雷電過電壓對低壓配電系統(tǒng)的影響探析

孟陳，李雪 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

0 引言

雷擊的類型一般分為：直擊雷、感應(yīng)雷、雷電侵入等。本文就三種類型雷電產(chǎn)生的過電壓分析。本文以第二類防雷為例，分析三種類型的雷電過電壓及相應(yīng)的防護(hù)措施。

1 直擊雷過電壓

直擊雷是云層和大地突出物之間迅速放電，電流很大，可以瞬間結(jié)束人畜的生命。防直擊雷的有效措施是裝設(shè)接閃器及接閃網(wǎng)。直接雷落于建筑物及防雷裝置時，雷電流經(jīng)過防雷引下線及接地裝置，產(chǎn)生的雷電過電壓提升接地裝置對地電位，可能會使附近人員因過高的“跨步電壓”或“接觸電壓”受到傷害。

1.1 直擊雷瞬態(tài)過電壓

直擊雷擊于建筑物及防雷裝置時，引下線產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓U，導(dǎo)致接地裝置對地電位提升，計算值為：

式中：U——瞬態(tài)過電壓，kV；

U——雷電流在接地裝置電阻上的電壓降，kV；

U——雷電流在引下線距地高度為h時產(chǎn)生的電感電壓降，kV；

R——沖擊接地電阻，歐姆（Ω）；

I——雷電流流入到每根引下線的電流幅值，kA；

L——引下線每單位長度電感，μH/m，一般取值為1.5μH/m；

式中雷電流參數(shù)詳見《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）附錄F表F.0.1-1～F.0.1-3。

由上式可知，建筑物高度h增加，引下線上U電壓降大幅度提升，產(chǎn)生的高電位易對建筑物發(fā)生跳擊。為減弱過電壓，GB50057-2010規(guī)范規(guī)定，第一、二、三類防雷建筑，建筑高度超過規(guī)定值時，應(yīng)設(shè)置等電位連接環(huán)，建筑內(nèi)引下線、金屬結(jié)構(gòu)及設(shè)備均應(yīng)與其可靠連接實現(xiàn)等電位，防止過電壓產(chǎn)生的電位差對電氣設(shè)備造成損壞。

1.2 直擊雷對電氣設(shè)備的反擊過電壓

由GB50057-2010規(guī)范附錄F表F.0.1-1～F.0.1-3可知，雷電流的幅值和陡度都很大，經(jīng)過引下線時電感產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓降可能對引下線附近的金屬物或電氣設(shè)備產(chǎn)生反擊，因此，需要設(shè)定安全間距。

GB50057-2010 規(guī)范第 4.3.8 條規(guī)定，若建筑是金屬框架，或鋼筋彼此連接，電氣形成貫通的鋼筋混凝土框架，引下線附近金屬物及線路間距不作要求。其他情況下，金屬物或線路與引下線的距離S計算如下：

S≥0.06kl

式中：S——空氣中的間隔距離；

k——雷電流分流系數(shù)，計算值詳見圖1；

圖1 雷擊第二類防雷建筑物

l——引下線計算點到連接點的長度（m），連接點為金屬物或電氣設(shè)備與防雷裝置直接相連之點。

c、c為雷擊處至臨近引下線之間的距離；式中，c取c、c最小值。h～h為防雷引下線內(nèi)各環(huán)形導(dǎo)體之間的距離。由圖2可知，防雷引下線根數(shù)n越大，分流系數(shù)越小，通過上式計算得到的反擊距離越小。

圖2 分流系數(shù)kc的取值

上式計算結(jié)果是空氣間隔距離，金屬物或者線路與引下線之間有混凝土墻，或被磚墻隔開時，其間隔距離取S的2倍。

2 感應(yīng)雷

感應(yīng)雷是二次破壞現(xiàn)象，分動態(tài)感應(yīng)和靜態(tài)感應(yīng)。在放電過程中，電流空間發(fā)生變化并伴隨強(qiáng)大的交變磁場，使附近的金屬物和電氣設(shè)備產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。GB50057-2010 第4.3.7條對感應(yīng)電壓采取一系列防護(hù)措施，以保證人身安全。

防感應(yīng)雷主要措施是建筑物內(nèi)的金屬接地。GB50057-2010規(guī)定平行敷設(shè)的長金屬物，凈距小于100mm時，采用金屬線跨接，且每隔30m連接一次。是防止感應(yīng)過電壓產(chǎn)生的電位差擊穿空氣，損壞電氣設(shè)備。

