2.5 雷電電涌過(guò)電壓的危害

2.5.1 電涌過(guò)電壓的產(chǎn)生與危害

1．電涌過(guò)電壓的產(chǎn)生

電涌過(guò)電壓是指超出正常工作電壓的瞬間過(guò)電壓，通常還被稱(chēng)為瞬變脈沖電壓、瞬態(tài)過(guò)電、突波或電涌等，是電路中出現(xiàn)的一種短暫的電流、電壓波動(dòng)，在電路中通常持續(xù)約1/106s的劇烈脈沖。電涌過(guò)電壓的來(lái)源有兩類(lèi)：外部電涌和內(nèi)部電涌。外部電涌過(guò)電壓最主要來(lái)源于雷電，少量是電網(wǎng)中開(kāi)關(guān)操作等在電力線路上產(chǎn)生的過(guò)電壓。內(nèi)部電涌過(guò)電壓則與供電系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備啟停和供電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的故障有關(guān)。

雷電產(chǎn)生的電涌過(guò)電壓危害最大，在雷擊放電時(shí)，以雷擊為中心1.5～2km范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的過(guò)電壓。雷擊引起（外部）電涌過(guò)電壓的特點(diǎn)是單相脈沖型，能量巨大。外部電涌的電壓在幾微秒內(nèi)可從幾百伏快速升高至2萬(wàn)V，可以傳輸相當(dāng)長(zhǎng)的距離。由雷電引起的過(guò)電壓具有電流大、電壓高、危害大的特點(diǎn)，是低壓交流電源系統(tǒng)中過(guò)電壓防護(hù)的主要對(duì)象。

2．電涌過(guò)電壓的危害

在高壓輸電系統(tǒng)中，接入系統(tǒng)的各種高壓電力設(shè)備的耐壓水平都很相近，接線方式相對(duì)簡(jiǎn)單，避雷器只需保護(hù)其安裝處的電力設(shè)備即可，幾乎不采用多級(jí)避雷器配合保護(hù)。但是，對(duì)于低壓交流電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，過(guò)電壓防護(hù)是比較復(fù)雜的。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，使得電子產(chǎn)品做工更加精細(xì)，性能方面也得到很大的提高。雖然電子產(chǎn)品在使用方面有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于電子產(chǎn)品體積小、工作電壓低、功率損耗低，對(duì)電源線路和信號(hào)電路中入侵的電涌過(guò)電壓非常敏感，耐受過(guò)電壓的能力也非常有限，因此對(duì)低壓交流電源系統(tǒng)的雷電過(guò)電壓防護(hù)方面的研究是非常有必要的。由于電子設(shè)備使用的交流電源通常是由供電線路從戶(hù)外交流電網(wǎng)引入的，當(dāng)雷擊于電網(wǎng)附近或直擊于輸電線路上時(shí)，在線路上會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓波，這種過(guò)電壓波沿線路傳播進(jìn)入戶(hù)內(nèi)，通過(guò)交流電源系統(tǒng)侵入電子設(shè)備，造成電子設(shè)備的損壞。

在低壓交流電源系統(tǒng)中，雷擊引起的電涌過(guò)電壓主要有以下形式：

（1）直接雷擊電涌過(guò)電壓。是雷電直擊低壓交流電源線路引起的過(guò)電壓，以及雷擊低壓線路附近的建筑物造成建筑物對(duì)低壓線路閃絡(luò)引起的過(guò)電壓。雷電直擊低壓電源線路時(shí)，雷電是以波的形式沿導(dǎo)線傳播而引入室內(nèi)的。雷擊點(diǎn)處的電位相當(dāng)高，可達(dá)數(shù)百萬(wàn)伏至數(shù)千萬(wàn)伏甚至更高。

（2）感應(yīng)雷擊電涌過(guò)電壓。雷擊閃電產(chǎn)生的高速變化的電磁場(chǎng)，閃電輻射的電場(chǎng)作用于導(dǎo)體，感應(yīng)很高的過(guò)電壓，這類(lèi)過(guò)電壓具有很陡的前沿并快速衰減。

