冷丁丁 蔡劍碧 李昆飆

（1.廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院 2.廣東省湛江市氣象局）

1 引言

電氣設(shè)備的過電壓產(chǎn)生途徑主要有兩種：導(dǎo)線傳遞過電壓和空間電磁感應(yīng)過電壓。多數(shù)設(shè)備一般都具有一定的電磁兼容和電磁屏蔽設(shè)施，且使用環(huán)境有一定的電磁衰減作用，因此其過電壓危害主要表現(xiàn)為導(dǎo)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(jù)統(tǒng)計(jì)，低壓電源系統(tǒng)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(tǒng)中，避雷器的保護(hù)方案和相關(guān)參數(shù)的選定非常重要。本文僅就避雷器眾多指標(biāo)中的一個重要指標(biāo)—通流容量作探討，為防雷從業(yè)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(fù)施加規(guī)定波形脈沖電流的額定最大值。在低壓電源系統(tǒng)中一般采用A、B、C、D多級避雷器對導(dǎo)線過電壓進(jìn)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(shù)要求最為嚴(yán)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)及存在的問題

4 通流容量確定方法

導(dǎo)線上的過電壓從能量及危害性方面主要考慮首次雷擊時(shí)雷電沖擊波從導(dǎo)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(yīng)取兩者中之較大者，并應(yīng)留有足夠裕量。此參數(shù)在工程的設(shè)計(jì)方案中不能僅憑規(guī)范提供的公式套取，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行嚴(yán)密計(jì)算后確定?，F(xiàn)以具有代表性的一個工程實(shí)例為例作詳細(xì)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(jīng)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(chǔ)接地電阻2Ω，建筑物內(nèi)部有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、小型程控交換通信系統(tǒng)等，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單獨(dú)接地，獨(dú)立接地電阻為10Ω，其它系統(tǒng)均與建筑基礎(chǔ)共地，各系統(tǒng)導(dǎo)線阻抗如圖1所示。

圖1 雷擊建筑物時(shí)接地系統(tǒng)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(tǒng)電感)≈2μH，RES(建筑物接地系統(tǒng)電阻)≈2Ω，RJC(計(jì)算機(jī)網(wǎng)線電阻)≈9Ω，LJC(計(jì)算機(jī)網(wǎng)線電感)≈40μH，REJ(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接地電阻)=10Ω，RKC(監(jiān)控系統(tǒng)導(dǎo)線電阻)≈50mΩ，LKC(監(jiān)控系統(tǒng)導(dǎo)線電感)≈30μH，REK(監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)端接地電阻)≈2Ω，RXC(消防系統(tǒng)導(dǎo)線電阻)≈50Mω，LXC(消防系統(tǒng)導(dǎo)線電感)≈30μH，REX(消防系統(tǒng)遠(yuǎn)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(tǒng)遠(yuǎn)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(dǎo)線前端來波幅值

該電纜經(jīng)電纜溝埋地敷設(shè)，雷電直擊的可能性約為零，僅需考慮感應(yīng)沖擊波（若電源線為架空導(dǎo)線，且部分經(jīng)過LPZ0A區(qū)，則應(yīng)考慮雷電直擊沖擊波）。一般情況下，變壓器高、低壓側(cè)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(yán)重性考慮，Ⅰ級防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)雷電流200kA（10/350μs）擊中高壓線，高壓避雷器動作，100kA電流流經(jīng)高壓側(cè)避雷器（另一半雷電流沿線流向系統(tǒng)前端，此處無需分析），此時(shí)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(cè)避雷器亦會導(dǎo)通，因此雷電流將在接地體和低壓電纜中分流，如圖2所示。

為了解高中英語閱讀教學(xué)及學(xué)生閱讀能力的現(xiàn)狀，本課題組針對江蘇地區(qū)設(shè)計(jì)了《英語閱讀現(xiàn)狀調(diào)查問卷》，在線上、線下對284名在讀高中生進(jìn)行了調(diào)查，取得了真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，并對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了分析。

圖2 雷擊電源線時(shí)接地系統(tǒng)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(shè)低壓側(cè)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(shí)宜根據(jù)彼得遜法則，計(jì)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(dǎo)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(tǒng)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(shè)雷擊該建筑，標(biāo)準(zhǔn)雷電流150kA（10/350μs）流經(jīng)建筑物直擊雷防護(hù)系統(tǒng)。一部分雷電流經(jīng)建筑物基礎(chǔ)泄放入地，使地電位升高；另一部分進(jìn)入與建筑物基礎(chǔ)地相連的各導(dǎo)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(hù)電氣設(shè)備，此時(shí)避雷器中電流應(yīng)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(jì)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(shí)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(xué)者認(rèn)為該用行波理論進(jìn)行分析，此時(shí)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(tǒng)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(dǎo)，G為電路總電導(dǎo)。

圖4 建筑物接地系統(tǒng)等效波阻抗

此種方法計(jì)算出的IN偏小，不符合規(guī)范的數(shù)值，亦與筆者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不符。原因分析為：建筑物基礎(chǔ)地電位升高時(shí)，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(tǒng)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(jì)算方法。

最后比較上述兩種情況下的參數(shù)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(shí)注意需經(jīng)過波形換算I（8/20μs）≈4I（10/350μs），并留足夠裕量。

實(shí)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(dǎo)線上的雷電流更小。作者通過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證金屬管道的分流系數(shù)并不大，可將建筑物接地電阻乘以一個適當(dāng)?shù)南禂?shù)來等效處理。

在工程設(shè)計(jì)中，確定避雷器通流容量后，影響避雷器防護(hù)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(guī)范設(shè)定值的雷電流，產(chǎn)品性價(jià)比等。因此，在工程實(shí)踐中應(yīng)全面考慮各種因素的影響，并對工程做系統(tǒng)的雷電風(fēng)險(xiǎn)評估。

5 結(jié)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(guī)定。但通常建筑物的接地系統(tǒng)較復(fù)雜，B級低壓電源避雷器實(shí)際通過的電流會有所減小。本文給出了一般情況下較復(fù)雜接地系統(tǒng)中避雷器通流容量的確定方法。作者通過多次試驗(yàn)，結(jié)果與該方法計(jì)算數(shù)值接近。工程設(shè)計(jì)工作中可按該方法確定避雷器通流容量，亦可按相關(guān)規(guī)范的計(jì)算方法確定該參數(shù)（偏大），以確保安全。而在雷害事故調(diào)查工作中，則宜據(jù)此精確計(jì)算避雷器實(shí)際通過的雷電流，以確定相關(guān)參數(shù)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(tǒng)的雷電流約占總雷電流的50%。而在配電系統(tǒng)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(tǒng)及電纜的直流電阻進(jìn)行計(jì)算，在工程上已有足夠的精確度。（國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T19271.3-2005對此也有相同規(guī)定）

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

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

[3] 國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18802.331-2007.“低壓電涌保護(hù)器件 第331部分：金屬氧化物壓敏電阻（MOV）規(guī)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(biāo)準(zhǔn)和我國建筑防雷標(biāo)準(zhǔn)中的幾個急需糾正的錯誤和問題[J].CHINA防雷，2003（5）.