低压系统的防雷和过压防护
摘要： 对雷电和瞬态过压损害低压系统的机理进行了分析，介绍了雷电侵入低压系统的几种途径及有关的防护方法。
关键词： 雷电；瞬态过压；低压系统；防护
0 前言
随着科技的发展，先进电子设备的应用日益广泛：电子医疗诊断系统、通信系统、工业自动化集成控制系统、计算机网络等等。这些功能越来越强大的敏感电子设备的工作电压却在不断降低，因而瞬态过压—特别是雷电形成的瞬态过压对它们造成损害的可能性大大增加。
1 瞬态过压和雷电
1．1 瞬态过压
所谓瞬态过压是指微秒至毫微秒之内产生的尖峰冲击电压，如图1：
这种尖峰冲击电压有别于一般电源上所谓过电压，因一般电源过电压可能维持数秒以上，过压幅值较小，而这种尖峰冲击电压幅值有时会非常高，既可能发生在电源系统中，也可能发生在信号系统中。
瞬态过压现象的发生与整个自然界和人为的电气系统的设备操作有关，自然界的雷电、极光、电晕、静电、辐射和电离，都可能导致瞬态过压。在各种不同类型的瞬态现象中，雷电和开关转换冲击是最普遍?
因此，在当今电子化时代，雷电和瞬态过压成了一大公害，它造成的损失可分为4个层次：
每次冲击造成电子设备元器件的损伤，使其工作寿命缩短；
多次冲击后导致设备损坏，而更换和维护设备需要人力、物力；
因设备故障导致业务停顿造成各类损失。例如邮电通信的GSM基站因雷击故障后，本基站覆盖范围内移动通话收入的减少；
因业务突然停顿造成的信誉等不可估量的间接损失，如用户打不通手机，对电信部门服务质量的抱怨（不能保证通信顺畅）。
1．2 开关切换造成的瞬态过压
导体上有电流流动时，就会产生磁场把能量存储起来，电流越大及导线越长，储能就越多。所以，当电力传输线中断和大负载切换时，在线路上能测到高达3500V的瞬态电压。
1．3 雷电造成的瞬态过压
一次雷电闪击过程一般由3部分冲击电流组成：第一部分是10μs内从0上升到100kA；第二部分是第一部分开始后半部5ms内达到2kA，总电荷超过20C；而第三部分是在两秒内达到200C。因此，雷击的要害是功率大、能量小、电流大和快速的电流变化。
根据IEC1312－1（02．95）的定义，供分析用的一次闪击由下列雷击组成：
＊一个正或负极性的首次雷击
＊一个负极性的后续雷击（首次以后的雷击）
＊一个正或负极性的长时间雷击
首次雷击10／350μs（参见图2）和后续雷击0．25／100μs电流波形的数学表达为i＝（I／h）｛（t／τ1）10／［1＋（t／τ）10］｝exp（－t／τ2）………………（1）
（1）式中：
I———峰值电流；A
h———峰值电流的修正系数；
t———时间；S
τ1———波头时间常数；τ2———波尾时间常数。
我们可以按雷电冲击侵入设备的不同形式将雷击分为直击雷和感应雷。
设备或线路遭到直接雷击，全部雷电流都可能经过这些设备或线路再入地导走，这种情况称为直击雷。由于落雷的设备或线路上可能承载巨大的雷电流的冲击，因此直击雷造成的破坏性极大。感应雷分为静电感应和电磁感应。雷电形成时，雷雨云底部集中了单极性电荷（如负电荷），由于对地电场的作用，雷雨云下部的大地感应出相应的正电荷，这就形成了静电感应电场。当雷击放电发生时，雷云和大地之间的电场消失，但雷电在周围空间形成很强的电磁场。由于电磁感应，在被保护物上会产生感应过电压，其过电压幅值与雷电流幅值成正比，与雷击点距离成反比。雷电磁场达到0．07高斯和2．4高斯时会导致微电子设备失灵和损坏，这相当于100kA的雷电流流过避雷针时，距离避雷针2．8km及80m处的磁场。一般来说建筑物内的电子设备和避雷针的距离要比这个距离小得多。同时也意味着在雷击中心2．8km的范围内都可能产生危险过电压。下面介绍雷击对低压系统的几种耦合侵入方式并通过实例加以说明：
1．3．1 电阻耦合过电压，见图3（如由屏蔽层电阻或接地电阻引起的耦合）
