雷电冲击电压下接地装置的电压升高和反击.docx
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雷电冲击电压下接地装置的电压升高和反击
雷电冲击电压下接地装置的电压升高和反击
昆明昆雷电力科学研究所梅忠恕
摘要：
当接地装置泄放雷电流时，在其上将产生瞬间电位升高。
联接在接地装置上的设备的电位与接地装置的电位同时升高。
从外界引入设备的各种传输线，如电源线、通信线以及数据采集和控制线等将受到接地装置升高电位的反击。
对电位反击的防护是防雷的主要任务之一。
关键词：
雷电冲击电压地电位升高地电位反击
1．前言
防雷的主要任务有三：
直击雷防护、二次雷防护和雷电电磁辐射干扰的防护。
二次雷又主要包括沿（各种）线路侵入室内的感应雷（俗称浪涌电压）和从接地装置产生的地电位升高和地电位不均两个方面，后者又形成地电位反击。
从防雷论坛反馈的信息，不少人对接地装置的地电位升高和反击的机理感到疑惑不解。
本文着重介绍和分析了在雷击发生时接地装置的电位升高及其带来的电压反击。
2．雷电冲击电压的产生及量值的估计
雷电冲击电压的产生机理
在雷击发生前，接闪器、引下线和整个接地装置都处于与大地相同的零电位，这时在它们之间没有电压分布不均的问题，在接地装置与联接在它上面的设备之间也不存在电位反击。
而在接闪后，当雷电流流过引下线和整个接地装置的时候，雷电流在接地装置各部分造成的电压降是不相等的，于是在接地装置各部分之间就存在电压分布不均，而在接地装置与接在其上的设备之间就有电位反击（或电压反击）的问题。
雷电流的频率较高，无论它在导线或在空气放电通道中流过时都不能简单地看成一个纯电路的问题。
一般的电路是以集中参数形式存在的电阻、电感和电容组成的电路。
而对于一个较高频率的雷电流，与之相关联的更主要的是以分布参数存在的电感和电容以及由它们组成的波阻抗。
考虑波阻抗，就涉及到电磁场的问题。
雷电流在空气的放电通道中流过时，更多的是与波阻抗有关。
而在雷打下来以后，雷电流进入接地装置时，更多的是与导体的集中参数的电阻、电感有关。
当接闪器接闪雷电流时，强大的雷电流将通过接闪器、引下线和接地网泄放入地。
对于单根引下线，为简化起见，我们暂且只考虑电路中的电阻和电感，而不考虑它的波阻抗。
于是，在泄放雷电流时，在防雷装置上将产生雷击冲击电压U：
（1）
式中，R——引下线和接地网的电阻，；
L——引下线和接地网的电感，H；
i——雷电流，kA；
di/dt——雷电流对时间的变化率，kA/S。
由式
（1）可知，直接雷击冲击电压（或称直击雷过电压）U，它不仅与雷电流的大小和陡度有关，而且同引下线和接地装置的电阻和电感有关。
需要注意，雷电流是一个脉冲电流波，由它产生的雷电过电压也是一个脉动电压波。
即是说，它们的瞬时值是随时间变化的，要计算雷电过电压的最大值，即幅值，需要用雷电流i的幅值I和陡度di/dt的最大值代入式
（1）进行计算。
如果泄放雷电流的不是单根引下线，而是由钢筋混泥土梁和柱中的钢筋组成的接地网络，在估算雷电流所致电压升高时，还应考虑雷电流在各网络支路中的分配。
雷电流参数
要计算雷击冲击电压，需要知道雷电流的参数大小。
《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2000）附录六中给出了首次雷击的雷电流参数，如表1所示。
需要指出，国标GB/《高电压试验技术第一部分：
一般试验要求》中规定的冲击电流有两类：
第一类标准冲击电流有四种波形，分别为1/20μS、4/10μS、8/20μS和30/80μS；第二类冲击电流为方波电流，其峰值持续时间为500μS、1000μS、2000μS或者在2000μS与3200μS之间，而国标GB50057-2000规定的首次雷击的雷电流的波头时间却是10μS，对三类防雷建筑都一样。
两者相差非常之大。
我们不讨论它们相差的原因，在以后的计算中，我们只能应用GB50057-2000中规定的波头时间（见表1），并以此计算出雷电流的陡度。
表1国标GB50057-2000规定的首次雷击电参量
