雷電防護(hù)及等電位接地探討與應(yīng)用技術(shù)

1、雷電防護(hù)及等電位接地的探討與應(yīng)用1線路過電壓、過電流損壞 設(shè)備的原因分析及防護(hù)方法1.1雷擊避雷針、避雷帶、電源線、信號(hào)線產(chǎn)生感應(yīng)過電壓過電流的現(xiàn)象是經(jīng)常發(fā)生的。1.2圖1中的電子設(shè)備A和E是兩臺(tái)互相傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備，假設(shè)電源線上傳輸進(jìn)來5kA雷電電流波10/350卩S,按圖2所示的等效電路，設(shè)備是否會(huì)被損壞？圖1獨(dú)立接地系統(tǒng)的設(shè)備電位差圖假設(shè)：電源避雷器P性能優(yōu)良，其響應(yīng)時(shí)間和導(dǎo)通后的殘壓不會(huì)損壞電子設(shè)備A,雷電流IP=5kA全部流經(jīng)避雷器 P進(jìn)入接地點(diǎn)G 1入地；接地電阻 R1 = 1 Q、R2= 1 Q、R3= 1 Q，且互為獨(dú)立接地。雷電流IP流過接地電阻R 1時(shí)，接地點(diǎn)G 1的地電位將

2、抬升為U G1= Ip R1= 5kVo1.2.2 該電位U G1此時(shí)會(huì)加到電源的輸入端a1，而設(shè)備A的接地點(diǎn)G 2為零電位，那么電源輸入端與入地點(diǎn)G 2之間的電位差V a1G2= 5kV。電子設(shè)備開關(guān)電源能耐受的最高電壓為8001500V 10/350卩S波，假設(shè)5kV的電壓波加到a1G2兩端，那么設(shè)備A的電源端將被過電壓損壞。1.2.3 為了防止設(shè)備A的電源端免受雷擊損壞，應(yīng)將接地點(diǎn)G1與G2相連接如圖2所示配電軒電孑設(shè)備A電孑謖圖2用避雷器防雷的等電位接地圖24從項(xiàng)看，G 2電位變?yōu)?kV，此時(shí)，信號(hào)傳輸線另一端設(shè)備E的接地點(diǎn)G3為零電位，而信號(hào)接口 a 2與接地點(diǎn)G 2之間的電位差 V

3、G2a2變成了 5kV，從而使信號(hào)接口 a 2損壞。1.2.5 要保護(hù)信號(hào)接口 a 2,應(yīng)在信號(hào)接口 a 2和接地點(diǎn)G 2之間安裝殘壓小的信號(hào)避雷器P A,且接地點(diǎn)必須與G 2相連。1.2.6 由項(xiàng)可以看出，設(shè)備信號(hào)接口被雷擊損壞，該雷電不一定是由信號(hào)傳輸線產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓所致。1.2.7 由項(xiàng)可以發(fā)現(xiàn)，雖然設(shè)備A的信號(hào)接口 a2并未損壞，但5kV的電壓已加到a2與G3端，那么信號(hào)接口 b 2會(huì)損壞嗎？理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：a 2至b 2的信號(hào)傳輸線，如果線徑w 1mm長(zhǎng)度大于100m,那么線阻加上導(dǎo)線的分布電感所形成的電抗分壓，使得加到b 2與G3的電壓V b2G3小于100V,但如果傳輸

4、線小于 100m,那么有可能使V b2G3 100V而使設(shè)備B受到 雷擊損壞。1.2.8 為使設(shè)備E得完好保護(hù)，應(yīng)同設(shè)備A樣按和項(xiàng)的要求去做。假設(shè)雷電從信號(hào)線上產(chǎn)生，其分析方法，防護(hù)手段同至1.2.8 。2直擊雷損壞設(shè)備的原因分析和防護(hù)方法2.1圖3是建筑物受直擊雷后室內(nèi)設(shè)備受損壞的示意圖，圖中A、E、C是處在不同樓層的 電子設(shè)備；S A、S BS C為各設(shè)備之間互相通信的信號(hào)線；S是與建筑物外的設(shè)備通信信號(hào)線；G 1、G 2、G 3為不同樓層建筑物內(nèi)部鋼筋引下線；L、LA、L BL C為設(shè)備供電線路；R S為設(shè)備工作接地，R G為建筑物防雷接地，G A、G BG C為設(shè)備工作接地在主桿線上的

