雷電防護(hù)及設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

國(guó)建偉/中國(guó)石油工程建設(shè)公司新疆設(shè)計(jì)分公司儀電室

雷電防護(hù)及設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

國(guó)建偉/中國(guó)石油工程建設(shè)公司新疆設(shè)計(jì)分公司儀電室

通過(guò)雷擊的機(jī)理、效應(yīng)及危害，在設(shè)計(jì)中有針對(duì)性的進(jìn)行防護(hù)。對(duì)供配電系統(tǒng)中采取的各防雷保護(hù)進(jìn)行分析，針對(duì)電子設(shè)備保護(hù)與防雷方法提出建議。

先驅(qū)放電；擊距；余光階段 瞬態(tài)電涌效應(yīng)；跨步電壓；泄流；限幅；均壓；浮點(diǎn)電位牽制

一、雷擊機(jī)理

雷電是大氣中帶電云塊之間或帶電云層與地面之間所發(fā)生的一種強(qiáng)烈的自然放電現(xiàn)象。雷電也稱閃電，有線狀、片狀和球狀等形式。

大氣雷云對(duì)地面的放電通常是階躍式的，先出現(xiàn)“先驅(qū)放電”，其放電脈沖以約30～40us的間隔階躍式地向地面發(fā)展；當(dāng)?shù)竭_(dá)地面的距離為“擊距”時(shí)，與地面物體向上產(chǎn)生的“迎面先導(dǎo)”會(huì)合，開(kāi)始“主放電”過(guò)程約為數(shù)十或數(shù)百微秒，雷電的幅值可達(dá)數(shù)十或數(shù)百千安。緊接著的“余光階段”電流約數(shù)百安但持續(xù)時(shí)間卻約達(dá)數(shù)十至數(shù)百毫秒。

二、雷擊效應(yīng)及危害

根據(jù)雷擊效應(yīng)區(qū)分往往可分為感應(yīng)雷與直擊雷。

感應(yīng)雷產(chǎn)生往往伴隨著靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)，由此在輸電線路上會(huì)產(chǎn)出過(guò)電壓，甚至有可能高達(dá)數(shù)百千伏，會(huì)導(dǎo)致線路絕緣閃絡(luò)及所連接的電氣設(shè)備絕緣遭到損壞；在危險(xiǎn)環(huán)境未作等電位聯(lián)結(jié)的金屬管線還可能產(chǎn)生火花放電而導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)。

當(dāng)雷電直接擊中地面物體擊防雷裝置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電涌效應(yīng)、熱效應(yīng)及機(jī)械效應(yīng)。強(qiáng)大的雷電流流經(jīng)防雷接地裝置，會(huì)在引下線及接地體上產(chǎn)生瞬態(tài)過(guò)電壓，在接地點(diǎn)附近地面形成高電位梯度，造成在接地點(diǎn)附近人員因受過(guò)高“跨步電壓”而造成傷害。當(dāng)雷電直擊架空電氣線路或天線桿等物體時(shí)，強(qiáng)大的雷電波還會(huì)直接沿架空線路侵入建筑物內(nèi)，會(huì)因高電位及閃絡(luò)放電引發(fā)人員傷亡及建筑物電氣設(shè)備的損壞。

三、雷電的防護(hù)

根據(jù)建筑物的重要性、內(nèi)容、雷擊后果的嚴(yán)重性以及遭受雷擊概率大小等因素綜合考慮，我國(guó)防雷標(biāo)準(zhǔn)將建筑物劃分為三類(lèi)不同的防雷類(lèi)別，以便規(guī)定不同的雷電防護(hù)要求和措施。雖然三類(lèi)防雷建筑物有不同的雷電防護(hù)要求和措施，但防護(hù)的內(nèi)容仍然是針對(duì)直擊雷、雷電感應(yīng)及電波侵入三方面。

1.避雷針。對(duì)于建筑物的直擊雷防護(hù)，通常做法仍然是裝設(shè)獨(dú)立的避雷針、架空避雷線或架設(shè)避雷網(wǎng)。其構(gòu)成均分為接閃器、引下線和接地體，防雷原理相同。

為了防止反擊，要求避雷針與被保護(hù)設(shè)備之間空中距離不小于5m，地中距離不小于3m。獨(dú)立避雷針的保護(hù)范圍對(duì)地面為1.5h（針高），對(duì)超過(guò)針高一半的空間其保護(hù)范圍只能在45°角內(nèi)校核。

2.避雷器。為了防護(hù)感應(yīng)雷和輸電線路的雷電侵入波的危害，變電所采用了避雷器。以前裝設(shè)的避雷器大多為閥型避雷器，目前均由性能更好的金屬氧化物避雷器所取代。

由于雷電侵入波主要對(duì)35kV以下系統(tǒng)危害較大，變電所著重對(duì)35kV和10kV線路入侵波進(jìn)行防護(hù)。對(duì)35kV架空進(jìn)線，一般是采用進(jìn)線段1～2km的架空避雷線配其兩端的管型避雷器進(jìn)行防護(hù)。對(duì)10kV線路，則每條進(jìn)線均采用一組閥型或氧化鋅避雷器進(jìn)行防護(hù)。

3.建筑物內(nèi)的防雷措施。建筑物根據(jù)防雷等級(jí)劃分，防直擊雷設(shè)置相應(yīng)的避雷針、避雷帶；防雷電波逐級(jí)設(shè)置相應(yīng)的避雷器或電壓保護(hù)器。對(duì)于防雷電波入侵，低壓線路宜全線采用電流直接埋地敷設(shè)，在入戶端應(yīng)將電纜的金屬外皮和鋼管接到雷電感應(yīng)的接地裝置上。

