一種電源傳輸線路雷電防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

周 靜

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司723 研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001）

0 引 言

雷電是一種全球性的嚴(yán)重災(zāi)害，具有電壓高、電流大、瞬時(shí)性等特點(diǎn)，具有巨大的能量。發(fā)生雷擊時(shí)，通常伴隨雷電電流產(chǎn)生。在電力系統(tǒng)和電器設(shè)備中，雷擊會(huì)造成暫態(tài)電壓升高和電涌過(guò)電壓，破壞系統(tǒng)和設(shè)備。

1 雷電效應(yīng)

雷電產(chǎn)生的破壞作用可以分為直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷是直接擊打到設(shè)備上的雷電，雷電的強(qiáng)電流會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p傷，使設(shè)備無(wú)法正常工作。感應(yīng)雷是雷電打擊到物體時(shí)，導(dǎo)致周邊導(dǎo)電物體感應(yīng)而產(chǎn)生的雷電。其電流雖然弱于直擊雷，但是仍然會(huì)對(duì)設(shè)備造成損傷[1]。

當(dāng)雷擊形成后，避雷針將強(qiáng)大的雷電流引入地線，從而避免雷電流直接擊中設(shè)備。然而，由于地線上電壓抬高，可能會(huì)損壞與地線相連的設(shè)備。感應(yīng)雷在避雷針?lè)秶鷥?nèi)的LPZ0 區(qū)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的雷電流，此電流會(huì)在設(shè)備電源線、控制線等線纜上產(chǎn)生過(guò)高的感應(yīng)電壓。電源線上過(guò)高的感應(yīng)電壓可能會(huì)引起設(shè)備的二次故障，造成設(shè)備損壞。此外，感應(yīng)雷電電流可能通過(guò)設(shè)備連接器接口的耦合進(jìn)入設(shè)備，從而造成設(shè)備損壞。

2 雷電頻率分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雷電波頻譜數(shù)據(jù)的分析，雷電具有頻率低的特點(diǎn)，雷電電流主要集中在低頻部分，通常在100 kHz 以下[2]。隨著頻率的升高，雷電流遞減，在高頻部分的雷電流很小。電源線上的電源頻率通常為50 Hz 或400 Hz，處于低頻區(qū)域，因而雷電對(duì)電源設(shè)備往往會(huì)造成嚴(yán)重的損壞，甚至導(dǎo)致設(shè)備報(bào)廢。在信息系統(tǒng)中，只要防止100 kHz 以下頻率的雷電波竄入，就能消減90%以上雷電波能量，對(duì)于避雷工程具有重要的指導(dǎo)意義[3]。

3 防雷區(qū)域設(shè)置

雷電是一種來(lái)自自然界的破壞能量，主要通過(guò)直接擊中物體或?qū)腚姎夂碗娮釉O(shè)備來(lái)產(chǎn)生作用。裸露在結(jié)構(gòu)體外的部分最易遭受雷電直擊并導(dǎo)走全部雷電流，這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)為L(zhǎng)PZ0A區(qū)。如果外部設(shè)置有防雷裝置（如接閃器），在其保護(hù)區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)體表面不大可能遭受雷電直擊，但所受雷擊電磁場(chǎng)強(qiáng)度沒(méi)有衰減，這個(gè)區(qū)域被稱(chēng)為L(zhǎng)PZ0B區(qū)。從結(jié)構(gòu)體表面向內(nèi)每經(jīng)過(guò)一層交界面都有一定程度的雷電分流和雷擊電磁場(chǎng)衰減，這些區(qū)域依次被稱(chēng)為L(zhǎng)PZ1、LPZ2、…、LPZn區(qū)。防雷區(qū)域設(shè)置如圖1 所示。

圖1 防雷區(qū)域設(shè)置

在LPZ0 區(qū)，雷電壓、雷電流和空間電磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為U0、I0、H0。如果被保護(hù)設(shè)備位于LPZn區(qū)，其雷電壓、雷電流、空間電磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為Un、In、Hn。

4 防雷原理與措施

防雷是將電壓極高的雷電能量在進(jìn)入電子設(shè)備前降低到設(shè)備能承受的電壓水平，從而避免電子設(shè)備因雷電電壓過(guò)高而受到損害[4]。防雷措施主要包括電磁屏蔽、接地及阻隔。

4.1 屏 蔽

在安裝電子設(shè)備的環(huán)境中應(yīng)安裝避雷針，避免電子設(shè)備被雷電直擊。雷電擊中避雷針時(shí)，避雷針周?chē)ǔ?huì)產(chǎn)生電壓較強(qiáng)的感應(yīng)電流。因此，在電子設(shè)備的安裝過(guò)程中需要考慮電磁屏蔽效果，避免設(shè)備周?chē)a(chǎn)生雷電感應(yīng)電流。