5、接地點(diǎn)；P L、P S分別為電源避雷器和信號(hào)避雷器。雷ms雷帶遙雷帯/圖3 建筑物內(nèi)設(shè)備受雷擊分析示意圖22假設(shè)雷電直接打在建筑物樓頂避雷帶上，入地雷電流1=100kA,R G= 1 Q、R S= 1 Q。此時(shí),G 1、G 2、G 3所處的各樓層的電位都將抬升100kV,如果G A G B、G C與防雷地不相連接，就會(huì)發(fā)生設(shè)備工作地線與建筑物樓板到處打火的現(xiàn)象還擊，因?yàn)?00kV的電位差可擊穿的空氣距離達(dá)300500mm 由當(dāng)時(shí)的空氣絕緣程度而定。2.3如果R G與R S相距較遠(yuǎn)如20m以上，設(shè)備工作接地線與樓板、墻壁絕緣較好，地電位的 抬升缺乏以擊穿設(shè)備工作地線。但雷擊時(shí)，工作人員剛好與設(shè)備

6、機(jī)殼相接觸，人身體上的某一部 位又與地板或墻壁相接觸，雷電將會(huì)流過人體進(jìn)入設(shè)備工作接地，人身平安必將受到傷害作者 本人親眼看到此類事故的發(fā)生。2.4當(dāng)22項(xiàng)和2.3項(xiàng)的事故發(fā)生后，高電位進(jìn)入設(shè)備擊穿設(shè)備的電源端或信號(hào)端口，雷電 從電源線或信號(hào)線流出，構(gòu)成了雷電流回路，使設(shè)備受到損壞，造成雷電電流波的低電位引入現(xiàn) 象。為了防止2.2項(xiàng)和2.3項(xiàng)事故的發(fā)生，R G與R S必須是同一個(gè)接地體，即設(shè)備工作地和 防雷地必須聯(lián)合接地；聯(lián)合接地后，人身平安了。聯(lián)合接地后，設(shè)備就平安了嗎？不 ，雷擊時(shí)，設(shè)備機(jī)殼通過工作地線流入接地體，由于 地線的分布電感及線電阻產(chǎn)生的線電壓降很大分布電感產(chǎn)生的線電壓將在下一節(jié)

7、討論，很難保證設(shè)備A與E與C之間的地電位是相等的，當(dāng)電位差大于100V以上就有可能使S C、S B、S A和S的接口通過信號(hào)連接線將雷電流或過電壓引入而損壞接口；當(dāng)雷電產(chǎn)生的電位差大于 8001500V,電源輸入端口 L C、L B、L A也將損壞不管是否安裝避雷器PL、P S,此結(jié)果作者曾做過屢次試驗(yàn)。要解決直擊雷造成還擊損壞設(shè)備的現(xiàn)象，就得盡量減少各點(diǎn)之間的電位差。具體方法是：各樓層的設(shè)備工作地G A、G B G C應(yīng)與該樓層的 建筑物主鋼筋相連至少兩點(diǎn)相連，并 在機(jī)房?jī)?nèi)組成環(huán)形聚集環(huán)，如圖4所示。接在聚集環(huán)上的設(shè)備1與設(shè)備2如果互相連網(wǎng)，在雷擊時(shí)，因其地電位差極小，從而防止了 雷擊還擊損

8、壞。禁止在機(jī)房?jī)?nèi)用細(xì)小的銅線將設(shè)備串聯(lián)接地，因?yàn)閷?dǎo)線的分布電感和線阻，將使各接 地點(diǎn)之間電位差增大。如機(jī)房?jī)?nèi)的環(huán)形接地體無法與大樓內(nèi)的主鋼筋相連，那么用兩條銅線同時(shí)引下，銅線的截面積為每平方毫米導(dǎo)線最長(zhǎng)為0.5m且截面積不宜小于 35 mm2環(huán)形接地體與設(shè)備的電源插座相連或與設(shè)備相連，其連線截面積為每平方毫米導(dǎo)線長(zhǎng)度最長(zhǎng)為10cm35nmia銅線環(huán)形接地聚集環(huán)70mm2銅線大樓主鋼筋接 地 引 下 線圖4機(jī)房?jī)?nèi)的環(huán)形接地聚集環(huán)2.5進(jìn)入和引出大樓的各種線路均加裝避雷器。且應(yīng)與設(shè)備的工作接地相連。2.6由于直擊雷入地的電流強(qiáng)度極大，因此在雷電流入地的過程中，將產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁波，該電磁波會(huì)近距離感

