电力电子|建筑物电源线路雷电波侵入防护

安防之家讯：任何雷电防护理论都是在一定的物理条件下成立，科技的发展正在改变着我们身边的物理条件，使防雷理论的发展可分为机械时代、电气时代和电子信息时代三大时期。雷害问题从过去的以直击雷的形式击毁地上的人和物为主发展成为以通过金属线传输的雷电波为主；其防雷方法由简单的避雷针、避雷带防护转变为ＡＤＢＳＧＰ方法。雷电波侵入是指直击雷或感应雷从输电线、通信电缆、无线电天线等金属的引入线引入建筑物内，发生闪击而造成的雷击事故。这种事故的发生率很高，而且往往事故严重。美国能源部系统在１９９０～１９９８年期间由于雷电引起事故高达４６１起，其中电源线路过电压造成的物理性装备损失约占８０％左右，计算机安全部门在１９９８年内，雷电波侵入使１０万台计算机受损，价值１．２亿美元；１９９６年６月６日，重庆市农业银行大厦的计算机网络设备因雷击损失１０７万元，其下属的信托证券公司证券部通信网络中断数小时，引起股民恐慌；１９９９年８月２０日，万盛电信局遭雷击，由于雷电波侵入造成该区电信设备损坏，９５％以上电话（１．１万余门）中断信号，经济损失高达２５０万元；２０００年８月１１日，石坪桥卫星发送台遭雷击，致使全市９５％寻呼台陷入瘫痪；２００２年３月１２日和５月２３日，渝北区双凤加油站两次遭雷击，均是雷电波从电源线引入造成加油机被雷击坏：因此，研究雷电波侵入及防护非常有必要。１雷电波侵入及危害１．１雷电波侵入的方式雷电波侵入的方式通常有三种：其一是直击雷击中金属导线，让高压雷电波以波的形式沿着导线两边传播而引入室内；第二种是来自感应雷的高电压脉冲，即由于雷云对大地放电或雷云之间迅速放电形成的静电感应和电磁感应，他们在各种电线中感应出几ｋＶ到几十ｋＶ的高电位，以波的形式沿着导线传播而引入室内的；第三种是由于直击雷在房子或房子附近入地，因其通过地网入地时，在地网上会发生数十千伏到数百千伏的高电位，这高电位通过电力线的零线、保安接地线和通信系统的地线，也是以波的形式传入室内，并沿着导线传播到别处，殃及更大范围。其示意图如图１、图２所示。１．２雷电波侵入的危害１．２．１直击雷（雷电直击）的雷电波侵入危害所谓直击雷，是指雷电直接击中了架空电线或埋地电缆，雷电流以１／２０～１／２的光速以波的形式向线路两端移动，对电力设备及用电设施构成危害。雷击时电流高达几十千安，最高达２００～３００ｋＡ，一般在２０～４０ｋＡ，其时间甚短，一般仅为１０～１００μｓ。雷击架空线路导线产生的直击雷过电压：ＵＳ≈１００ＩＵＳ：雷击点过电压最大值；Ｉ：雷电流幅值。实践证明，在埋有电缆的地方，沿电缆埋设的线路落雷率要比其他地方落雷率高，在土壤电阻率高的地方尤其明显，这是由于在土壤中埋下一条电缆就相当于土壤中有一条土壤电阻率特别低的带，即在土壤电阻率高的地方，如果中间存在一块低土壤电阻率的地区，该地区受雷击率特别高，这便是雷电直击电缆的原因。据有关资料报道，雷电直击点的地面会出现大的孔洞，洞深可直达电缆。１．２．２雷电反击当雷电击中电缆附近大地时，落雷点的电位显著升高，而电缆延伸至很远，其远端电位可视为零，所以雷击点附近的电缆电位也几乎为零，这样一来，落雷点与电缆之间便出现极大的电位差。如果这一电位差超过了雷击点与电缆间的土壤耐压强度所无法承受的程度时，便击穿土壤，形成了从雷击点到电缆的电弧通道，大量雷电流涌向电缆。这种雷击，损害程度与雷电直击电缆相当，同样会造成电缆严重破坏。１．２．