雷電作為干擾源的放電和開關操作

?

下面介紹作為干擾源的雷電放電和開關操作

1大氣過電壓

作為干擾源，雷電影響建筑物和室內(nèi)的電氣設備與系統(tǒng)。

起源于大氣的電涌基本上都是直接/鄰近的雷擊或遠處雷擊造成的。在直接雷擊情況下，雷直擊受保護的建筑物;但在鄰近雷擊情況下，雷擊在與被保護系統(tǒng)直接相連的延伸系統(tǒng)或管線(如管道、數(shù)據(jù)傳輸線或輸電線)上。雷擊架空線則是遠處雷擊的例子。云間閃電在傳輸線上產(chǎn)生“反射浪涌”(行波)，而周圍區(qū)域的雷電則會感應出過電壓。

?

1.1 直接雷擊和鄰近雷擊

雷電通道和防雷保護系統(tǒng)的導線上的雷電流的作用:(a)在接地系統(tǒng)的沖擊接地電阻上產(chǎn)生電壓降;(b)在建筑物內(nèi)部導線形成的環(huán)路上感應出浪涌電壓和電流。由于沖擊接地電阻上的電壓降，分雷電流也會通過作為防雷等電位連接措施相連的電源線泄流。

特別是由于雷擊的磁干擾輻射，周圍區(qū)域的雷擊在設備環(huán)路上感應浪涌電壓和電流。如果雷擊架空供電線，在電源進線上就有傳導的浪涌電壓和電流。由于電磁干擾的輻射，云間閃電在電力線和其他大范圍的導線系統(tǒng)上也會產(chǎn)生傳導的涌浪電壓和電流。

如果精確的分析不可能進行或者太昂貴，電源線上來自被擊建筑物的分雷電流可以按 IEC 61312 -1 和 DIN VDE 0185 第 103部分估算。假定50%的雷電流流進建筑物的接地系統(tǒng)，50%均勻地分布于遠處接地的供給系統(tǒng)(如管道、電源和通信線)。為簡便起見，假定在各供給系統(tǒng)中，分雷電流在各導體上(如電力電纜的L1、L2、L3和PEN，或數(shù)據(jù)線的四根芯線上)均勻分布。

在DIN V ENV 61024-1(VDE V 0185第100部分)的附錄C中，有一個估算通過進線泄放的分雷電流的方法(在雷擊防雷保護系統(tǒng)的情況下)。據(jù)此，雷電流將在接地系統(tǒng)、外部導體和進線(直接連接或者通過避雷器連接)上分配如下:

各外部導體和導線分擔的雷電流取決于外部導體和導線的數(shù)量、其等效接地電阻和接地系統(tǒng)的等效接地電阻。

如果電氣或者信息系統(tǒng)所用的導線沒有屏蔽或者未置于金屬管中，則各導體分擔的電流為I_t/n'，n'為電氣或者信息系統(tǒng)的導線的總數(shù)。

1.1.1.沖擊接地電阻上的電壓降

被擊建筑物的沖擊接地電阻 R_st上的最大壓降 ?_E 是按雷電流的最大值i來計算的。

如果已經(jīng)有效地建立了防雷保護的等電位連接，那么這一電壓降 ?_E對被保護系統(tǒng)并不危險。目前，國內(nèi)(指德國，譯者注)和國際的防雷保護標準都要求實施綜合等電位連接。在綜合等電位連接的系統(tǒng)中，所有的導線(進線或出線)都直接，或者通過火花間隙或電涌保護器連接到接地系統(tǒng)。在遭雷擊時，整個系統(tǒng)的電位將升高 ?_E，但在系統(tǒng)內(nèi)，不會出現(xiàn)危險的電位差。

1.1.2 金屬環(huán)中的感應電壓

雷電流上升的最大速度(Δi/Δt，在Δt時間內(nèi)有效)決定了雷電流載流導體周圍所有開口或閉合的設備環(huán)路中的電磁感應電壓的峰值。

在設計防雷保護系統(tǒng)時，可用給出的波頭電流平均上升速度的最大值 I/T ₁(在波頭時間 T₁內(nèi)有效)。

在估算設備環(huán)路上(如在一座建筑物內(nèi))的最大感應方波電壓U時，假定該環(huán)處于無限長雷電流引下線的附近。

對于一個由無限長雷電流載流導線和設備線(例如，在等電位連接排處與防雷保護系統(tǒng)的引下線相連的電氣設備的保護導體)組成的正方形環(huán)上的方波電壓，可估算。