9、應(yīng)在大樓內(nèi)各種設(shè)備的線路上，產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，從而使設(shè)備損壞。261防止直擊雷的感應(yīng)過電壓，傳統(tǒng)的方法是將各線路進(jìn)行屏蔽處理或在每一個(gè)線路的設(shè)備輸入、輸出端安裝各種避雷器。2.6.2 可采用限流避雷針，限制入地的雷電流強(qiáng)度(將在下一節(jié)討論)。3電抗、干擾及避雷器選型3.1上一節(jié)已提到由于接地導(dǎo)線的分布電感及線電阻在雷電流流過時(shí)會(huì)造成接地導(dǎo)線上電壓分布不均的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致連接于該接地線上相互連網(wǎng)的設(shè)備因地電位不等而損壞。3.1.1 以習(xí)慣采用的2.5 mm2的銅線為例進(jìn)行計(jì)算：2.5 mm2的銅線1m長(zhǎng)其分布電感為 L =1.01 X 10-6 H ,線電阻 R= 0.02 Q,按10/350卩S

10、的電流波I = 1kA流過該導(dǎo)線產(chǎn)生的電壓：V1m= dl/dt X L + R- I = 103/(10 X 10 -6) X 1.01 X 10 -6 + 0.02 X 103= 121(V)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值為：106 V由此可見，如果幾十米的2.5 mm2的接地導(dǎo)線將產(chǎn)生的電位差可達(dá)幾千伏以上。3.1.2 在防雷工程中認(rèn)真計(jì)算接地線上因電抗形成的電位差是非常重要的。建議在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)和計(jì)算時(shí)，機(jī)房設(shè)備接地線采用10/350卩S、5kA電流波進(jìn)行檢測(cè)、計(jì)算和 設(shè)計(jì)。3.1.3 石化系統(tǒng)的原油罐，是浮頂金屬罐，浮船與罐體用多根25 mm2的軟銅線相連，而浮船與罐體的間隙是絕緣的，雷擊罐頂或罐頂上的

11、避雷針時(shí)，由于軟銅線的分布電抗及雷電流太大，浮船與罐體之間的電位差可3.2聯(lián)合接地可以解決防雷等電位問題，但是，聯(lián)合接地會(huì)將工頻干擾、高頻干擾加到設(shè)備上，使得網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)傳輸、設(shè)備的工作穩(wěn)定性受到危害，并容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)喪失、誤碼、通信中斷等。3.2.1 各種干擾中最主要的是工頻干擾，而工頻干擾表現(xiàn)的是地電位抬升，如三相用電不平 衡、零線重復(fù)接地、機(jī)殼漏電等產(chǎn)生的電流。3.2.2 設(shè)工頻入地電流為5A ，接地電阻為4 Q，那么地電位抬升為20V,該電壓直接加到計(jì)算機(jī)的邏輯低電平上，造成整個(gè)系統(tǒng)的誤碼或信號(hào)中斷因?yàn)椋河?jì)算機(jī)的串行通信電平為土12V,而接地電阻在1 Q以下，地電位抬升在5V以下，計(jì)算

12、機(jī)的通信才會(huì)平安。3.2.3 為了保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的平安穩(wěn)定工作，聯(lián)合接地電阻必須到達(dá)1Q以下。3.3在驗(yàn)收、檢查工頻接地電阻，測(cè)試所需的電流極埋設(shè)位置與地網(wǎng)邊緣之間應(yīng)不小于該 地網(wǎng)等效直徑的35倍，電壓極棒埋設(shè)位置，應(yīng)為電流極棒埋設(shè)位置的0.618倍。3.3.1 建議禁止使用目前普遍流行的電流極40m,電壓極20m的測(cè)量方法來測(cè)量大樓和地網(wǎng)等效直徑大于15m的接地系統(tǒng)。3.3.2 測(cè)量方法不對(duì)，將導(dǎo)致出現(xiàn)較大誤差。3.4避雷器的選型。3.4.1 從Lpz O A、O B區(qū)IEC1312-1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入室內(nèi)的電源線應(yīng)選取通流量大于40kA 10/350卩S的避雷器，由于導(dǎo)線的分布電感，連接于避雷器的

13、導(dǎo)線殘壓很高。由此，應(yīng)在室內(nèi)的其它樓層配電柜上安裝第二級(jí)通流量不少于10kA電源避雷器，此處的殘壓仍對(duì)設(shè)備有危險(xiǎn)，應(yīng)在設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)安裝第三級(jí)通流量不小于5kA的避雷器。3.4.2 從Lpz O A、O B區(qū)進(jìn)入室內(nèi)的信號(hào)線上應(yīng)安裝通流量不小于5kA的避雷器，室內(nèi)各線路應(yīng)安裝通流量不小于 1kA的信號(hào)避雷器。4兩種防雷產(chǎn)品簡(jiǎn)介4.1雷電直擊 建筑物將帶來還擊及近距離強(qiáng)烈感應(yīng)現(xiàn)象，要防止設(shè)備損壞，就必須嚴(yán)格進(jìn)行 等電位施工及每臺(tái)設(shè)備前安裝避雷器。其實(shí)這種要求是很難做到的。IEC1312-1標(biāo)準(zhǔn)要求建設(shè)全屏蔽機(jī)房，在我國(guó)很難做到，也不現(xiàn)實(shí)。因此當(dāng)直擊雷發(fā)生后，減小入地電流，不失為一種最正確 選擇。下面