雷电流参数
防雷建筑物类别
一类
二类
三类
雷电流幅值I（kA）
200
150
100
波头时间T1（μS）
10
10
10
雷电流陡度di/dt（kA/μS）
20
15
10
接地装置的参数
防雷接地装置主要包括两部分：
防雷引下线和接地系统（接地网）。
对于引下线，主要考虑它的电感，而忽略它的电阻；对于接地系统（网），则主要考虑它的接地电阻，而忽略它的电感。
通常的单根钢筋接地引下线，其电感可按每米1微亨（1μH/m）计算。
而接地系统（网）的接地电阻国标中已有要求，如果实测接地电阻比国标的要求小，计算时按国标的要求数值计算；如果实测接地电阻比国标的要求大，就按实测的接地电阻进行计算。
雷电冲击电压的量值估计
对于独立避雷针的单根引下线，如果我们忽略它的电阻而假设其电感为1μH/m，若按三类防雷考虑，雷电流的波头时间为10μS，雷电流幅值100kA,di/dt=10kA/μS，可得沿引下线的雷电电压降为10kV/m。
对于一类建筑，雷电流幅值200kA,di/dt=20kA/μS，则沿引下线的雷电电压降为20kV/m。
假设一个接地系统，它的接地电阻为4Ω，100kA的雷电流在它上面将产生400kV的电压降，虽然这个电压降是以大地远处的零电位为参考点，但也是一个十分巨大的数值，它将带来一系列的危害效应。
为了减小雷电流在引下线和接地装置上造成的巨大的电压降，需要尽可能地降低引下线的电感和接地装置的接地电阻和电感。
采用多根引下线并联，如混泥土梁柱内的钢筋就是多根并联，可以大大降低它的电感参数，就可达到降低雷电冲击电压的目的。
3．雷电冲击下接地装置电压的反击类型
雷电冲击下地电位（压）升高的机理
我们在讨论雷电冲击电位（压）升高之前应明确了解远处接地装置和本地接地装置两者的区别，即“远地”与“本地”的区别。
在没有雷电活动的时候，两个地的电位都一样，都处于零电位，没有电位差。
而当“本地”接地装置泄放雷电流时它们的区别就显现出来了。
雷电流会在“本地”接地装置上产生电压降，有时我们又称此电压降为电压升高。
其实，电压降和电压升高在本质上是一回事。
我们暂且不管雷电流的正负极性，而只讨论它的量值的大小。
上面所说的电压降是沿雷电流的方向而言，雷电流在接地装置上产生了电压降落。
当谈到电压升高时，是站在“本地”接地装置上相对于“远地”而言具有的高电位。
即是说，“本地”相对于“远地”的零电位有了电位的升高。
从远处引入建筑物的电源线、通信线和其它线路，它们连接在远处的地上。
它们自身的工作电压就是以“远地”电位为参考点的电压，因此它们在引来工作电压的同时也引来了远处大地的参考零电位。
在雷击发生之前，“本地”接地装置被认为是处于零电位，比那些外引导线和设备的工作电位都低。
而在雷击发生的短时间内，在“本地”接地装置上产生的这个瞬间电压升高就成为一个相对于外引导线和设备的真实的电压升高了。
一旦在这个电压下发生电击，其方向就是从“本地”接地装置击向这些外引导线和设备，所以称为反击。
认识它的本质对于防护它的危害具有十分重要的意义。
输电线路的雷击过电压反击
电力系统的输电线路在正常运行情况下三相线路是带有额定高电压的，而架空地线和杆塔是接地的，处于零电位。
35kV及以上线路的三相架空电线通过绝缘子串悬挂在杆塔横档上，而10kV及以下线路通常采用针式绝缘子或瓷横档固定在杆塔顶上或横档上。
当雷击杆塔顶或架空地线时，雷电流通过杆塔接地电阻向大地泄放，由于杆塔或接地引下线具有电感和电阻，杆塔的接地装置也有电感和电阻，雷电流在这些接地电阻和电感上将产生很高的过电压。
例如一条35kV输电线路，杆塔高15m，杆塔的接地电阻为4Ω，按上述公式
（1），一个I=100kA、di/dt=10kA/μS的雷电流在杆塔顶上产生的冲击电压为：
（2）
这个过电压是出现在杆塔顶端悬挂或安装绝缘子的地方。
它高出线路对地电压（35/√3=）多倍。
这时，线路导线上的（输电）电压相对于雷电冲击电压是低电压了，原本接地而现在却处于高电压的杆塔将向线路导线发生反击和闪络放电。
如图1所示。
图1输电线路接地横档对导线的反击
