將對B點擊穿放電，稱為旁側(cè)閃擊，將危及設(shè)備B。 為了防止旁側(cè)閃擊的發(fā)生，其它設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)，包括其它接

13、地裝置和構(gòu)架，必須與防雷引下線或獨立避雷針?biāo)乃芙Y(jié)構(gòu)保持一個間隙距離SK。由于雷電沖擊放電電壓與很多因素有關(guān)，如電壓的波形、作為電極的構(gòu)架的結(jié)構(gòu)形式、電壓的極性以及大氣環(huán)境條件等。因此，為了計算這個間隙距離，只能將其中有些條件簡化，才能進行比較粗略的計算。例如，我們?nèi)饪臻g隙的雷電沖擊放電電壓為500kV/m、雷電流幅值按150kA、雷電流陡度按50 kA/S計，避雷針?biāo)碾姼邪锤叨让棵?H計，這樣，圖2中CB的距離Sk必須等于或大于： （3） Sk的單位為米，而h是以米為單位的避雷針?biāo)?yīng)點C的高度。   圖2 接地塔架對鄰近物體的反擊按電力部門頒布的規(guī)程，Sk不得小于5m。 接

14、觸電壓對人身的傷害就是旁側(cè)閃擊的一種表現(xiàn)。只不過接觸電壓僅只考慮離地高度1.8m處的電壓，這是我們一般人的身體加上伸手的高度。   3.4 在地中接地網(wǎng)之間的電位反擊 防雷接地網(wǎng)在泄放雷電流時會有電壓升高，圖2中的曲線L為泄放雷電流時地中電位衰減曲線，而電壓U0為雷電流在接地電阻R上的壓降，此電壓直到無窮遠處才衰減為零，即大地零電位。因此在防雷接地網(wǎng)與其它接地系統(tǒng)或接地極之間也會有電壓升高。圖2中所示為防雷接地網(wǎng)與另一設(shè)備的接地點D之間的電壓UD。如果它們相距太近，在它們之間就會發(fā)生放電和閃絡(luò)，從而危及接在這些接地系統(tǒng)上的設(shè)備的安全。為了避免這種放電的發(fā)生，電力系統(tǒng)的防雷規(guī)程要求防雷

15、接地網(wǎng)必須與其它接地體相距一定的地中距離Sd。 計算地中距離Sd比計算空中距離Sk更復(fù)雜一些。因為地中泥土的沖擊擊穿電壓不僅與泥土的質(zhì)量、成份有關(guān)，而且與泥土的潮濕程度等諸多因素有關(guān)。要準(zhǔn)確估計泥土的擊穿電壓是很困難的。對于干燥的土壤，其擊穿電壓不會比空氣的擊穿電壓低。我們就仍以空氣的擊穿電壓進行計算。當(dāng)考慮地中距離時，無需再考慮塔的電感了。因此式（3）中后一項不再存在，于是地中距離Sd必須等于或大于： （4） 式中R防雷接地網(wǎng)的接地電阻。按電力部門頒布的規(guī)程，Sd不得小于3m。 如果不能將防雷接地網(wǎng)與其它接地網(wǎng)分開到上述足夠的距離，那就只好將它們聯(lián)接在一起，形成共用接地系統(tǒng)。 3.5 法拉第

16、孔對穿過它的導(dǎo)線的電壓反擊 在高電壓工程與防雷工程中，我們都熟知法拉第籠，它是由接地的金屬導(dǎo)體組成的密閉空間。按靜電學(xué)的知識，在這個籠體空間中，電場強度各處為零，組成籠體的金屬導(dǎo)體各處都是相等電位，并且外部的電磁射線不能穿透進入籠體中，或者在進入籠體的時候?qū)⑹艿綐O大的屏蔽衰減。因此在籠體中的設(shè)備可得到很好的對雷電電磁輻射的防護。 在現(xiàn)代鋼筋混泥土建筑中，將所有混泥土梁、柱和地板中的鋼筋都聯(lián)接起來，并接地，于是幾乎整座建筑物和其中的每一間房間都可看成法拉第籠。這樣做確實對其中設(shè)備的防雷保護有很大的優(yōu)點。但是不能忽視這么一個問題，就是裝在房間中的設(shè)備總得與外界有電氣的聯(lián)接，如供電電源線、通信信號線