對于由與無限長雷電流載流導線相絕緣的設備線組成的正方形環(huán)，可求方波電壓。

除了由于設備布置造成的大金屬環(huán)內(nèi)的感應效應以外，在雷電流載流導線的附近，無屏蔽、分層式絞線電纜中的平行導線構(gòu)成的狹長形導線環(huán)上的感應效應也值得注意。線間產(chǎn)生的感應電壓稱為“橫向電壓”。這種電壓對電子設備特別有害。對于一個由設備線的導線組成的平行于無限長雷電流載流導線的狹長的導線環(huán)，可求方波電壓。

對于一個由設備線組成，垂直于無限長雷電流載流導線，且相距一定距離的狹長線框，其方波電壓

與大環(huán)中的高電壓值相比，在狹長環(huán)中只有大約 100V的感應電壓。但記住這是在信息系統(tǒng)線路上的橫向電壓，其正常運行電壓只有1~10V，并且與對電涌很敏感的電子設備相連接。在絞線線路中，特別是在有電磁屏蔽的線路中，感應方波電壓比按照上述公式計算出來的值要小得多，這種幅值的橫向電壓通常并不危險。

如果金屬環(huán)短接或其絕緣被感應方波電壓U擊穿，則環(huán)中有感應電流i，其值可計算。

由于雷電流上升極快，在雷電通道或雷電流載流導體的附近將會產(chǎn)生快速變化的磁場。建筑物內(nèi)的這種磁場，在由諸如電源線和信息系統(tǒng)線路、水管和輸氣管之類的設施線形成的寬“感應環(huán)”中，會產(chǎn)生高達 100000V的浪涌電壓。

例如，一臺連接到電源和數(shù)據(jù)系統(tǒng)的計算機。數(shù)據(jù)電纜進人建筑物后即連接到等電位連接排上，然后電纜穿過數(shù)據(jù)線插座進人計算機。電力電纜也通過避雷器與等電位連接排連接，通過電源插座給計算機供電。由于電源線和數(shù)據(jù)電纜是各自獨立安裝的，它們可形成一個面積約為100m²的感應環(huán)。該環(huán)的開口端在計算機內(nèi)，環(huán)內(nèi)磁感應產(chǎn)生的浪涌電壓作用于此開口端。不僅在直接雷擊情況下，而且在鄰近雷擊情況下，環(huán)內(nèi)也能感應出足以造成設備擊穿、有時甚至起火的浪涌電壓。

計算機必須“就地”防護這些雷電浪涌，意即在設備本身上防護，或直接在電源與數(shù)據(jù)插座上防護(5.8.2.3節(jié))。

1.2 遠處雷擊

在遠處雷擊情況下，行波電涌沿線路傳播，或雷擊在被保護系統(tǒng)的附近，從而產(chǎn)生影響被保護系統(tǒng)的電磁場。

19世紀 90 年代大氣過電壓造成的危害表明，一直到距離雷擊點 2km 遠處，電子設備對感應或傳導的浪涌電壓和浪涌電流仍很敏感(2.1 節(jié))。這種大面積的危害是由于連接到延伸至建筑物外的電纜的高科技設備的敏感度越來越高，敏感網(wǎng)絡的應用越來越廣泛造成的。

隨著技術(shù)的發(fā)展，連接設備的數(shù)據(jù)傳輸線的最大允許長度迅速地延長。例如，V2.4/V2.8接口(電子數(shù)據(jù)處理技術(shù)剛出現(xiàn)時用的)說明線路驅(qū)動器的電特性允許電纜直接連接的長度約可達15m。而現(xiàn)在市場上可買到的線路驅(qū)動器和接口允許直接連接的雙芯絞線電纜的長度可達約 1000m。