接地装置或引下线的旁侧闪击
接地装置或引下线的旁侧闪击如图2所示，它是一个避雷针塔架对于邻近设备反击的示意图。
前面我们已经介绍，当通过引下线或避雷针塔泄放雷电流时，沿引下线或避雷针塔会有电压降。
若塔顶上的避雷针A接闪，塔身上的某点C距地高为h米。
与C点相近的设备B是连接在地上D点而具有与地E相同的电位。
这样B点与C点之间就有电压降UK。
若B点与C点之间的空气间隙不足以承受此电压，则C点将对B点击穿放电，称为旁侧闪击，将危及设备B。
为了防止旁侧闪击的发生，其它设备和金属结构，包括其它接地装置和构架，必须与防雷引下线或独立避雷针塔的塔架结构保持一个间隙距离SK。
由于雷电冲击放电电压与很多因素有关，如电压的波形、作为电极的构架的结构形式、电压的极性以及大气环境条件等。
因此，为了计算这个间隙距离，只能将其中有些条件简化，才能进行比较粗略的计算。
例如，我们取气空间隙的雷电冲击放电电压为500kV/m、雷电流幅值按150kA、雷电流陡度按50kA/μS计，避雷针塔的电感按高度每米1μH计，这样，图2中CB的距离Sk必须等于或大于：
（3）
Sk的单位为米，而h是以米为单位的避雷针塔对应点C的高度。
图2接地塔架对邻近物体的反击
按电力部门颁布的规程，Sk不得小于5m。
接触电压对人身的伤害就是旁侧闪击的一种表现。
只不过接触电压仅只考虑离地高度1.8m处的电压，这是我们一般人的身体加上伸手的高度。
在地中接地网之间的电位反击
防雷接地网在泄放雷电流时会有电压升高，图2中的曲线L为泄放雷电流时地中电位衰减曲线，而电压U0为雷电流在接地电阻R上的压降，此电压直到无穷远处才衰减为零，即大地零电位。
因此在防雷接地网与其它接地系统或接地极之间也会有电压升高。
图2中所示为防雷接地网与另一设备的接地点D之间的电压UD。
如果它们相距太近，在它们之间就会发生放电和闪络，从而危及接在这些接地系统上的设备的安全。
为了避免这种放电的发生，电力系统的防雷规程要求防雷接地网必须与其它接地体相距一定的地中距离Sd。
计算地中距离Sd比计算空中距离Sk更复杂一些。
因为地中泥土的冲击击穿电压不仅与泥土的质量、成份有关，而且与泥土的潮湿程度等诸多因素有关。
要准确估计泥土的击穿电压是很困难的。
对于干燥的土壤，其击穿电压不会比空气的击穿电压低。
我们就仍以空气的击穿电压进行计算。
当考虑地中距离时，无需再考虑塔的电感了。
因此式（3）中后一项不再存在，于是地中距离Sd必须等于或大于：
（4）
式中R——防雷接地网的接地电阻。
按电力部门颁布的规程，Sd不得小于3m。
如果不能将防雷接地网与其它接地网分开到上述足够的距离，那就只好将它们联接在一起，形成共用接地系统。
法拉第孔对穿过它的导线的电压反击
在高电压工程与防雷工程中，我们都熟知法拉第笼，它是由接地的金属导体组成的密闭空间。
按静电学的知识，在这个笼体空间中，电场强度各处为零，组成笼体的金属导体各处都是相等电位，并且外部的电磁射线不能穿透进入笼体中，或者在进入笼体的时候将受到极大的屏蔽衰减。
因此在笼体中的设备可得到很好的对雷电电磁辐射的防护。
在现代钢筋混泥土建筑中，将所有混泥土梁、柱和地板中的钢筋都联接起来，并接地，于是几乎整座建筑物和其中的每一间房间都可看成法拉第笼。
这样做确实对其中设备的防雷保护有很大的优点。
但是不能忽视这么一个问题，就是装在房间中的设备总得与外界有电气的联接，如供电电源线、通信信号线、数据采集线、以及还可能有其它的金属管道等等。
这些导线和管道在进入房间的时候，必然需要在房间的墙上开孔，然后穿入其中。
这样的孔称为法拉第孔。
图3法拉第孔对穿过导线的反击
从法拉第孔穿过进入法拉第笼的导线和管道都是与“远地”相联系的，而法拉第孔则是与“本地”相联的。
当建筑物上的避雷设施接闪时，整个法拉第笼的电位都将极大地提高，并且法拉第笼也不再是等电位体，而从法拉第孔穿过的各种导线和管道的电位仍保持“远地”的地电位，这样，这些导线和管道与法位第孔之间就会产生放电，如图3所示。
这种放电极易造成损失极大的灾难和事故。