雷击a处时，雷电流入地产生的泄放电流和电压降，在a处和b处之间产生电位差E。由于建筑物b端的电缆屏蔽层没接地，在电缆屏蔽层和建筑物b的接地系统间会出现电位差△V。△V的一部分以共态电压△V1的形式加在等效负载Zb和建筑物b的接地系统间。
1997年7月，南昌向塘机场塔台遭受雷击，部分计算机网络损坏，塔台内的自动转报通信接口正常。机场通信站距离塔台较远，通信站内除与塔台的自动转报通信电缆相连的接口板损坏外，其余众多通信电子设备均正常。通信站与塔台之间的通信电缆是全部埋地铺设的。经过仔细分析事故原因，结果发现从塔台来的通信电缆进入通信站内上配线架时，电缆的屏蔽层没有接地，导致对应的通信接口板损坏。这是雷击透过电阻耦合过电压经屏蔽层破坏设备的典型例子。
我们也可导出雷击时电缆屏蔽层两端都接地情况下的反击过电压，见图4。
反击过电压，是指雷击时设备的接地点电位升高，使设备的接地外壳与设备的导电部分之间产生可能使设备损坏的高电压。
图4表示雷击在a处时，建筑物b处的设备负载Zb上的反击过电压：
Vf＝i2R2－i2（R1＋Zb）－dφ／dt＝i2R2－i1（R1＋Zb）－L1di1／dt…………………………………（2）
（2）式中： i1———电缆内芯的冲击电流；i2———电缆屏蔽层的冲击电流；φ———电缆内芯和电缆屏蔽层回路的磁通量；R1———电缆内芯的电阻；R2———电缆屏蔽层的电阻；Zb———建筑物b处的设备负载阻抗；L1———电缆芯线电感。
可以通过使i1和i2分别等于零，得到电缆两端屏蔽层分别开路时加在建筑物b处的设备负载Zb上的反击过电压。
1．3．2 电容耦合过电压
由于雷电形成过程中的静电场的作用，电荷便积聚在电场中所有的导电物体上。雷击终止后，静电场消失，电荷的重新分布便形成物体内部及阻抗上的电流，由此产生压降导致过电压。
1．3．3 电感耦合过电压
雷电冲击电流流经导线时，导线周围产生的磁场，会在相邻的各类传输线内感应出一个过电压。
1996年4月江西省电力调通局大楼北面相距16m左右的84 m高的微波塔上落雷，大楼中靠北面有一个电缆沟，其中有屏蔽的信号电缆相连的设备安然无恙，唯有一根从八楼计算机房通过这个电缆沟引到十楼调度室终端的RS232通信线没有屏蔽，信号线两端（八楼主机和十楼终端）的RS232接口损坏。从事故情况分析，由于微波塔落雷，雷电流沿几乎垂直的塔材（角钢）向地泄放时，产生水平方向磁场，感应到楼内与塔材平行的信号线上，导致RS232接口损坏，见图5：
同理，当雷击建筑物的避雷针，雷电流沿避雷引下线下泄时，可能感应到室内的传输线上。
2 雷电和瞬态过压的综合防护
2．1 防雷保护区
IEC标准将需要保护的空间划分为不同的防雷区：Z0A区———本区内物体都可能遭到直接雷区；Z0B区———本区内物体不可能遭到直接雷击，但区内电磁场没有衰减； Z1区———本区内物质不可能遭到直接雷击，区内电磁场有可能衰减，衰减程度取决于屏蔽措施。
在实际应用中，我们一般简单地将防雷分为外部防雷和内部防雷。
2．2 外部防雷系统
外部防雷系统由避雷针（或避雷带、避雷网）、引下线和接地系统构成。主要作用是为了保护建筑物免受雷击，通过避雷针为雷电流提供快速可靠的泄放入地途径。如果雷击在没有可靠泄放入地通道的物体上，雷电流的高压效应、高热效应、机械效应、静电感应、电磁感应、反击等均会产生极大的破坏力。
2．2．1 避雷针（或避雷带、避雷网）的保护范围
研究表明，雷电的先驱尖端离地面高度甚至几十米，其前进方向依然可能不受地上和地下特征的影响。具体高度视雷电强度而定。特别是低强度放电对地走向是不稳定的，可能以一个角度接近建筑物。这说明传统的避雷针“保护角”是不可靠的。因此，GB50057－94《建筑物防雷设计规程》不再沿用避雷针的“保护角”概念，而是根据IEC1024－1提法，在设计接闪器时，可单独或任意组合采用滚球法和避雷网格来计算避雷针（或避雷带、避雷网）的保护范围。滚球半径参见规范中的104页。
