低壓電源避雷器通流容量的分析

冷丁丁 蔡劍碧 李昆飆

（1.廣東海洋大學信息學院 2.廣東省湛江市氣象局）

1 引言

電氣設備的過電壓產生途徑主要有兩種：導線傳遞過電壓和空間電磁感應過電壓。多數設備一般都具有一定的電磁兼容和電磁屏蔽設施，且使用環境有一定的電磁衰減作用，因此其過電壓危害主要表現為導線傳遞過電壓。抑制過電壓措施主要采用過電壓(浪涌)抑制器。主要抑制雷電過電壓的器件通常稱作避雷器。據統計，低壓電源系統因雷電引起的過電壓事故約占所有雷電事故的60%以上。因此，低壓電源系統中，避雷器的保護方案和相關參數的選定非常重要。本文僅就避雷器眾多指標中的一個重要指標—通流容量作探討，為防雷從業人員提供參考。

2 基本概念

對于避雷器的通流容量，針對不同的器件，名稱有所不同，一般是指不致引起避雷器失效，可重復施加規定波形脈沖電流的額定最大值。在低壓電源系統中一般采用A、B、C、D多級避雷器對導線過電壓進行抑制，不同級別的避雷器，對其通流容量要求不同。其中B級避雷處于電源入戶端的第一級，參數要求最為嚴苛，其后各級避雷器通流容量依次遞減。本文主要論述B級避雷器通流容量的選定方法。

3 相關標準及存在的問題

4 通流容量確定方法

導線上的過電壓從能量及危害性方面主要考慮首次雷擊時雷電沖擊波從導線前端向后傳遞和雷擊建筑物后地電位升高引起的反擊兩種情況。B級避雷器通流容量應取兩者中之較大者，并應留有足夠裕量。此參數在工程的設計方案中不能僅憑規范提供的公式套取，而應根據實際情況進行嚴密計算后確定。現以具有代表性的一個工程實例為例作詳細分析。

某二類防雷智能建筑，低壓電源從變壓器由無屏蔽4芯電纜經電纜溝送入，電纜長500米，變壓器接地電阻4Ω，共向4個近似相同用戶供電；建筑物基礎接地電阻2Ω，建筑物內部有計算機網絡系統、監控系統、消防系統、小型程控交換通信系統等，計算機系統單獨接地，獨立接地電阻為10Ω，其它系統均與建筑基礎共地，各系統導線阻抗如圖1所示。

圖1 雷擊建筑物時接地系統等效電路

圖1中RCT(2-4)(其他用戶電源電纜總等效電阻)≈40mΩ，LCT(2-4)(其他用戶電源電纜總等效電感)≈30μH，Rearth/(2-4)(其他用戶總等效接地電阻)≈0.8Ω，RT(1-3)(變壓器低壓繞組電阻)≈5mΩ，LT(1-3)(變壓器低壓繞組電感)≈50μH，RET(變壓器接地電阻)≈4Ω，LCT1(該用戶電源電纜電感)≈90μH，RCT1(該用戶電源電纜電阻)≈0.12Ω，LES(建筑物接地系統電感)≈2μH，RES(建筑物接地系統電阻)≈2Ω，RJC(計算機網線電阻)≈9Ω，LJC(計算機網線電感)≈40μH，REJ(計算機系統接地電阻)=10Ω，RKC(監控系統導線電阻)≈50mΩ，LKC(監控系統導線電感)≈30μH，REK(監控系統遠端接地電阻)≈2Ω，RXC(消防系統導線電阻)≈50Mω，LXC(消防系統導線電感)≈30μH，REX(消防系統遠端接地電阻)≈2Ω，RCC(通信電纜電阻)≈0.25 Ω，LCC(通信電纜電感)≈80μH，REC(通信系統遠端接地電阻)≈2Ω，I(雷電流)=150kA，Imains(該用戶電源電纜電流)。

確定B級避雷器通流容量（ISPD）需從兩方面分析：

(1) 確定導線前端來波幅值

該電纜經電纜溝埋地敷設，雷電直擊的可能性約為零，僅需考慮感應沖擊波（若電源線為架空導線，且部分經過LPZ0A區，則應考慮雷電直擊沖擊波）。一般情況下，變壓器高、低壓側均裝有避雷器，均有可能在雷電過電壓下動作，電流入地后分流。也有可能來波幅值小（如操作過電壓波），避雷器不動作（電流值不大，此處無需考慮）。從后果嚴重性考慮，Ⅰ級防護標準雷電流200kA（10/350μs）擊中高壓線，高壓避雷器動作，100kA電流流經高壓側避雷器（另一半雷電流沿線流向系統前端，此處無需分析），此時接地體呈高電位，壓降主要分布于變壓器低壓繞組，變壓器低壓側避雷器亦會導通，因此雷電流將在接地體和低壓電纜中分流，如圖2所示。

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圖2 雷擊電源線時接地系統等效電路

圖 2中 RCT1～RCT4為四用戶電纜直流電阻，LCT1～LCT4為電纜電感，LES為變壓器低壓母線電感，RET為變壓器接地電阻，RES1～RES4為各建筑接地電阻。