如荷兰一个5000m3煤油罐因雷击爆炸，缘于罐内测温的热电耦接线穿过罐体接到控制室；德国一化工厂的酒精罐的爆炸，印度尼西亚一炼油厂遭雷击烧掉了6个大油罐，等等，都是法拉第孔对穿过它的电线的闪击造成的重大事故。
不知我国损失极大的黄岛油库火灾是否就是源于这样的原因。
地电位对接地设备的反击
各种用电设备都是要接地的。
设备接地后，它的电位就与接地装置的电位一起变动。
在雷电冲击下，地电位升高，接地设备的电位也跟着一起升高。
在设备与接地装置之间本无电位差，似乎不存在电位反击的问题，可是，我们不能忘记，设备不是孤立的，它与外界还有各种联系，这些与外界联系的线路引来了远地的零电位。
于是在设备与这些外引线路之间将发生电位反击。
反击主要发生在：
——电源供电线路和相联的电源变压器；
——引入（出）室内设备的通信、控制、信号以及数据采集等线路和联接在这些线路上的接口设备；
——从室外引入室内的各种金属管道、电线电缆等。
下面主要就对电源线的反击进行介绍。
电源地与本地共用接地相连时
这是TN系统供电的情况，TN系统的地线与零线共用一根导线PEN把用电负荷近处与本地的共用接地联接在一起（参见GB50057《建筑物防雷设计规范》图）。
当雷击发生，本地共用地的电位升高时，一个冲击电压（电流）波将沿PEN线往电源方向传播，随着此电压波的传播，它将很快衰减。
另一方面，由于电源火线仍保持原来的220V，属于低电位，这时接地装置上的电压将向电源线反击，可能导致的损坏发生在用电设备的电源变压器的原边绕组的下部端头附近，使绕组的纵绝缘击穿损坏。
这是设备被雷击损坏的部位多在其电源变压器处的原因。
如果设备还有信号线或其它线路与外界相连，其联接接口也是易发生雷击损坏的部位。
电源地与本地共用地不相连时
这是TT系统供电的情况，TT系统的电源只有零线N，而无地线，此零线虽然在电源变压器处接了地，但来到用电负荷近处没有与本地的共用地联接在一起。
在用电负荷处，零线N与地线PE没有直接相连（参见GB50057《建筑物防雷设计规范》图和图）。
IT系统没有零线N，也没有地线PE，在用电负荷处只有本地共用地。
从远方来的电源系统与本地共用地没有任何联系了（参见GB50057《建筑物防雷设计规范》图）。
对于TT和IT系统，虽然它们没有电源地，或电源地没有接到用电负荷处，但火线（通过电源变压器中性点）仍与“远地”连接在一起的，因此，火线和零线也就代表了远方地，是低电位，而将受到用电负荷的本地共用地电压升高的反击。
对地电位反击的防护
对地电位升高导致的电压反击的防护，目前是在设备的电源供电线上加装SPD。
对于前述TT系统的情况（电源零线N未接地时），需要在L与N之间以及N与地之间加装SPD；而对于TN系统的情况（零线N已接地时），只需在火线L与地之间加装SPD。
SPD的额定电压和通流容量应按国标GB50057-2002《建筑物防雷设计规范》第条选取。
除采用SPD进行地电位反击的保护外，还可采用电源隔离变压器进行保护。
这种保护的经济投入比采用SPD低得多。
4．结语
（1）对防雷工程中的“地”，要有正确的认识。
当没有雷电流从接地装置流过时，“地”是处于零电位的。
而当有雷电流流过时，“地”的电位就不是零电位了，而将会有电压升高，并出现电压不均。
（2）在做防雷工程时，应将“地”区分为“本地”和“远地”。
“远地”即是我们选做零电位的参考地，也是从外界引入的电源线、信号线和其它导线的地。
它的电位是不变的零电位。
而“本地”的电位将因雷电流的流过而升高。
（3）“本地”电位因雷电流的流过升高后，所有联接在它上面的设备的电位将随着“本地”电位的升高而同时升高。
因此，虽然“本地”相对于参考零电位有很大的电压升高，但这个电压升高对于正确联接到它上面的设备不会造成危害。
（4）“本地”电位因雷电流的流过升高后，将会对联接到“远地”的所有设备和线路造成电压反击。
这个电压反击将对这些设备和线路造成严重的危害，对这个电压反击的防护通常采用SPD、间隙和/或隔离变压器。
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