我们在实践中对贵冶623线路防雷改造上全面采用了“球切法”来计算避雷针的保护范围。贵冶623线路的电压等级6kV，全长5km，沿线是水田和丘陵。该线经常遭受严重雷害：瓷瓶炸飞，线路击断，变压器被击坏，雷电窜入低压系统。我们选用的方案是在每基电杆上装V型避雷针（避雷针基座已获国家专利），针长和角度均经过仔细计算。
从图6、图7的不同角度可以看出V型避雷针都能有效保护输电线不受直击雷。当雷云降低高度并且以一个角度从侧面接近线路时，V型避雷针也能有效保护输电线不受直击雷。自1995年底贵冶623线路采用V型避雷针进行防雷改造，自1996年初改造完成并投入运行以来，取得了比较满意的防雷效果。
对于塔高大于60m或高山上的微波站，笔者提出一种微波（通信）天线防直击雷的避雷方法———由塔顶避雷装置和水平针或塔周围的独立避雷针组成。它们的具体尺寸和保护范围要根据实际情况用“球切法”计算出来。塔顶避雷装置和水平针可由符合接闪要求的钢材组成，造价低廉，见图8。
总之，笔者认为在防雷实践中应紧扣防雷规范，并结合被保护物的现场实际情况灵活、严谨地加以应用。
2．2．2 避雷引下线
常规的避雷引下线是具有一定截面积的元钢、角钢、和多股铜芯线等。雷电冲击电流流经避雷引下线时，引下线周围会产生强磁场。?虼耍?缘脱瓜低扯?裕?鲜隼嘈偷囊?孪叨疾皇?掷硐搿?
静电场同轴电缆大大克服了常规引下线的缺点，它可改变瞬态响应，其特性阻抗只有铜芯线的四分之一，冲击阻抗小于铁塔阻抗的十分之一。这种电缆的内、外导体之间的电容较大，降低了它的阻抗，并且使电缆截面上的电压降小到绝缘介质能够承受的水平。雷电放电电流通过同轴引下线的内导体入地时，接地的外屏蔽层对内导体起屏蔽作用，防止引下线与建筑物之间存在很高的电压以及引下线周围的强磁场对建筑物内低压系统的感应。
因此，静电场同轴电缆能够安全地将雷电流从通信塔或高层建筑上引导入地。
2．2．3 接地系统
外部防雷接地主要是为了在雷击的情况下，快速、安全地将雷电流导入大地。
低压系统的防雷接地，其概念不仅仅是外部防雷地，还涵盖了直流工作地、交流工作地、保护地等接地概念。现代的接地系统，应尽可能是低阻抗的，以对雷击和瞬态过压提供防护，以及抑制通信电子系统的噪声。
接地方式，应按单点的原理设计，即直流工作地、交流工作地、保护接地和防雷接地等四种接地宜共用一组接地装置的联合接地方式，这是目前国际、国内各种防雷规范所共同推荐的。
接地技术本身不是一门精密的学科，在实际应用中不可生搬硬套。在地电阻率很高的地区，如在高山微波站和高山电视台，采用等电位的措施比绝对的把系统的接地电阻降下来要来得经济有效。江西704电视台坐落在井冈山黄洋界1400 m的山顶上，植被仅0．4m左右厚，下面全是岩石，地势险峻，雷害严重。在这个台的防雷改造工程中，我们将绝对地阻降到一定水平后，考虑到在仅靠过分延长接地体和增大地网面积来继续降低接地电阻，对于抗雷电冲击效果并不好，另外电视台拮据的接地经费也不允许增加工程量，于是我们采取了严格的等电位措施，并在实际运行中取得很好的效果。
所谓联合接地方式也不是绝对的。首先，一般对建筑物及其内部系统本应联合共地，但有些设备厂家却强调其设备的工作地必须独立接地，原因估计有两个：一是担心大楼其它接地不可靠；二是担心漏电流工频干扰信号窜入。其次，特殊的发射设备如机场的指点信标机，其工作地是作为辅助发射电极，因此必须独立接地。再者，野外分散布置并且雷电较强地区，如昌北机场跑道旁的各气象设备的防雷，可设置独立避雷针。独立避雷地网和设备的工作地网要保持一定距离。对同一系统的独立地网之间可用地网连接器相接（如德国OBO公司的GAP－480D），两个地网平时处于隔离状态，雷击时，当它们之间的电位差超过1000V时，地网连接器自动导通，以平衡两个地网的电位。
2．3 内部防雷系统
内部防雷系统包括屏蔽、等电位、限幅、金属导体的路由布置、接地等措施。在一个完善的内部防雷系统中，这些措施是不可或缺的，它们从各方面对产生瞬态过压的耦合机制起防护作用。限于篇幅，下面谈一谈现代低压电源主要的限幅设备———瞬态过压保护器（又称浪涌抑制器，简称电源防雷器）：