因雷電流為沖擊波，假設低壓側有 4組電源（TN-C方式），線路均較長，可不考慮波的反射因素，如圖3所示。此時宜根據彼得遜法則，計算出該電纜上的電流IZ1：

（2I－4IZ1）×RET=IZ1×(Z1+RES1)

IZ1≈28.6kA

低壓電纜為4芯無屏蔽電纜，雷電流在芯線中均分，因此該電纜中性線上的電流IN：

IN=28.6/4=7.15kA

因每條導線均通過雷電流，因此流過B級避雷器的電流ISPD≈IN。

圖3 低壓電源系統等效波阻抗

圖3中Z1～Z4為電纜波阻，一般為10Ω～40Ω，此處均取10Ω；RES1～RES4為各建筑接地電阻，此處均取 2Ω；RET為變壓器接地電阻≤4Ω，取 4Ω，I=100kA。

(2) 確定雷電反擊電流幅值

假設雷擊該建筑，標準雷電流150kA（10/350μs）流經建筑物直擊雷防護系統。一部分雷電流經建筑物基礎泄放入地，使地電位升高；另一部分進入與建筑物基礎地相連的各導體。若地電位過高，避雷器將動作，限制相線與中性線間電壓幅值以保護電氣設備，此時避雷器中電流應小于其通流容量。雷電流分配等效電路見圖1，圖1中電感的影響可忽略注②。可計算出中性線電流Imains：

Imains×[RCT1+（RCT(2-4)+ Rearth/(2-4)）∥（RT(1-3)+ RET）]=（I- Imains）×[ RES∥（RJC+ REJ）∥（RKC+ REK）∥（RXC+ REX）∥（RCC+ REC）]Imains≈0.45I≈67.5kA

此時B級避雷器動作，每個避雷器通過的電流為ISPD= Imains/4≈16.9kA。

亦有學者認為該用行波理論進行分析，此時用圖4等效電路模型（圖4中Z為各種線纜的波阻抗，約為5Ω～100Ω，R為各系統接地電阻，限于篇幅，不一一列出）。因此可得中性線電流為：

IZ1=2I×（G1/G）≈0.26I

IN=IZ1/4=6.5kA

其中G1為Z1所在支路電導，G為電路總電導。

圖4 建筑物接地系統等效波阻抗

此種方法計算出的IN偏小，不符合規范的數值，亦與筆者實驗數據不符。原因分析為：建筑物基礎地電位升高時，并非所有的避雷器都動作（尤其是信號避雷器），即使有部分雷電流沿信號系統纜線分流，電流主要分布于纜線屏蔽層，不能簡單用線纜的波阻來等效線纜的阻抗。因此筆者不贊同用此種計算方法。

最后比較上述兩種情況下的參數值，取其中較大值作為該建筑B級電源避雷器的通流容量。選擇避雷器時注意需經過波形換算I（8/20μs）≈4I（10/350μs），并留足夠裕量。

實際工程中，建筑物通常還有水管等金屬管道與之相連，這在一定程度上會對雷電流起分流作用，從而使導線上的雷電流更小。作者通過多次實驗驗證金屬管道的分流系數并不大，可將建筑物接地電阻乘以一個適當的系數來等效處理。

在工程設計中，確定避雷器通流容量后，影響避雷器防護效果的因素還有：避雷器級間距離和能量配合，避雷器的安裝位置、工藝，超過規范設定值的雷電流，產品性價比等。因此，在工程實踐中應全面考慮各種因素的影響，并對工程做系統的雷電風險評估。

5 結束語

IEC61312-1：1995-02和GB/T19271.3-2005均對簡單情況下電源避雷器通流容量作了明確規定。但通常建筑物的接地系統較復雜，B級低壓電源避雷器實際通過的電流會有所減小。本文給出了一般情況下較復雜接地系統中避雷器通流容量的確定方法。作者通過多次試驗，結果與該方法計算數值接近。工程設計工作中可按該方法確定避雷器通流容量，亦可按相關規范的計算方法確定該參數（偏大），以確保安全。而在雷害事故調查工作中，則宜據此精確計算避雷器實際通過的雷電流，以確定相關參數和后果。

注①：GB/T19271.3-2005附錄B.1.4：……在只有一幢建筑物的情況下，流入低壓系統的雷電流約占總雷電流的50%。而在配電系統有兩個或多個的情況下，此值可升至70%或更高。

注②：用接地系統及電纜的直流電阻進行計算，在工程上已有足夠的精確度。（國家標準 GB/T19271.3-2005對此也有相同規定）

[1] 國際電工委員會標準 IEC61312-1：1995-02“雷電電磁脈沖防護 第一部分 通則”

[2] 國家標準 GB/T19271.3-2005.“雷電電磁脈沖的防護 第 3部分：對浪涌保護器的要求”

[3] 國家標準GB/T18802.331-2007.“低壓電涌保護器件 第331部分：金屬氧化物壓敏電阻（MOV）規范”

[4] ASSE,WIESINGER,ZAHLMANN,ZISCHANK：1994，Principie for an advanced coordination of surge protective devices in low voltage systems,22nd international Conference on Lightning Protection,Budapest.

[5] 劉繼,張緯鈸等.IEC建筑防雷標準和我國建筑防雷標準中的幾個急需糾正的錯誤和問題[J].CHINA防雷，2003（5）.