雷電波在導(dǎo)線上的傳輸

1、雷電波在導(dǎo)線上的傳輸1、引言自然災(zāi)害中，雷擊引起的災(zāi)害算得上是最為嚴(yán)重的一種。這不僅因為雷電發(fā)生頻率高，且年年重復(fù)發(fā)生。據(jù)有關(guān)研究統(tǒng)計，在地球上任一時刻平均有2000多個雷暴在進(jìn)行著，平均每秒有100次閃電。每個閃電強度可高達(dá)10億伏，足見其能量之大，產(chǎn)生的危害可想而知。 對雷電的防護(hù)從古到今，人類在不斷的探索，但一直沒有找到有效的防護(hù)方法，直到200多年前，富蘭克林發(fā)明了避雷針，建筑物、構(gòu)筑物等設(shè)施得到了一定的保護(hù)。但是隨著近代高科技的發(fā)展，雷擊電磁脈沖對電子電氣設(shè)備的危害越來越引起重視，IEEE、IEC、ITU等組織都制定了一系列的與雷電防護(hù)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。我國的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制定比較晚，因

2、此等同采用了IEC的部分標(biāo)準(zhǔn)，但I(xiàn)EC的標(biāo)準(zhǔn)均為推薦性標(biāo)準(zhǔn)，并且受到外國某些利益集團(tuán)的控制，其中一些技術(shù)參數(shù)和經(jīng)驗公式等存在很大爭議。劉繼4認(rèn)為IEC規(guī)范中規(guī)定的雷電流容量過大，雷電波形不合理，一些經(jīng)驗公式應(yīng)進(jìn)行試驗校核。而中國采用了這些標(biāo)準(zhǔn)的同時，也為外國利益集團(tuán)的產(chǎn)品傾銷打開了通道。本文擬從最基本計算導(dǎo)線的電感、電容等物理量入手，推算雷電波在導(dǎo)線上的傳輸速度以及發(fā)生的折射、發(fā)射等效應(yīng)；根據(jù)實際工程，計算雷電波的衰減、變形等情況，推導(dǎo)出雷電波在導(dǎo)線上傳輸過程中的實際波形。來驗證上述標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)參數(shù)的合理性，這些參數(shù)無論對建筑物還是對計算機(jī)信息系統(tǒng)的防雷設(shè)計至關(guān)重要。2、研究雷電波傳輸速度的意義

3、對雷電波的防護(hù)一般采用分級保護(hù)原則，第一級電涌保護(hù)器(SPD)（一般為放電間隙、氣體放電管等）響應(yīng)時間較長，第二級電涌保護(hù)器（一般為氧化鋅壓敏電阻）的響應(yīng)時間次之，第三級電涌保護(hù)器（一般為暫態(tài)抑制二極管）的響應(yīng)時間最短。這就出現(xiàn)了配合距離問題：級別越低的電涌保護(hù)器的響應(yīng)時間越短，這需要安裝過程中，拉開一定距離，否則會出現(xiàn)低級別的電涌保護(hù)器因過載被燒毀，而高級別的卻未啟動的現(xiàn)象。相互間的配合距離多少為合適呢？這需要探討雷電波的傳輸速度，而雷電波在不同導(dǎo)線上傳輸速度不同。在建筑物防雷設(shè)計規(guī)范GB50057-94（2000年版）中，第6.4.11條規(guī)定“在一般情況下，當(dāng)在線路上多處安裝SPD且無準(zhǔn)確

4、數(shù)據(jù)時，電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于10m，限壓型SPD之間的線路長度不宜小于5m?！薄Ｒ?guī)定不明確，操作起來困難。并且沒有規(guī)定壓敏電阻（限壓型SPD）與二極管型SPD之間的安裝距離沒有規(guī)定，是個空白。實際工程中，電涌保護(hù)器之間的導(dǎo)線距離不夠，應(yīng)串接退耦線圈，需要什么規(guī)格的退耦線圈（多大線徑？多大線圈直徑？多少匝數(shù)？）沒有規(guī)范規(guī)定，也屬空白。雷電波在導(dǎo)線上折射和反射的情況，這是確定防護(hù)元件的參數(shù)的重要依據(jù)，本文對這方面進(jìn)行了探討。雷電波的波形，在工程上往往按照IEC的規(guī)范規(guī)定來設(shè)計，而在實際電力線路上雷電波在傳輸過程中，波形如何變化，尚無人研究。按照實際的波形實施防雷工程

5、不僅能提高防護(hù)效果，還能極大提高工程的經(jīng)濟(jì)性。3、國內(nèi)外研究進(jìn)展3.1國外動態(tài) 縱觀國際雷電研究趨勢，二十世紀(jì)八十年代以來出現(xiàn)了三大特點。首先雷電研究本身受到兩個因素的驅(qū)動，一是高新技術(shù)發(fā)展對雷電防護(hù)提出了越來越高的要求，二是GPS技術(shù)和高速大容量數(shù)采技術(shù)的發(fā)展，使得有可能對微秒、亞微秒的雷電過程進(jìn)行研究。雷電研究的第二個特點是重視與其它學(xué)科的交叉，比如在與大氣化學(xué)的交叉方面正進(jìn)行雷電產(chǎn)生的N0X及轉(zhuǎn)化的測量和模式計算；在與氣候變化的交叉方面發(fā)現(xiàn)了全球閃電、電離層電位是地面增溫的敏感指示器；在災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)警方面，發(fā)現(xiàn)閃電可比雷達(dá)提前指示強對流發(fā)展，閃電頻數(shù)可用于對對流性降水量的估測等。雷