（3）反擊電涌過(guò)電壓。是雷擊避雷針等接閃裝置或接地系統(tǒng)，造成地電位升高形成高電位而產(chǎn)生的反擊過(guò)電壓。該電位產(chǎn)生的過(guò)電流通過(guò)配電系統(tǒng)的零線、保護(hù)地線或弱電系統(tǒng)的地線，也是以波的形式傳入室內(nèi)設(shè)備的接地點(diǎn)或外殼，形成反擊過(guò)電壓毀壞低壓電源設(shè)備。

（4）侵入波電涌過(guò)電壓。此類(lèi)過(guò)電壓是由于架空線路遭受直接雷擊或感應(yīng)雷而產(chǎn)生的高電位雷電波，沿架空線路侵入變電所造成而危害。由于電網(wǎng)中的設(shè)備對(duì)過(guò)電壓有不同的抑制能力，因此侵入波過(guò)電壓能量隨線路的延長(zhǎng)而減弱。

電涌過(guò)電壓的危害主要分成兩種：災(zāi)難性危害和積累性危害。災(zāi)難性危害是指一個(gè)電涌電壓超過(guò)設(shè)備的承受能力，則這個(gè)設(shè)備完全被破壞或壽命大大降低。積累性危害是指多個(gè)小電涌累積效應(yīng)造成半導(dǎo)體器件性能的衰退、設(shè)備發(fā)故障和壽命的縮短，最后導(dǎo)致停產(chǎn)或是生產(chǎn)力的下降。

在配電系統(tǒng)中，電涌過(guò)電壓可能引起電壓波動(dòng)、機(jī)器設(shè)備自動(dòng)停止或啟動(dòng)、電氣設(shè)備由于故障、復(fù)位或電壓?jiǎn)栴}而縮短壽命；對(duì)于電子電氣設(shè)備，電涌過(guò)電壓可能對(duì)元器件造成破壞，也可能干擾電子電路運(yùn)行，造成數(shù)據(jù)出錯(cuò)等。

電涌過(guò)電壓對(duì)建筑物內(nèi)電子設(shè)備造成危害的例子數(shù)不勝數(shù)。1992年4月27日，南昌江西醫(yī)科大學(xué)160門(mén)程控電話因感應(yīng)雷被擊壞15門(mén)，而同一時(shí)刻江西財(cái)經(jīng)干部管理學(xué)院的200門(mén)程控電話全部毀于感應(yīng)雷。北京國(guó)際關(guān)系學(xué)院新裝電教中心全套電視錄像設(shè)備，后來(lái)加裝衛(wèi)星接收天線時(shí)，尚未及安裝避雷裝置就遇上雷雨，室外天線的饋線遭雷擊，導(dǎo)致室內(nèi)電視錄像設(shè)備毀壞。1993年的一次雷雨，北京酒仙橋有200多戶(hù)的電視機(jī)被毀，其中20臺(tái)報(bào)廢。

2.5.2 如何防備電涌過(guò)電壓

由于電子計(jì)算機(jī)的普及和高精密電子儀器設(shè)備的大量使用，對(duì)電子設(shè)備電源系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)顯得越來(lái)越重要。雷電電涌過(guò)電壓的產(chǎn)生與傳輸過(guò)程，不管是在高壓電網(wǎng)系統(tǒng)中還是在低壓交流電源系統(tǒng)中，其原理都是相同的，對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)備的損壞機(jī)理也基本相同。

低壓交流電源系統(tǒng)綜合防雷措施主要包括：①外部防雷措施，如接閃器、引下線、屏蔽和接地系統(tǒng)；②內(nèi)部防雷措施，如屏蔽隔離、等電位連接、合理布線和安裝電涌保護(hù)器。對(duì)于外部防雷，主要是針對(duì)雷擊建筑物時(shí)所采取的措施，一般都采用避雷針、避雷帶等傳統(tǒng)避雷裝置，這些避雷設(shè)施能有效地防止直擊雷的危害。但對(duì)于雷電感應(yīng)高電壓以及雷電電磁脈沖來(lái)說(shuō)，這些措施作用是很小的。因此，需要采取內(nèi)部防雷措施。