３感应过电压的雷电波侵入危害（１）架空线路的雷电感应过电压雷云在起电、移动和先导放电的过程中，对架空线会产生静电感应，使之产生异号静电位，一旦雷云对地放电导线中的束缚电荷成为自由电荷，以冲击波的形式对称地向线路两端移动，电荷移动所形成的电流（Ｉ）乘以导线的波阻（Ｚ），即为雷电感应电压。架空线路（无屏蔽）雷电感应过电压幅值，可用下列公式表示：Ｕｇ＝２５式中：Ｕｇ为感应过电压幅值；Ｉ为雷电流幅值；ｈｄ为导线距地高度；Ｓ为雷击点与导线垂直距离。根据南非邮电部Ｃ·Ｆ博伊斯《电信系统的保护》论文资料可知，即使雷云没有放电，仅在雷云起电和移动过程中，也能在绝缘良好的短电话线路上产生１０～２０ｋＶ的感应过电压。产生相距大约为２５～３０００ｍ的对地雷击，一般将在架空电话线路中感应出高于１０００Ｖ的过电压，这必将产生相当大的危害；（２）地下电缆的雷电感应过电压除了直接向电缆流入雷电流以外；由于云间放电，通过电磁感应，也能在电缆上诱发感应电压和电流。如果放电通道与电缆线路相平行，由于电磁感应，将使电缆的导体产生一定的纵向电动势，并随之流过一定的电流。实际上电缆上的过电压冲击，绝大多数是感应产生的。但因其能量一般较小、电压低、电流弱，通常很少对电缆本身造成危害，只能对电缆相连接端机或增音机构成危害。地下电缆的雷电感应过电压与雷击点入地雷电流幅值、雷击土壤电阻率，电缆与雷击点的距离、电缆掩埋深度、电缆屏蔽及其接地状况等因素有关。感应过电压分为静电感应和电磁感应两部分，对于输电线路来讲，其过电压以静电感应为主。国内外实验表明，若有５ｋＡ雷电流流入接地网，在其附近５～１０ｍ远的无屏蔽电缆上将感应５～７．５ｋＶ的过电压。但电缆有金属护套，并且两端做良好接地，则感应过电压幅值将在２５０～７５０Ｖ之间。２雷电波侵入防护２．１电源线路进线方式电源线路进入建筑物通常有两种方式：架空线路或埋地引入。为了防止或减少雷电波的侵入，室外电源线路宜全线埋地敷设或距建筑物１５ｍ处采用铠装电缆段或无铠装电缆穿钢管埋地引入，进入建筑物内总配电箱或电源配电柜，然后分线进入用户。２．２电源线路的接地与等电位连接电源供电系统通常采用ＴＮ－Ｃ－Ｓ系统，在电源进线点进行总等电位联结（ＭＥＢ）。另外，电缆外导体对内导体有静电屏蔽作用，电缆的外导体同内导体形成电容很容易将芯线上高频性质的感应电荷泄放入地，可一定程度限制较低的感应雷电波侵入。这就要求将电缆金属外皮、钢管等在进出建筑物处同电气设备的接地极相连。这种方式将极大减少高电位引入的威胁。在电缆进用出户处将电缆外皮及保护钢管与电气设备接地极连接，在转换处应装设低压配电线路适用的避雷器，另要将避雷器、电缆金属外皮、绝缘子铁脚、金具连在一起接地。建筑物防直击雷接地极同电气接地极共同泄放直击雷电流时，会出现接地极上雷电流经电阻耦合的高电位引入情况，这就需要在线路进户处必须装设一组避雷器，将高电位钳制在安全值。对保护耐压较低的家电产品而言，有必要在分配电箱处加装避雷器作为二级防护，以便逐级泄放雷电能量，逐步降低所钳制的雷电压值。对于信息系统重要性，有必要采取电源三级防雷。３结论在雷雨季节，城市或农村低压供电线路是产生雷击事故最多的，也是防雷最薄弱的环节，最被人们所忽略的角落，因此要求住户加装防雷保护器是非常必要的。(安防之家专注于各种家居的安防,监控,防盗,安防监控,安防器材,安防设备的新闻资讯和O2O电商导购服务，敬请登陆安防之家：http://anfang.jc68.com/