雷電防護及設計中的應用

國建偉/中國石油工程建設公司新疆設計分公司儀電室

雷電防護及設計中的應用

國建偉/中國石油工程建設公司新疆設計分公司儀電室

通過雷擊的機理、效應及危害，在設計中有針對性的進行防護。對供配電系統中采取的各防雷保護進行分析，針對電子設備保護與防雷方法提出建議。

先驅放電；擊距；余光階段 瞬態電涌效應；跨步電壓；泄流；限幅；均壓；浮點電位牽制

一、雷擊機理

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

大氣雷云對地面的放電通常是階躍式的，先出現“先驅放電”，其放電脈沖以約30～40us的間隔階躍式地向地面發展；當到達地面的距離為“擊距”時，與地面物體向上產生的“迎面先導”會合，開始“主放電”過程約為數十或數百微秒，雷電的幅值可達數十或數百千安。緊接著的“余光階段”電流約數百安但持續時間卻約達數十至數百毫秒。

二、雷擊效應及危害

根據雷擊效應區分往往可分為感應雷與直擊雷。

感應雷產生往往伴隨著靜電感應與電磁感應，由此在輸電線路上會產出過電壓，甚至有可能高達數百千伏，會導致線路絕緣閃絡及所連接的電氣設備絕緣遭到損壞；在危險環境未作等電位聯結的金屬管線還可能產生火花放電而導致火災或爆炸危險。

當雷電直接擊中地面物體擊防雷裝置時，會產生瞬態電涌效應、熱效應及機械效應。強大的雷電流流經防雷接地裝置，會在引下線及接地體上產生瞬態過電壓，在接地點附近地面形成高電位梯度，造成在接地點附近人員因受過高“跨步電壓”而造成傷害。當雷電直擊架空電氣線路或天線桿等物體時，強大的雷電波還會直接沿架空線路侵入建筑物內，會因高電位及閃絡放電引發人員傷亡及建筑物電氣設備的損壞。

三、雷電的防護

根據建筑物的重要性、內容、雷擊后果的嚴重性以及遭受雷擊概率大小等因素綜合考慮，我國防雷標準將建筑物劃分為三類不同的防雷類別，以便規定不同的雷電防護要求和措施。雖然三類防雷建筑物有不同的雷電防護要求和措施，但防護的內容仍然是針對直擊雷、雷電感應及電波侵入三方面。

1.避雷針。對于建筑物的直擊雷防護，通常做法仍然是裝設獨立的避雷針、架空避雷線或架設避雷網。其構成均分為接閃器、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設備之間空中距離不小于5m，地中距離不小于3m。獨立避雷針的保護范圍對地面為1.5h（針高），對超過針高一半的空間其保護范圍只能在45°角內校核。

2.避雷器。為了防護感應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35kV以下系統危害較大，變電所著重對35kV和10kV線路入侵波進行防護。對35kV架空進線，一般是采用進線段1～2km的架空避雷線配其兩端的管型避雷器進行防護。對10kV線路，則每條進線均采用一組閥型或氧化鋅避雷器進行防護。

3.建筑物內的防雷措施。建筑物根據防雷等級劃分，防直擊雷設置相應的避雷針、避雷帶；防雷電波逐級設置相應的避雷器或電壓保護器。對于防雷電波入侵，低壓線路宜全線采用電流直接埋地敷設，在入戶端應將電纜的金屬外皮和鋼管接到雷電感應的接地裝置上。

4.建筑物的接地網。建筑物考慮直擊雷泄流通路，其接地網處理一般是與建筑物的主接地網相連。接地系統中雖然分防雷接地、靜電接地、保護接地、工作接地等，但是在設計中采用的一般為聯合地網。這種聯合地網經濟有效，并且可以解決各地網在內外過電壓時產生的電位差，造成對耐受水平低的電子設備的反擊，聯合接地網接地電阻采用所有接地電阻最小值。

5.建筑物防雷存在問題。目前建筑物內電子設備之間的往往聯系復雜，接地網各點電位差異易造成設備工作出錯和損壞。其中影響最大的是高頻電纜、長距離導引電纜、控制電纜，以及就地布置電子設備與主控制室之間的網絡線等。

四、電子設備加強防雷措施

為了適應智能化建筑的發展要求，對應電子設備必須在原定防雷措施基礎上，更進一步進行防范。采取措施的原則是分區防護、三級過壓保護、多重屏蔽、均衡電位、浮點電位牽制。對防雷化分為三個區進行分級防護，根據設備的敏感性和重要性進行加強屏蔽可以起到事半功倍的效果。

1.第一級防護區為高壓設備部分和高壓線路的進線段保護范圍。主要措施為獨立避雷針、構架避雷針、架空避雷線、高壓避雷器、設備引下線、主接地網和微波塔及其接地。其主要任務為引雷、泄流、限幅、均壓，完成基本的防雷功能。

2.第二級防護區包括進出建筑物管線、二次電纜。其主要任務是防感應雷過電壓和侵入波過電壓的傳遞，以及危險電位內引外送。

（1）進出建筑物管線處理。進出建筑物管線包括水管、煤氣管、熱力管、電源線、縱聯保護導引線、信息傳輸線等。進所金屬管類均應直埋進所，并與地網分幾處連接。對同軸電纜天饋線應加裝相應高頻避雷器，避雷器的地線就近與機房的接地匯接排相連。

（2）二次電纜。直接與電子設備屏柜和裝置相連的控制信號電纜、電流、電壓回路電纜都應該采用屏蔽電纜，且屏蔽層金屬保護層及備用芯均應兩端接地。

3.第三級防護主要任務是多重屏蔽、電源過壓嵌位、信號限幅濾波、地電位均壓、浮點電位牽制。

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

設備屏柜、裝置本體訂貨時必須注明電磁兼容防護等級，使用環境。

（2）地電位均壓。室內采用聯合地網，設環形地母線、接地匯集線，地母線與地網采用多條引下線對稱引下連接。

（3）浮點電位牽制。建筑物內金屬門窗、玻璃幕墻、吊頂龍骨、燈具等均可能隨雷電二次效應危害電子設備，應予就近多點接地以防不測。

五、結束語

雷擊的危害主要為直擊雷、雷電感應和電波侵入，在通常設計中往往比較重視對于直擊雷的防護，而忽視了對應雷電感應和電波侵入危害的防范。必須重視雷電對電子設備的危害，其主要表現在感應過電壓，侵入波過電壓、地電位反擊，雷電二次效應等。

對電子設備的防雷應分區分級防護，引雷、分流、散流、屏蔽、均壓、隔離、限幅、嵌位、濾波相結合，充分利用當代先進技術將雷害事故和干擾減少到最低程度。

【1】《工業與民用配電設計手冊》第三版

【2】《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010