分雷電流在電纜中流動時，將會產(chǎn)生縱向與橫向電壓。芯線和電纜的金屬屏蔽層之間產(chǎn)生的縱向電壓 u₁施加在所連接的設備的輸入端與接地外殼之間的絕緣上。橫向電壓 u_q出現(xiàn)在芯線之間，給所連接的設備的輸人電路施壓。如果分雷電流i₂已知，那么縱向電壓可根據(jù)電纜的耦合阻抗 R計算。

1.3 浪涌電流在信號線上的耦合

下述例子說明浪涌電流如何通過阻性耦合、感性耦合或容性耦合耦合到延伸系統(tǒng)的信號線上。例如考慮建筑物1內(nèi)的設備1和建筑物2內(nèi)的設備2的布置。兩設備之間通過信號線連接。此外，假定兩臺設備都通過保護接地線(PE)連接到各自建筑物內(nèi)的等電位連接排(PAS)上。

1.3.1 阻性耦合

雷擊建筑物 1，在接地電阻 R_A1上產(chǎn)生約100kV的電位差。該幅值的電壓足以閃絡設備1和設備2的絕緣距離，這樣阻性交叉耦合浪涌電流從 PAS1 通過設備1，沿著信號線流到設備 2、PAS2 和 R_A2。該浪涌電流的幅值(其峰值可達數(shù) kA)取決于歐姆電阻 R_A1和 R_A2的相對值。

1.3.2 感性耦合

如前所述，金屬環(huán)內(nèi)通過雷電通道或雷電流載流導線的感應場而感應電壓。

例如設備1和設備2之間的兩芯信號線形成一個感應環(huán)。如果雷擊建筑物1，該環(huán)內(nèi)將感應數(shù)千伏的橫向電壓，產(chǎn)生可高達數(shù)千安的耦合電流。這些感應電壓和電流施加于設備的輸入端或輸出端。

另一種可能發(fā)生感性耦合的例子。信號線與地形成感應環(huán)。如果雷擊建筑物1，該環(huán)上感應出很高的電壓(約10kV)，導致設備1和設備2的絕緣閃絡，產(chǎn)生數(shù)千安的耦合電流。

1.3.3 容性耦合

如果雷擊大地或接閃器，由于接地極電阻 R_A上的電位差，雷電通道或接閃器將升至很高電壓(約100kv，與其周圍相比)。

設備1與設備2之間的信號線與這種雷電通道或接閃器容性耦合。耦合電容被充電，引起“注人”電流(約10A)，通過設備1和設備2的絕緣流人大地。

1.4 大氣過電壓的幅值

遠處雷擊最初引起約 10kV的電涌，產(chǎn)生的電流在數(shù)值上相對較小。但直接雷擊的雷電流要大得多，幅值更高:電流 200kA(I級保護等級)，并可出現(xiàn)數(shù)百千伏的電壓峰值。

低壓設備通常只能耐受數(shù)千伏的沖擊擊穿電壓，因此易受遠處雷擊產(chǎn)生的數(shù)十千伏或直接雷擊產(chǎn)生的100kV過電壓的威脅，甚至被破壞。一些電子設備的耐受電壓可能低至10V。所以，大氣放電引起的電壓值比包含電子設備的低電壓系統(tǒng)的可耐受電壓要高 100~10000 倍。

因此，這些高幅值的過電壓必須通過保護措施或電涌保護器降低到明顯低于允許的沖擊擊穿電壓/沖擊閃絡電壓的值。為可靠保護起見，甚至在直接雷擊的情況下，電涌保護器也必須要能夠釋放很高的分雷電流而不被損壞。

2 操作過電壓

電網(wǎng)的操作過電壓也能影響低電壓系統(tǒng)和二次系統(tǒng)，尤其是存在容性耦合時。在有些情況下，這種操作過電壓的值能超過15kV。這些操作過電壓的起因如下:

(a)切除空載電力線路(或電容器)。當開關打開時，電源電壓瞬時值的變化使得系統(tǒng)和被切除的線路之間出現(xiàn)高電位差。這種在數(shù)毫秒之內(nèi)就建立起來的電位差能在開關的觸頭之間引起重燃，就像觸頭再次合上。線路電壓隨即和電源電壓的瞬時值相等，開關觸頭之間的電弧熄滅。該過程可反復出現(xiàn)多次。這種線路電壓和一定的電源電壓的瞬時值相等的過程所產(chǎn)生的操作過電壓具有按幾百千赫茲衰減振蕩的特征。這種操作過電壓的初始幅值與重燃時刻開關觸頭之間的電位差有關，該幅值可以是額定電源電壓的數(shù)倍。