17、、數(shù)據(jù)采集線、以及還可能有其它的金屬管道等等。這些導(dǎo)線和管道在進入房間的時候，必然需要在房間的墻上開孔，然后穿入其中。這樣的孔稱為法拉第孔。圖3 法拉第孔對穿過導(dǎo)線的反擊從法拉第孔穿過進入法拉第籠的導(dǎo)線和管道都是與“遠地”相聯(lián)系的，而法拉第孔則是與“本地”相聯(lián)的。當(dāng)建筑物上的避雷設(shè)施接閃時，整個法拉第籠的電位都將極大地提高，并且法拉第籠也不再是等電位體，而從法拉第孔穿過的各種導(dǎo)線和管道的電位仍保持“遠地”的地電位，這樣，這些導(dǎo)線和管道與法位第孔之間就會產(chǎn)生放電，如圖3所示。這種放電極易造成損失極大的災(zāi)難和事故。如荷蘭一個5000m3煤油罐因雷擊爆炸，緣于罐內(nèi)測溫的熱電耦接線穿過罐體接到控制室；

18、德國一化工廠的酒精罐的爆炸，印度尼西亞一煉油廠遭雷擊燒掉了6個大油罐，等等，都是法拉第孔對穿過它的電線的閃擊造成的重大事故。不知我國損失極大的黃島油庫火災(zāi)是否就是源于這樣的原因。 3.6 地電位對接地設(shè)備的反擊 各種用電設(shè)備都是要接地的。設(shè)備接地后，它的電位就與接地裝置的電位一起變動。在雷電沖擊下，地電位升高，接地設(shè)備的電位也跟著一起升高。在設(shè)備與接地裝置之間本無電位差，似乎不存在電位反擊的問題，可是，我們不能忘記，設(shè)備不是孤立的，它與外界還有各種聯(lián)系，這些與外界聯(lián)系的線路引來了遠地的零電位。于是在設(shè)備與這些外引線路之間將發(fā)生電位反擊。反擊主要發(fā)生在： 電源供電線路和相聯(lián)的電源變壓器； 引入（

19、出）室內(nèi)設(shè)備的通信、控制、信號以及數(shù)據(jù)采集等線路和聯(lián)接在這些線路上的接口設(shè)備； 從室外引入室內(nèi)的各種金屬管道、電線電纜等。 下面主要就對電源線的反擊進行介紹。 3.6.1 電源地與本地共用接地相連時 這是TN系統(tǒng)供電的情況，TN系統(tǒng)的地線與零線共用一根導(dǎo)線PEN把用電負荷近處與本地的共用接地聯(lián)接在一起（參見GB50057建筑物防雷設(shè)計規(guī)范圖）。 當(dāng)雷擊發(fā)生，本地共用地的電位升高時，一個沖擊電壓（電流）波將沿PEN線往電源方向傳播，隨著此電壓波的傳播，它將很快衰減。另一方面，由于電源火線仍保持原來的220V，屬于低電位，這時接地裝置上的電壓將向電源線反擊，可能導(dǎo)致的損壞發(fā)生在用電設(shè)備的電源變壓器

20、的原邊繞組的下部端頭附近，使繞組的縱絕緣擊穿損壞。這是設(shè)備被雷擊損壞的部位多在其電源變壓器處的原因。 如果設(shè)備還有信號線或其它線路與外界相連，其聯(lián)接接口也是易發(fā)生雷擊損壞的部位。 3.6.2 電源地與本地共用地不相連時 這是TT系統(tǒng)供電的情況，TT系統(tǒng)的電源只有零線N，而無地線，此零線雖然在電源變壓器處接了地，但來到用電負荷近處沒有與本地的共用地聯(lián)接在一起。在用電負荷處，零線N與地線PE沒有直接相連（參見GB50057建筑物防雷設(shè)計規(guī)范圖和圖）。 IT系統(tǒng)沒有零線N，也沒有地線PE，在用電負荷處只有本地共用地。從遠方來的電源系統(tǒng)與本地共用地沒有任何聯(lián)系了（參見GB50057建筑物防雷設(shè)計規(guī)范圖）。 對于TT和IT系統(tǒng)，雖然它們沒有電源地，或電源地沒有接到用電負荷處，但火線（通過電源變壓器中性點）仍與“遠地”連接在一起的，因此，火線