14、簡(jiǎn)要介紹一種限流避雷針。DK限流避雷針又稱：DK雷電限流器采用空氣離子激發(fā)器，在雷云靜電場(chǎng)的作用下， 在DK限流避雷針上能激發(fā)出的電離子數(shù)比普通避雷針在同等電場(chǎng)強(qiáng)度下大3倍以上、并以電暈形式構(gòu)成虛擬高度，提高了雷擊放電點(diǎn)的準(zhǔn)確性，增大了保護(hù)角，有效地減少和防止了傳統(tǒng)避雷 針的繞擊、側(cè)擊現(xiàn)象。表1給出了電力工業(yè)部武漢高壓研究所關(guān)于DK限流避雷針與普通避雷針 模型在相同電場(chǎng)強(qiáng)度下的雷擊放電概率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。表1加壓序號(hào)12345678910放電電壓kV523525519515517520525524522523放電點(diǎn)器器器器器針器器器器能引起間隙放電，造成石油化工廠的原油罐被雷擊起火。加壓序號(hào)111

15、21314151617181920放電電壓kV524524517519525524523526526510放電點(diǎn)針器器針器器器針針器注：表中的“器為DK雷電限流器DK限流避雷針，“針為普通避雷針。結(jié)果對(duì)避雷針模型放電5次，對(duì)雷電限流器模型放電15次。DK限流避雷針采用直徑為 108mm高1500mmt勺可變阻抗變換器,在雷電閃擊未發(fā)生之前其阻 抗值為0.1 Q左右，是雷電閃擊入地的良好通道，當(dāng)雷電先導(dǎo)發(fā)生、開展至DK限流避雷針時(shí)，根據(jù)電流I的大小和隨時(shí)間的變化率自動(dòng)調(diào)節(jié)阻抗R值，調(diào)節(jié)后的阻抗值可達(dá)幾百兆歐姆。阻抗調(diào)節(jié)時(shí)間為25s 100nS,當(dāng)阻抗變大后，流過DK限流避雷針的電流I減小，這時(shí)阻

16、抗R值以極短的 時(shí)間25s 100nS趨向于0值變化，這樣雷電流在未發(fā)生旁閃的時(shí)間內(nèi)，始終被限制在DK限流 避雷針的阻抗變換器中流過，周而復(fù)始，直至該次雷擊結(jié)束。阻抗變換的過程如下：1=0 I變大I變小I變大I變小I變大I變小R - 0 - 8 - 0 - 8 - 0 - 8 - 0表2給出了DK限流避雷針限流效果的檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表2: 環(huán)境溫度：32C濕度：65% 天氣：晴序號(hào)輸入波形8/20卩s限流避雷針輸出電流的短路電流kA波形卩S/卩S幅值A(chǔ)15102/45285210383/836350320363/838566430400/827806540380/8261098650348/817

17、1300760193/4341425870367/8171460980333/79615961090409/827183911100375/8282022結(jié)論：DK限流避雷針有提前先導(dǎo)及明顯的限流效果。4.2本文提到要做到減小干擾源對(duì)設(shè)備的影響，就應(yīng)該盡可能地降低接地電阻小于1Q,但是在城市無足夠的土地搞接地，在高山、巖石、砂土地區(qū)土壤電阻率極高，無法降低接地電阻，應(yīng)如何解決？4.2.1 傳統(tǒng)的接地系統(tǒng)與接地體所包圍的面積S和土壤電阻率p有關(guān)。設(shè)：土壤電阻率p=200 Q . m ,要求接地電阻值到達(dá)1 Q，所需的接地面積S為S = 0.25 X p 2/R2 = 0.25 X 2002= 10000 m 2由計(jì)算所得到的結(jié)論是：一般城市的土壤電阻率p為200Q . m ,要做一個(gè)1 Q的接地系統(tǒng)需要接地面積為1萬平方米，顯然是很難做到的。4.2.2 要降低接地電阻，就必須進(jìn)行縱深方向的接地，向縱深垂直地面方向的接地電阻公式為：R= p /2 n l X In41/dR -接地電阻，p - 土壤電阻率，1-接地體全長(zhǎng)，d-接地體直徑由上式可以看出，接地體埋地越深，接地電阻越小。DK-AG電解地極，用電解液滲透入土壤深處深可達(dá)幾十米，且無毒、無腐蝕、不易揮發(fā)，導(dǎo)電性能好，對(duì)降低接地電阻效果極