地電位反擊的機理及繼電保護產品的防雷設計

趙喜軍 鄒偉華 王小進

（中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

繼電保護產品防雷設計的主要目標是浪涌電壓抑制和雷電電磁輻射干擾的防護。浪涌電壓主要有兩種破壞形式：一是沿（各種）線路侵入電子設備；二是地電位升高和地電位不均，進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生時接地裝置的電位升高的成因及其帶來的電壓反擊的機理以及對地電位反擊的防護。

2 雷電沖擊電壓的產生機理

在雷擊發生前，接閃器、引下線和整個接地裝置都處于與大地相同的零電位，這時在它們之間不存在電壓分布不均的問題。而在接閃后，當雷電流流過引下線和整個接地裝置的時候，由于雷電流是一個頻率很高的脈沖電流波，由它產生的雷電過電壓也是一個高頻脈動電壓波，因為分布參數的影響，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）升高的機理

研究雷電沖擊電位（壓）升高之前應明確了解遠處接地裝置和本地接地裝置兩者的區別，即“遠地”與“本地”的區別。在沒有雷電活動的時候，兩個地的電位都一樣，都處于零電位，沒有電位差。而當“本地”接地裝置泄放雷電流時它們的區別就顯現出來了。雷電流會在“本地”接地裝置上產生電壓降。而就“本地”接地裝置上相對于“遠地”而言具有的高電位。即 “本地”相對于“遠地”的零電位有了電位的升高。

從遠處引入建筑物的電源線、通信線和其它線路，它們連接在遠處的地上，其自身的工作電壓就是以“遠地”電位為參考點的電壓。因此它們在引來工作電壓的同時也引來了遠處大地的參考零電位。在雷擊發生之前，“本地”接地裝置被認為是處于零電位，比那些外引導線和設備的工作電位都低。而在雷擊發生的短時間內，在“本地”接地裝置上產生的這個瞬間電壓升高就成為一個相對于外引導線和設備的真實的電壓升高了。一旦在這個電壓下發生電擊，其方向就是從“本地”接地裝置擊向這些外引導線和設備，所以稱為反擊。認識它的本質對于防護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

電力系統的輸電線路在正常運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。當雷擊桿塔頂或架空地線時，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生很高的過電壓。 這個過電壓是出現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倍。這時，線路導線上的（輸電）電壓相對于雷電沖擊電壓是低電壓了，原本接地而現在卻處于高電壓的桿塔將向線路導線發生反擊和閃絡放電。

3.3 接地裝置或引下線的旁側閃擊

當通過引下線或避雷針塔泄放雷電流時，沿引下線或避雷針塔會有電壓降。若與引下線或避雷針塔臨近的設備之間的空氣間隙不足以承受此電壓降時，則會出現擊穿放電，稱為旁側閃擊，將危及鄰近的設備。 為了防止旁側閃擊的發生，其它設備和金屬結構，包括其它接地裝置和構架，必須與防雷引下線或獨立避雷針塔的塔架結構保持一個間隙距離。由于雷電沖擊放電電壓與很多因素有關，如電壓的波形、作為電極的構架的結構形式、電壓的極性以及大氣環境條件等，因此，只能對該間隙進行比較粗略的計算。按電力部門頒布的規程，該間隙不得小于5 m。

3.4 在地中接地網之間的電位反擊

防雷接地網在泄放雷電流時會有電壓升高，此電壓直到無窮遠處才衰減為零，即大地零電位。因此在防雷接地網與其它接地系統或接地極之間也會有電壓升高。防雷接地網與另一設備的接地點之間的如果相距太近，在它們之間就會發生放電和閃絡，從而危及接在這些接地系統上的設備的安全。為了避免這種放電的發生，電力系統的防雷規程要求防雷接地網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程，該距離不得小于3 m。

如果不能將防雷接地網與其它接地網分開到上述足夠的距離，那就只好將它們聯接在一起，形成共用接地系統。

3.5 地電位對接地設備的反擊

各種用電設備都是要接地的。設備接地后，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，接地設備的電位也跟著一起升高。在設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，設備不是孤立的，它與外界還有各種聯系，這些與外界聯系的線路引來了遠地的零電位。于是在設備與這些外引線路之間將發生電位反擊。反擊主要發生在：（1）電源供電線路和相聯的電源變壓器；（2）引入（出）室內設備的通信、控制、信號以及數據采集等線路和聯接在這些線路上的接口設備。

4 地電位反擊的防護

為了提高繼電保護產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措施。其方法之一是確保繼電保護產品和系統良好接地，避免系統地和繼電保護產品之間形成反擊。第二種防護方法是在繼電保護產品的關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器件，使反擊電壓迅速被旁路，從而使進入繼電保護產品中的反擊電壓幅度大大降低。

4.1 繼電保護產品中常見的防護器件

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

氣體放電管：它的優點是耐電流量大和靜電容量小，缺點是點火電壓高，在直流電壓下不能恢復到截止狀態，因而不能用于防護低電壓電路，經多次電壓瞬變和浪涌后其性能會下降。采用氣體放電管進行保護時，一定要將放電管安裝在被保護器件的引入端，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設備的伏秒特性也要正確配合，也就是要根據線路的特點來選擇氣體放電管，其放電電壓一定要小于被保護設備的電壓，即放電管的沖擊擊穿電壓，在任何時候都要比被保護設備的沖擊放電電壓低，這樣才能有效地保護電子設備。

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，它反應速度快、非線性指數大、無極性、無續流、壽命長、成本低。缺點是箝位系數小，呈負溫度系數，經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器件或裝置并聯使用，在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應低于標稱電壓，即使在電源波動情況最壞時，也不應高于額定值中選擇的最大連續工作電壓，該最大連續工作電壓值所對應的標稱電壓值即為選用值。

4.2 繼電保護產品的防雷設計

繼電保護產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“遠地”為參考的端口只有電源和通訊，因此這兩個端口的防雷設計特別是防止電壓反擊的問題就尤為突出。

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

5 結語

（1）對防雷設計中的“地”，要有正確的認識。當沒有雷電流從接地裝置流過時，“地”是處于零電位的。而當有雷電流流過時，“地”的電位就不是零電位了，而將會有電壓升高，并出現電壓不均。

（2）在做防雷設計時，應將“地”區分為“本地”和“遠地”。“遠地”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，所有聯接在它上面的設備的電位將隨著“本地”電位的升高而同時升高。因此，雖然“本地”相對于參考零電位有很大的電壓升高，但這個電壓升高對于正確聯接到它上面的設備不會造成危害。

（4）“本地”電位因雷電流的流過升高后，將會對聯接到“遠地”的所有設備和線路造成電壓反擊。這個電壓反擊將對這些設備和線路造成嚴重的危害。

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

[2]中華人民共和國建設部 GB50057建筑物防雷設計規范.

[3]白同云，呂曉德。電磁兼容設計[M].北京：北京郵電大學出版社，2001.

[4]程利軍等.微機保護抗電快速瞬變脈沖群干擾研究.第8屆全國繼電保護學術研討會論文集.北京：中國電機工程學會，2001.

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