?(b)切除空載變壓器。如果在電網(wǎng)中切除空載變壓器，則磁場的能量被加載到其自身電容上。于是電感一電容電路就振蕩起來，直至全部能量都通過電路中的電阻轉(zhuǎn)換為熱能，所引起的操作過電壓的幅值可達額定電源電壓的數(shù)倍。

(c)不接地電網(wǎng)中的接地故障。如果不接地電網(wǎng)的外部線路發(fā)生接地故障，那么整個系統(tǒng)的對地電位將會因接地相的電壓變化而改變。如果接地故障電弧熄滅，其影響類似于切除空載線路或電容器:產(chǎn)生了操作過電壓并伴隨著衰減震蕩。

除了上述特性的電網(wǎng)操作過電壓以容性耦合的方式影響低電壓系統(tǒng)之外，電流的快速變化也能通過感性耦合在低電壓系統(tǒng)中產(chǎn)生電涌。這種電流的突然變化可能是投切重負荷引起的，也可能是短路、接地故障或重復接地故障引起的。

由于下述原因，低壓系統(tǒng)內(nèi)部本身也可能產(chǎn)生操作過電壓：

·切除與電源并聯(lián)的電感，如變壓器、接觸器和繼電器的線圈或電抗器(在這種情況下，操作過電壓的產(chǎn)生和上述切除空載電力變壓器的情況相類似)。

·在電流回路的串聯(lián)臂中切除電感，如導線環(huán)、串聯(lián)電感或?qū)Ь€本身的電感(在電路被斷開時，電感上的電流不能突變，產(chǎn)生的操作過電壓的幅值取決于斷開時刻的電流值)。

·通過開關人為切斷電路，或者熔絲或斷路器誤跳引起非人為的開斷，或者電流自然過零前導線斷裂引起的非人為開斷(諸如此類的開斷造成電流的急劇變化而產(chǎn)生的操作過電壓，通常是衰減震蕩的，幅值是系統(tǒng)正常電壓的數(shù)倍)。

·相位控制電路、電刷集電系統(tǒng)的換向效應，電機和變壓器突然卸載等。

在各種低電壓網(wǎng)絡上的大量測量表明，最值得注意的電涌是由開關中產(chǎn)生的電弧的干擾輻射引起的。

電力系統(tǒng)操作產(chǎn)生的電磁干擾通常比雷電干擾更頻繁。

對于寬帶傳導干擾，在 EMC標準中，對高能量脈沖和低能量脈沖或不同類型的開關操作脈沖是區(qū)別對待的。開關干擾可能產(chǎn)生于建筑物外，通過電力線路進入，也可能在建筑物內(nèi)部產(chǎn)生。這兩種干擾既可以像雷電干擾那樣被看成是浪涌電壓干擾和浪涌電流干擾的組合，也可以被看成是外加浪涌電壓。

開關過程的寬帶高能量傳導干擾和建筑物內(nèi)的傳導雷電干擾可以同等對待(布置適當?shù)姆览妆Ｗo等電位連接)。因此，VG標準按環(huán)境類型規(guī)定相應的干擾峰值。

DIN VDE 0160標準規(guī)定了開斷過程或過電流保護元件引起的外加浪涌電壓。0.1/1.3ms(0.1ms 上升速度，波頭時間約0.15ms)、峰值為u_peak的浪涌電壓疊加在交流電壓的峰值u_N/max上。

寬帶低能量操作電壓干擾(即脈沖群)在 DIN VDE 0847 第4 -4 部分中規(guī)定。波形為 5/50ns(5ns 上升速度，波頭時間約7.4ns)，幅值與試驗嚴酷程度有關，以脈沖包的方式通過耦合電容施加到電力線和通信線上。

除了傳導干擾，操作過程本身也造成可觀的干擾輻射(例如，開關斷開時產(chǎn)生的電弧)，感應出更多的傳導干擾。