假設(shè)兩根間距為300mm的長金屬平行管道，與防雷引下線平行敷設(shè)，與引下線間隔3m且處于同一個水平面。管道內(nèi)感應(yīng)電壓U：

感應(yīng)電壓擊穿空氣間距d：

電感電壓的空氣擊穿強(qiáng)度E：

由 GB50057-2010 表 F.0.1-1～F.0.1-3，若T=10μs時，上式計算得E=660V，當(dāng) T=0.25μs，E=3000V，按照最不利情況考慮，E取3000V。

代入上式計算可知：d=U/E=0.0191×30×1503000=0.029m。

長金屬管道的間距減少為100mm時，30m進(jìn)行金屬線跨接，擊穿空氣的間距d會更小，可以保障金屬物和電氣設(shè)備的安全。

3 雷電侵入

由上述分析知，直擊雷或感應(yīng)雷使架空電纜線或金屬管道產(chǎn)生電流，它通過管線傳入建筑物內(nèi)，損壞電氣設(shè)備和人身安全。這種雷電過電壓為電涌過電壓，它是建筑內(nèi)用電設(shè)備故障及系統(tǒng)不能正常運行的主要原因。電涌保護(hù)器（SPD）含有非線性元件，可以泄放雷電流，并限制瞬態(tài)過電壓，廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)中室內(nèi)電氣裝置的雷電防護(hù)。

3.1 電涌保護(hù)器（SPD）有效電壓保護(hù)水平

SPD可將電涌電流引入大地使殘留電壓在被保護(hù)電氣設(shè)備安全耐壓范圍內(nèi)，電涌過電壓衰減后，SPD恢復(fù)到初始狀態(tài)，而且不影響被保護(hù)電氣設(shè)備的正常工作，SPD本身不損壞。按照使用環(huán)境SPD劃分為戶內(nèi)型和戶外型；按照用途SPD分為電源系統(tǒng)、信號系統(tǒng)和天饋系統(tǒng)。電涌保護(hù)器SPD的有效電壓保護(hù)水平和沖擊電流值必須限制在規(guī)定范圍內(nèi)。本文分析電源系統(tǒng)型SPD，它分為限壓型和電壓開關(guān)型。

式中：U——SPD電壓保護(hù)水平，表示限制接線兩端電壓的參數(shù)；

一般情況下，應(yīng)選擇較小有效電壓保護(hù)水平的SPD，電涌過電壓經(jīng)SPD后，殘留電壓可以在電氣設(shè)備絕緣耐沖電壓額定值要求的安全范圍內(nèi)。

3.2 電涌保護(hù)器（SPD）沖擊電流值

建筑防雷設(shè)計中，總進(jìn)線配電箱處SPD沖擊電流I直接采用《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）第4.2.8條第8款中的12.5kA，而不通過計算以得到SPD沖擊電流值。規(guī)范中提出，只有無法確定I時，進(jìn)線處I才可選用12.5kA。下面對SPD的沖擊電流值進(jìn)行定量分析。

電源總配電箱裝設(shè)SPD，每一保護(hù)模式的I如圖3所示。

圖3 配電系統(tǒng)雷電流分流示意圖

圖中：n——引入建筑物的外來金屬管道和線路總數(shù)；

m——單根導(dǎo)體芯線的總根數(shù)；

低壓供電系統(tǒng)接地方式主要有TN、TT、IT三種型式。TN-C-S系統(tǒng)時，m=4；TN-S系統(tǒng)時，m=5；TT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)，m均取4；

I——雷電流（kA），第一、二、三類防雷建筑分別取值為 200kA、150kA、100kA。根據(jù)圖3分流模型，電源線路無屏蔽層，R=∞，每一模式?jīng)_擊電流I：

電源線路存在屏蔽層，每一模式?jīng)_擊電流I：

推導(dǎo)出的結(jié)果與GB50057-2010式（4.2.4-6）及（4.2.4-7）一致。

通過對SPD有效電壓保護(hù)水平和沖擊電流值的分析，可以合理進(jìn)行SPD選型，避免選型過大造成浪費。但是建議電源進(jìn)線處的直接或部分雷電流，采用I級實驗SPD。

4 結(jié)語

本文依據(jù)GB50057-2010等規(guī)范，對建筑物采取的防雷電過電壓技術(shù)措施進(jìn)行定量分析，得到不同類型雷電過電壓防范措施并不相同，實際中，它們有可能同時發(fā)生，因此在實際工程設(shè)計中需要綜合考慮，以保障人類的生命安全。由于現(xiàn)場實際情況太過復(fù)雜，本文的分析和結(jié)論僅做討論之用。