1．屏蔽措施

沿線路侵入的電涌過(guò)電壓波常常會(huì)損壞脆弱的電子設(shè)備，利用各種金屬屏蔽體來(lái)阻擋和衰減施加在電子設(shè)備上的電磁干擾或過(guò)電壓能量是一種有效的防護(hù)措施。電子設(shè)備常用的屏蔽體有設(shè)備的金屬外殼、屏蔽室的外部金屬網(wǎng)和電纜的金屬護(hù)套等，采用屏蔽措施對(duì)于保證電子設(shè)備的正常和安全運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分有必要的。

2．良好的接地系統(tǒng)

良好的接地系統(tǒng)是其他防護(hù)措施的基礎(chǔ)。電源系統(tǒng)的接地采用統(tǒng)一接地方式，即將電源地、信號(hào)地、屏蔽接地、電涌保護(hù)器接地等均應(yīng)連接到局部等電位接地板上。

3．等電位連接

當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，在雷電暫態(tài)電流所經(jīng)過(guò)的路徑上將會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)電位升高，使該路徑與周?chē)慕饘袤w之間形成暫態(tài)電位差，容易形成反擊。為了消除這種電位差，需要把建筑物本身以及建筑物內(nèi)各種導(dǎo)電體用導(dǎo)體在電氣上連接起來(lái)以保證等電位，這樣就可以在發(fā)生雷擊時(shí)避免在不同金屬外殼或構(gòu)架之間出現(xiàn)暫態(tài)電位差。

4．安裝電涌保護(hù)器

電涌保護(hù)器廣泛應(yīng)用于低壓交流電源系統(tǒng)中，用以限制電網(wǎng)中的雷電過(guò)電壓，使其不超過(guò)各種電氣設(shè)備所能承受的沖擊耐受電壓，保護(hù)設(shè)備免受由于雷電造成的危害。電涌保護(hù)器主要有電壓開(kāi)關(guān)型和限壓型兩類(lèi)。

（1）電壓開(kāi)關(guān)型。電路中沒(méi)有產(chǎn)生電涌過(guò)電壓時(shí)呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，在電涌暫態(tài)過(guò)電壓作用下突變?yōu)榈妥杩範(fàn)顟B(tài)，如放電間隙、氣體放電管等組件。

（2）限壓型。電路中沒(méi)有產(chǎn)生電涌過(guò)電壓時(shí)呈高阻抗?fàn)顟B(tài)，出現(xiàn)電涌過(guò)電壓時(shí)會(huì)隨著電涌增大，阻抗值逐漸變小，典型組件為壓敏電阻、齊納二極管與雪崩二極管等。

電子設(shè)備的損壞絕大部分是由沿電源線路、信號(hào)線路和金屬管線涌入的雷電電涌過(guò)電壓造成的。使用電涌保護(hù)器時(shí)，根據(jù)建筑物內(nèi)用電設(shè)備距離電源入口位置和設(shè)備的絕緣配合水平以及被保護(hù)設(shè)備過(guò)電壓等級(jí)分類(lèi)來(lái)選擇合適的電涌保護(hù)器，見(jiàn)表2-3和表2-4。

從建筑物電源總?cè)肟谔幥秩氲碾娪侩娏鞣逯低浅８撸瑸榱耸贡槐Ｗo(hù)設(shè)備承受的電涌能夠控制在其耐受沖擊電壓額定值的范圍內(nèi)，必須根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的不同安裝位置和耐受程度采取多級(jí)電涌保護(hù)器配合保護(hù)，逐級(jí)衰減電涌過(guò)電壓、過(guò)電流。正確安裝電涌保護(hù)器可以很好地達(dá)到防備電涌過(guò)電壓的效果。