雷電感應(yīng)電流會(huì)通過(guò)電纜等外部線纜進(jìn)入設(shè)備，因此外部電纜的屏蔽效果直接關(guān)系到設(shè)備安全。通?？梢圆捎? 種屏蔽方式來(lái)提高屏蔽效果：一種是普通線纜采用屏蔽電纜，電源線纜采用雙屏蔽電纜；另一種是在敷設(shè)外部電纜時(shí)增加金屬走線管道，金屬管道接地盡量避開(kāi)避雷針下引線，使外部電纜穿過(guò)金屬管道進(jìn)入設(shè)備，從而保證感應(yīng)電流不會(huì)通過(guò)外部電纜進(jìn)入設(shè)備。

4.2 接 地

接地是防雷工作中的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)雷電流流入大地時(shí)，接地電阻、接地電感、接地下引線的長(zhǎng)度以及雷電流上升沿的陡度都會(huì)影響接地后的壓降。防雷的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是瞬時(shí)電壓降。瞬時(shí)電壓降越小，對(duì)接地線的沖擊越小，對(duì)設(shè)備的危害性就越小。因此，可以通過(guò)降低接線電阻阻值、增加接地線的數(shù)量以及縮短接地點(diǎn)的長(zhǎng)度等措施來(lái)改善接地效果，使雷電流及時(shí)泄入大地，避免對(duì)設(shè)備造成損害。

4.3 阻 隔

除了屏蔽和接地措施，阻隔也是雷電防護(hù)的重要手段之一。即使已經(jīng)采取屏蔽和接地措施，雷電電流仍可能對(duì)設(shè)備造成損害，因此最直接有效的防雷措施就是阻隔。

目前，常用的阻隔措施是在設(shè)備上增加浪涌防護(hù)器。浪涌防護(hù)器通過(guò)降低傳導(dǎo)線傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的雷電電壓和電流，與設(shè)備共地，使設(shè)備與浪涌防護(hù)器相連的部分為等相位，從而阻隔雷電電壓和電流進(jìn)入設(shè)備[5]。

浪涌防護(hù)器通常采用放電管進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)雷電過(guò)電壓和過(guò)電流經(jīng)過(guò)浪涌防護(hù)器時(shí)，防護(hù)器會(huì)處于高阻態(tài)，阻止雷電過(guò)電壓和過(guò)電流進(jìn)入設(shè)備。浪涌防護(hù)器通常需要加裝在線纜的兩端，以便及時(shí)將雷電泄放掉，從而保證線纜兩端的設(shè)備不被損壞。

5 電源雷電防護(hù)裝置

雷電防護(hù)是一項(xiàng)需要從系統(tǒng)層面綜合考慮的系統(tǒng)工程，為提高設(shè)備的雷電防護(hù)效果，需要增加必要的防雷設(shè)計(jì)。根據(jù)直流電源的特點(diǎn)，一種電源雷電防護(hù)裝置的布置如圖2 所示。

圖2 雷電防護(hù)裝置布置

在上位機(jī)和下位機(jī)電源端各加裝1 個(gè)雷電防護(hù)裝置，通過(guò)近端接地的方式及時(shí)泄放能量。雷電防護(hù)裝置將直流電源信號(hào)通過(guò)插座、電纜連接，形成輸入/輸出電源信號(hào)的直接連接。當(dāng)防護(hù)裝置電路因雷擊電流過(guò)載故障而影響工作時(shí)，可以將電源信號(hào)跳過(guò)雷電防護(hù)裝置直接連接，從而確保設(shè)備能夠正常工作。

通常電源雷電防護(hù)裝置（如浪涌防護(hù)器）采用多級(jí)防護(hù)電路設(shè)計(jì)，常用的是三級(jí)防護(hù)電路，如圖3所示。

圖3 電源雷電防護(hù)電路設(shè)計(jì)

三級(jí)防護(hù)電路一般由一級(jí)防護(hù)、二級(jí)防護(hù)、三級(jí)防護(hù)等部分組成。其中；一級(jí)、二級(jí)防護(hù)單元通常采用可以承受雷電電流沖擊的防雷元器件，以保證浪涌防護(hù)裝置的可重復(fù)利用性；第三級(jí)防護(hù)單元?jiǎng)t采用響應(yīng)時(shí)間極短的元器件，以便對(duì)雷電的防護(hù)快速響應(yīng)。這種多級(jí)防護(hù)電路設(shè)計(jì)可以更有效地吸收和泄放雷電能量，從而保護(hù)設(shè)備免受雷電的損害。

6 結(jié) 論

通過(guò)在傳輸線路的兩端加裝雷電防護(hù)裝置，可以有效保護(hù)線路兩端的設(shè)備不因感應(yīng)雷效應(yīng)而損壞。然而，對(duì)于直擊雷的防護(hù)效果仍然存在一定的局限性。實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮多種因素，采取有效的防護(hù)措施，以保障設(shè)備和人身的安全。后續(xù)將繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā)直擊雷的防護(hù)裝置，以進(jìn)一步提高設(shè)備的防雷能力。