2.4 雷電導致的暫態電位升高

2.4.1 暫態電位升高的原理

當雷電流流過防雷裝置中各分支導體和接地體時，將會在分支導體的電感、電阻和接地電阻上產生壓降，使防雷裝置中各部位的對地電位都有不同程度的升高。由于雷電流持續時間很短，這種電位升高現象所持續的時間很短，所以稱為暫態電位升高。如圖2-6所示，在該系統中任意一點A處的暫態電位UA為

式中　UA——A點的暫態電位，V；

Rg——沖擊接地電阻，Ω；

h——A點到地面的高度，m；

L0——單位長度的引下線的寄生電感，μH/m，一般L0=1.2～1.5μH/m；

i——雷電流，kA。

由式（2-19）可知，被擊物體上出現的暫態電位幅值由兩個分量組成，即由雷電流幅值與接地電阻所決定的壓降和由雷電流波頭陡度與通流路徑電感所決定的壓降。其中，前者稱為暫態地電位，由于此電位的出現而產生的電位升高稱為地電位抬高，它是雷電安全防護設計中一個很重要的指標；后者稱為暫態電位抬高。地電位抬高不僅會危害到電子設備、電氣設備，同時也會對周圍的人員造成危害。而暫態電位抬高則可能使周圍的導體帶上高電位，損壞電子設備和電機繞組。另外，暫態電位抬高又會與周圍的金屬體之間形成電位差，當這一電位差超過兩者之間空氣間隙的絕緣耐受強度時，間隙就會被擊穿，使金屬體也帶上高電位，而這一已帶上高電位的金屬體又有可能對附近其他金屬體發生間隙擊穿。

2.4.2 暫態電位升高的危害

雷電反擊是指受直擊雷的金屬體在接閃瞬間與大地間存在很高的電壓，這種電壓對與大地連接的其他金屬物發生閃擊的現象稱為雷電反擊。

發生雷擊時接閃器是受雷環節，通過引下線將雷電流引入接地裝置泄散到大地。在這個過程中，沿著接閃的引下線產生了雷電流，在建筑物防雷裝置的接地母線上產生暫態電位升高現象。如果電源線、信號線、鐵管等未做等電位連接、屏蔽和安裝避雷器等措施，與接地母線之間的距離不能達到施工要求時，就會導致接地母線與它們之間發生反擊，對電氣設備造成危害。而雷電流經接地體散入大地時，也會在周圍土壤中產生電壓降，使地面上不同的地點之間出現電位差，如果人站在這塊電壓不均勻的地面上，人的兩腳之間就會產生跨步電壓。另外當人接觸與防雷裝置相連的金屬物體時，也會造成觸電。

如圖2-6所示，出于抗電磁干擾的考慮，將某些重要的電子設備安置在金屬網屏蔽的空間，內金屬屏蔽網與建筑物接地系統可靠連接，在發生直接雷擊時，雷電流流過屏蔽室接地連線的寄生電感和接地電阻后，將產生很高的暫態電位，使屏蔽室的暫態電位抬高，而來自遠處的信號線此時尚處于零電位，則在小孔處屏蔽體與信號線之間將出現很高的電位差，這一高電位差很容易將兩者間氣隙擊穿，使信號線也帶上高電位。該高電位將會直接損壞室內的電子設備，也將沿信號線傳輸到遠處線路終端，侵害終端處的電子設備。除此之外，暫態電位的抬高還會在臨近未受雷擊的建筑物內引起反擊。如圖2-7所示，三座相鄰的建筑物均分別與同一供水管道有接地連接。當其中一座建筑物，如建筑物2遇到雷擊時，雷電流將通過建筑物2的防雷系統引下線和接地連線與供水管道等進入各建筑物的接地體，使各建筑物的暫態地電位都抬高，于是在沒有采取暫態過電壓保護措施的建筑物3中帶高電位的地線將會對其附近的電源線和通信線發生反擊，使得與這些線路相連接的電氣或電子設備受到暫態高電位的損壞。

在設計、施工雷電防御裝置時，不可能在多處敷設接地裝置，一般都采用共用接地體，引下線和各種管道、電源、線路之間進行電氣連接，連接方式多用搭接、連接母板和母線環等方式做等電位連接，以避免產生雷電反擊。