3．3．1 电源防雷器
电源防雷器的主要作用，是在雷电波的冲击到来时瞬间足够快地将其导入接地体，并且使防雷器之后线路上的残压降低到能够保护设备的安全。
电源防雷器的性能决定了其作用。通流量、箝位电压、响应时间是电源防雷器的三项主要性能指标。要弄清这些指标的含义需要一些比较深入的知识。防雷器的主要工作原理，是通过将瞬间雷电波钳位于安全电压来达到保护电器设备免遭雷击，这里面涉及一个来雷大小的问题，国际标准测试指标一般是10kA、8／20us（图2）的雷电冲击波。而在实际应用中，雷电流的冲击可达几十至上百kA，这时候要从两方面来衡量防雷器的性能。一方面防雷器的最大耐冲击电流能否满足要求，如果防雷器的最大耐冲击电流小于实际进入线路的雷电的冲击电流，则防雷器本身会被损坏，我们在抚州708电视台（山顶上）的应用中发现耐冲击电流较小的雷地通在成功保护了设备的同时，本身被雷电流击坏，后来换上德国OBO的V25（初级）和V20（次级），经过了一些大的雷击考验，受保护的设备和防雷器本身均安然无恙。因为V25的最大耐冲击电流可达100kA。另一方面来说，国际上较先进的防雷器钳位电压的能力与雷电来波的转换比是1：3，虽然在标准测试电流10kA、8／20us的冲击下，防雷器的残压可能满足安全要求，但是实际来波往往大于这个测试指标，比如在雷电流达到20kA、50kA的情况下，防雷器出线侧的残压就可能会大于设备的安全保护电压。在这里的分级保护概念无疑是一个最好的解决方案，举例说假如来波是50kA、8／20us时，可以肯定所有的同类防雷器（假设防雷器的最大耐冲击电流大于50kA）残压会在1500V以上（通讯设备输入电压模块一般承受瞬间冲击电压可达1000V），就会导致受保护设备的损坏。这时就应再加装第二级防雷器将第一级的残压再次钳位转换至安全电压范围。
据统计电子设备所受雷害的80％是由雷电波侵入电源部分引起的，因此电源防雷器选型相当重要。目前，国内市场上380V低压电源防雷器（包括进口和国产的）不下几十种。但专业高档的低压防雷器真正在国内较广泛的应用也只是近几年的事。我们从1993年起为遭受过严重雷击的单位根据不同的条件选用了性能指标优良的美国的力博特、英国的雷地通、德国的OBO和中美合资爱劳的电源防雷器，经过几年的考验，均取得了十分理想的效果。同时，也使我们获得了这些防雷器应用的一手资料。
防雷器的标准在ANSI／IEEE、UL、IEC、CCITT、FCC、CSA、DIN、NEC等国际标准中分别都有相应的规定。
国内权威的低压防雷器测试机构分别是：原邮电部电信总局通信防护技术维护支援中心；原邮电部通信产品防护性能监督检验测试中心；中国铁路通信信号总公司沈阳雷电防护试验站；电子工业安全与电磁兼容检测中心；电力部电力科学院等。
这些测试机构尤其是邮电部测试机构提供的检测报告可为电源防雷器主要性能指标提供可靠的、值得信赖的依据。
只要电源系统严格规范实施，加上性能优越的电源防雷器，可以将来自电源的瞬态过压（雷电、电网设备切换等形成的）对低压系统造成的危害降低到接近于零。
4 前景
对现代低压系统来说，防雷和瞬态过压的防护已经摆到相当重要的位置。综合防雷工程的实施可为低压系统的安全提供全面的保护，笔者经历的大量的防雷工程实践已成功地证明了这一点。
参考文献：
［1］［美］G．夏里克著，侯景韩译．《接地工程》人民邮电出版社，1988．
［2］曾永林．《接地技术》，水利电力出版社，1979．
［3］《雷电电磁脉冲的防护》IEC－1312－1（1995．2），IEC－1312－2－（1994．11），IEC－1312－2（1996．10）
［4］国内防雷规范
GB50057－94 《建筑物防雷设计规范》
YD5068－98 DL548－94《移动通信基站防雷与接地设计规范》
GB50174－93 《电子计算机机房设计规范》
GB50200－94 《有线电视系统工程技术规范》