地電位反擊的機(jī)理及繼電保護(hù)產(chǎn)品的防雷設(shè)計(jì)

趙喜軍 鄒偉華 王小進(jìn)

（中國船舶重工集團(tuán)公司七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

繼電保護(hù)產(chǎn)品防雷設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是浪涌電壓抑制和雷電電磁輻射干擾的防護(hù)。浪涌電壓主要有兩種破壞形式：一是沿（各種）線路侵入電子設(shè)備；二是地電位升高和地電位不均，進(jìn)而由地電位不均形成地電位反擊。本文著重介紹和分析在雷擊發(fā)生時(shí)接地裝置的電位升高的成因及其帶來的電壓反擊的機(jī)理以及對地電位反擊的防護(hù)。

2 雷電沖擊電壓的產(chǎn)生機(jī)理

在雷擊發(fā)生前，接閃器、引下線和整個(gè)接地裝置都處于與大地相同的零電位，這時(shí)在它們之間不存在電壓分布不均的問題。而在接閃后，當(dāng)雷電流流過引下線和整個(gè)接地裝置的時(shí)候，由于雷電流是一個(gè)頻率很高的脈沖電流波，由它產(chǎn)生的雷電過電壓也是一個(gè)高頻脈動電壓波，因?yàn)榉植紖?shù)的影響，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，從而產(chǎn)生雷電沖擊電壓。

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(jī)理

研究雷電沖擊電位（壓）升高之前應(yīng)明確了解遠(yuǎn)處接地裝置和本地接地裝置兩者的區(qū)別，即“遠(yuǎn)地”與“本地”的區(qū)別。在沒有雷電活動的時(shí)候，兩個(gè)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(shí)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。而就“本地”接地裝置上相對于“遠(yuǎn)地”而言具有的高電位。即 “本地”相對于“遠(yuǎn)地”的零電位有了電位的升高。

從遠(yuǎn)處引入建筑物的電源線、通信線和其它線路，它們連接在遠(yuǎn)處的地上，其自身的工作電壓就是以“遠(yuǎn)地”電位為參考點(diǎn)的電壓。因此它們在引來工作電壓的同時(shí)也引來了遠(yuǎn)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(rèn)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(shí)間內(nèi)，在“本地”接地裝置上產(chǎn)生的這個(gè)瞬間電壓升高就成為一個(gè)相對于外引導(dǎo)線和設(shè)備的真實(shí)的電壓升高了。一旦在這個(gè)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(rèn)識它的本質(zhì)對于防護(hù)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(yùn)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。當(dāng)雷擊桿塔頂或架空地線時(shí)，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。 這個(gè)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數(shù)倍。這時(shí)，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。

3.3 接地裝置或引下線的旁側(cè)閃擊

當(dāng)通過引下線或避雷針?biāo)狗爬纂娏鲿r(shí)，沿引下線或避雷針?biāo)须妷航?。若與引下線或避雷針?biāo)R近的設(shè)備之間的空氣間隙不足以承受此電壓降時(shí)，則會出現(xiàn)擊穿放電，稱為旁側(cè)閃擊，將危及鄰近的設(shè)備。 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)，包括其它接地裝置和構(gòu)架，必須與防雷引下線或獨(dú)立避雷針?biāo)乃芙Y(jié)構(gòu)保持一個(gè)間隙距離。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，只能對該間隙進(jìn)行比較粗略的計(jì)算。按電力部門頒布的規(guī)程，該間隙不得小于5 m。

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(shí)會有電壓升高，此電壓直到無窮遠(yuǎn)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。防雷接地網(wǎng)與另一設(shè)備的接地點(diǎn)之間的如果相距太近，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)程要求防雷接地網(wǎng)必須與其它接地體相距一定的地中距離，按電力部門頒布的規(guī)程，該距離不得小于3 m。

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 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，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(yuǎn)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：（1）電源供電線路和相聯(lián)的電源變壓器；（2）引入（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。

4 地電位反擊的防護(hù)

為了提高繼電保護(hù)產(chǎn)品的可靠性和操作人員的安全性，必須對地電位的反擊采取防護(hù)措施。其方法之一是確保繼電保護(hù)產(chǎn)品和系統(tǒng)良好接地，避免系統(tǒng)地和繼電保護(hù)產(chǎn)品之間形成反擊。第二種防護(hù)方法是在繼電保護(hù)產(chǎn)品的關(guān)鍵部位如電源入口和通訊接口采用電壓瞬變和浪涌的防護(hù)器件，使反擊電壓迅速被旁路，從而使進(jìn)入繼電保護(hù)產(chǎn)品中的反擊電壓幅度大大降低。

4.1 繼電保護(hù)產(chǎn)品中常見的防護(hù)器件

瞬變電壓抑制二極管（TVS）：TVS器件在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，在承受到高能量的瞬時(shí)過壓脈沖時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低以允許大電流通過，并將電壓箝制在預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)電子產(chǎn)品中的精密元器件免受損壞[3]。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓箝制在預(yù)定水平，雙向TVS適用于交流電路。TVS的最大優(yōu)點(diǎn)是箝位系數(shù)小，所謂箝位系數(shù)是指 TVS上流過的電流在最大時(shí)的端電壓與流過的電流為最小時(shí)的端電壓的比值。箝位系數(shù)越小，抑制瞬變電壓的效果越好。TVS器件的其它優(yōu)點(diǎn)是體積小、響應(yīng)速度快（小于1 ns），每次經(jīng)受瞬變電壓后其性能不會下降和可靠性高等。缺點(diǎn)是電容大、耐電流量小。