4.建筑物的接地網(wǎng)。建筑物考慮直擊雷泄流通路，其接地網(wǎng)處理一般是與建筑物的主接地網(wǎng)相連。接地系統(tǒng)中雖然分防雷接地、靜電接地、保護(hù)接地、工作接地等，但是在設(shè)計(jì)中采用的一般為聯(lián)合地網(wǎng)。這種聯(lián)合地網(wǎng)經(jīng)濟(jì)有效，并且可以解決各地網(wǎng)在內(nèi)外過(guò)電壓時(shí)產(chǎn)生的電位差，造成對(duì)耐受水平低的電子設(shè)備的反擊，聯(lián)合接地網(wǎng)接地電阻采用所有接地電阻最小值。

5.建筑物防雷存在問(wèn)題。目前建筑物內(nèi)電子設(shè)備之間的往往聯(lián)系復(fù)雜，接地網(wǎng)各點(diǎn)電位差異易造成設(shè)備工作出錯(cuò)和損壞。其中影響最大的是高頻電纜、長(zhǎng)距離導(dǎo)引電纜、控制電纜，以及就地布置電子設(shè)備與主控制室之間的網(wǎng)絡(luò)線等。

四、電子設(shè)備加強(qiáng)防雷措施

為了適應(yīng)智能化建筑的發(fā)展要求，對(duì)應(yīng)電子設(shè)備必須在原定防雷措施基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步進(jìn)行防范。采取措施的原則是分區(qū)防護(hù)、三級(jí)過(guò)壓保護(hù)、多重屏蔽、均衡電位、浮點(diǎn)電位牽制。對(duì)防雷化分為三個(gè)區(qū)進(jìn)行分級(jí)防護(hù)，根據(jù)設(shè)備的敏感性和重要性進(jìn)行加強(qiáng)屏蔽可以起到事半功倍的效果。

1.第一級(jí)防護(hù)區(qū)為高壓設(shè)備部分和高壓線路的進(jìn)線段保護(hù)范圍。主要措施為獨(dú)立避雷針、構(gòu)架避雷針、架空避雷線、高壓避雷器、設(shè)備引下線、主接地網(wǎng)和微波塔及其接地。其主要任務(wù)為引雷、泄流、限幅、均壓，完成基本的防雷功能。

2.第二級(jí)防護(hù)區(qū)包括進(jìn)出建筑物管線、二次電纜。其主要任務(wù)是防感應(yīng)雷過(guò)電壓和侵入波過(guò)電壓的傳遞，以及危險(xiǎn)電位內(nèi)引外送。

（1）進(jìn)出建筑物管線處理。進(jìn)出建筑物管線包括水管、煤氣管、熱力管、電源線、縱聯(lián)保護(hù)導(dǎo)引線、信息傳輸線等。進(jìn)所金屬管類(lèi)均應(yīng)直埋進(jìn)所，并與地網(wǎng)分幾處連接。對(duì)同軸電纜天饋線應(yīng)加裝相應(yīng)高頻避雷器，避雷器的地線就近與機(jī)房的接地匯接排相連。

（2）二次電纜。直接與電子設(shè)備屏柜和裝置相連的控制信號(hào)電纜、電流、電壓回路電纜都應(yīng)該采用屏蔽電纜，且屏蔽層金屬保護(hù)層及備用芯均應(yīng)兩端接地。

3.第三級(jí)防護(hù)主要任務(wù)是多重屏蔽、電源過(guò)壓嵌位、信號(hào)限幅濾波、地電位均壓、浮點(diǎn)電位牽制。

（1）多重屏蔽。微電子設(shè)備工作電壓低擊穿功率小，靠單一屏蔽難以達(dá)到預(yù)期效果，必須采取多重屏蔽。利用建筑物鋼筋網(wǎng)組成的法拉第籠，以及設(shè)備屏柜金屬外殼、裝置金屬外殼等逐級(jí)屏蔽。

設(shè)備屏柜、裝置本體訂貨時(shí)必須注明電磁兼容防護(hù)等級(jí)，使用環(huán)境。

（2）地電位均壓。室內(nèi)采用聯(lián)合地網(wǎng)，設(shè)環(huán)形地母線、接地匯集線，地母線與地網(wǎng)采用多條引下線對(duì)稱引下連接。

（3）浮點(diǎn)電位牽制。建筑物內(nèi)金屬門(mén)窗、玻璃幕墻、吊頂龍骨、燈具等均可能隨雷電二次效應(yīng)危害電子設(shè)備，應(yīng)予就近多點(diǎn)接地以防不測(cè)。

五、結(jié)束語(yǔ)

雷擊的危害主要為直擊雷、雷電感應(yīng)和電波侵入，在通常設(shè)計(jì)中往往比較重視對(duì)于直擊雷的防護(hù)，而忽視了對(duì)應(yīng)雷電感應(yīng)和電波侵入危害的防范。必須重視雷電對(duì)電子設(shè)備的危害，其主要表現(xiàn)在感應(yīng)過(guò)電壓，侵入波過(guò)電壓、地電位反擊，雷電二次效應(yīng)等。

對(duì)電子設(shè)備的防雷應(yīng)分區(qū)分級(jí)防護(hù)，引雷、分流、散流、屏蔽、均壓、隔離、限幅、嵌位、濾波相結(jié)合，充分利用當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)將雷害事故和干擾減少到最低程度。

【1】《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版

【2】《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010