氣體放電管：它的優(yōu)點(diǎn)是耐電流量大和靜電容量小，缺點(diǎn)是點(diǎn)火電壓高，在直流電壓下不能恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)，因而不能用于防護(hù)低電壓電路，經(jīng)多次電壓瞬變和浪涌后其性能會下降。采用氣體放電管進(jìn)行保護(hù)時(shí)，一定要將放電管安裝在被保護(hù)器件的引入端，將其上端接在線路的入口處。氣體放電管的伏秒特性與被保護(hù)設(shè)備的伏秒特性也要正確配合，也就是要根據(jù)線路的特點(diǎn)來選擇氣體放電管，其放電電壓一定要小于被保護(hù)設(shè)備的電壓，即放電管的沖擊擊穿電壓，在任何時(shí)候都要比被保護(hù)設(shè)備的沖擊放電電壓低，這樣才能有效地保護(hù)電子設(shè)備。

金屬氧化物壓敏電阻：如ZnO壓敏電阻，它是以氧化鋅為主要原料制造的半導(dǎo)體陶瓷元件，利用ZnO電壓的非線性來吸收瞬變電壓和浪涌。這種壓敏電阻器件的電壓范圍很寬，可從幾伏到幾千伏，吸收浪涌電流可從幾十到幾千安培，它反應(yīng)速度快、非線性指數(shù)大、無極性、無續(xù)流、壽命長、成本低。缺點(diǎn)是箝位系數(shù)小，呈負(fù)溫度系數(shù)，經(jīng)多次電壓瞬變和浪涌后其性能會下降，因而不適用IC，且使用溫度范圍低，不能采用氣密性封裝，其可靠性也不高等。一般地說，壓敏電阻器常常與被保護(hù)器件或裝置并聯(lián)使用，在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應(yīng)低于標(biāo)稱電壓，即使在電源波動情況最壞時(shí)，也不應(yīng)高于額定值中選擇的最大連續(xù)工作電壓，該最大連續(xù)工作電壓值所對應(yīng)的標(biāo)稱電壓值即為選用值。

4.2 繼電保護(hù)產(chǎn)品的防雷設(shè)計(jì)

繼電保護(hù)產(chǎn)品對外的端口主要有五類：電源端口、開入量端口、開出量端口、模擬量端口和通訊端口[4]。但易于以“遠(yuǎn)地”為參考的端口只有電源和通訊，因此這兩個(gè)端口的防雷設(shè)計(jì)特別是防止電壓反擊的問題就尤為突出。

電源端口的防雷設(shè)計(jì)，主要是在輸入之間和輸入對地之間并聯(lián)壓敏電阻、TVS管或氣體放電管，或幾種器件的組合，來實(shí)現(xiàn)良好的配合和保護(hù)特性。對于通訊口除了正常的光耦或網(wǎng)絡(luò)變壓器的隔離外，對RS232/485、CAN等通訊，還應(yīng)該在兩根通訊線間及每根通訊線對地之間安裝瞬態(tài)電壓抑制器件，以防止地電位反擊造成損壞[5]。

5 結(jié)語

（1）對防雷設(shè)計(jì)中的“地”，要有正確的認(rèn)識。當(dāng)沒有雷電流從接地裝置流過時(shí)，“地”是處于零電位的。而當(dāng)有雷電流流過時(shí)，“地”的電位就不是零電位了，而將會有電壓升高，并出現(xiàn)電壓不均。

（2）在做防雷設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將“地”區(qū)分為“本地”和“遠(yuǎn)地”。“遠(yuǎn)地”即是我們選做零電位的參考地，也是從外界引入的電源線、信號線和其它導(dǎo)線的地。它的電位是不變的零電位。而“本地”的電位將因雷電流的流過而升高。

（3）“本地”電位因雷電流的流過升高后，所有聯(lián)接在它上面的設(shè)備的電位將隨著“本地”電位的升高而同時(shí)升高。因此，雖然“本地”相對于參考零電位有很大的電壓升高，但這個(gè)電壓升高對于正確聯(lián)接到它上面的設(shè)備不會造成危害。

（4）“本地”電位因雷電流的流過升高后，將會對聯(lián)接到“遠(yuǎn)地”的所有設(shè)備和線路造成電壓反擊。這個(gè)電壓反擊將對這些設(shè)備和線路造成嚴(yán)重的危害。

[1]中華人民共和國電力工業(yè)部. DL/T621-1997. 交流電氣裝置的接地.

[2]中華人民共和國建設(shè)部 GB50057建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范.

[3]白同云，呂曉德。電磁兼容設(shè)計(jì)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

[4]程利軍等.微機(jī)保護(hù)抗電快速瞬變脈沖群干擾研究.第8屆全國繼電保護(hù)學(xué)術(shù)研討會論文集.北京：中國電機(jī)工程學(xué)會，2001.

[5]張三慶.電快速瞬變脈沖群和浪涌干擾機(jī)理與抑制技術(shù)研究.北京：華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.