6、電物理研究的第三個特點是重視將研究成果與實際應(yīng)用的結(jié)合，比如美國每年組織法國、瑞典等近十個國家的科學(xué)家在Florida國際雷電研究基地進(jìn)行人工引雷實驗，除對雷電物理和雷擊機(jī)理進(jìn)行研究外，還對不同類型的防雷設(shè)備進(jìn)行檢驗、對高壓線及特種設(shè)備（如：模擬的航天發(fā)射器燃料盒、儀器盒等）進(jìn)行雷擊實驗，以增加其運行的安全性。日本每年在北陸地區(qū)對冬季雷暴進(jìn)行人工引雷實驗，主要目的是搞清造成嚴(yán)重災(zāi)害的正極性雷電的放電機(jī)理，并提出有效的防護(hù)措施2。巴西、瑞士、日本等國利用高塔上測量雷電流，觀測雷電參數(shù)以及雷電先導(dǎo)的發(fā)生發(fā)展過程，但各地測得的雷電參數(shù)有一定的差異。5 在雷電定位方面，幾乎所有工業(yè)國家都使用了現(xiàn)代雷電

7、定位系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，雷電的定位，或通過磁場或通過電場的行電時間或通過這兩個方法的組合。對定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和計算方法以及有效監(jiān)測和處理大量數(shù)據(jù)的措施，提高了定位精確度等方面進(jìn)行了積極探索。為了能夠觀察歐洲范圍的雷電活動，需要將雷電的空位擴(kuò)展到各個系統(tǒng)有限區(qū)域以外。為此，于1999年建立了一個歐洲雷電檢測中心網(wǎng)絡(luò)（CELDN）6。這個網(wǎng)絡(luò)的核心由德國BLIDS和奧地利ALDIS系統(tǒng)構(gòu)成7-8。 對雷電的干擾耦合方面現(xiàn)在主要還是建立在理論模型上；還需要對推測的結(jié)果進(jìn)行實驗驗證；雷擊機(jī)理方面的重點研究放在“先導(dǎo)”放電發(fā)展上，觀測研究“先導(dǎo)”放電的發(fā)展階段；接地方面9分析各種防雷接地系統(tǒng)中不同點之

8、間的電位差，在承受雷電流時，研究接地電極與土壤的非線性特性；電力系統(tǒng)的防雷主要研究架空線直接遭雷擊或附近遭雷擊，不僅威脅高壓和中網(wǎng)電網(wǎng)中的設(shè)備，而且雷擊經(jīng)過配電變壓器將過電壓和過電流超臨界耦合入低壓電網(wǎng)，造成電氣設(shè)備和電子終端裝道的故障或損壞，對瞬態(tài)耦合的計算方法和干擾量的計算研究較多。 電子設(shè)備的防雷方面主要研究新的避雷器技術(shù)、避雷器的制造工藝等；電磁屏蔽方面，對于屏蔽結(jié)構(gòu)的效力，在實驗室經(jīng)一個帶屏蔽柵的立方形籠中進(jìn)行了試難研究，測得內(nèi)場強的分布，關(guān)與計算加以比較，混凝土的網(wǎng)格式的屏蔽作用10；雷擊的損害作用，雷電的各種效應(yīng)對人危害方式和程度；以及一些實際的防雷工程案例分析等。3.2 國內(nèi)動

9、態(tài)通過對雷電多方面的研究,對雷電放電特征有了較系統(tǒng)地了解,;在雷電預(yù)警預(yù)報技術(shù)和方法、雷電物理過程等方面也取得了一些重要進(jìn)展。但由于雷電發(fā)生的時空隨機(jī)性和瞬時性,對閃電放電物理過程的觀測試驗和理論研究十分困難,目前對我國閃電活動規(guī)律的認(rèn)識也仍然不夠全面。因此需要對雷暴內(nèi)動力、微物理和起電放電過程及它們之間的相關(guān)性開展深入和長期的基礎(chǔ)研究,加深對雷電發(fā)生發(fā)展特征的認(rèn)識和理解,這將為雷電預(yù)警預(yù)報以及雷電監(jiān)測資料在強對流天氣過程的監(jiān)測預(yù)警中發(fā)揮更重要的作用提供理論基礎(chǔ);而在雷電激發(fā)和傳輸研究的基礎(chǔ)上,開展地閃連接過程和不同頻段雷電電磁輻射對電子設(shè)備的破壞效應(yīng)等雷電成災(zāi)機(jī)理研究,將為雷電防護(hù)技術(shù)的提高

10、提供科技支撐11。和國外比較起來，我國雷電研究雖然起步較晚，缺乏先進(jìn)的技術(shù)手段和設(shè)備，但80年代以來也有了很大進(jìn)展。中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所在雷暴云電結(jié)構(gòu)、雷電電磁輻射、人工引發(fā)雷電技術(shù)及其應(yīng)用等方面進(jìn)行了深入的研究，取得了一系列重要成果，并在國際上具有一定的特色和地位。我國是世界上掌握人工觸發(fā)閃電技術(shù)的四個國家之一，已在我國南、北方不同地區(qū)成功觸發(fā)了近50次閃電，試驗不僅獲取了一批閃電電流、光、電、磁等參量的綜合測量資料，并進(jìn)行了流光激發(fā)、傳播以及回?fù)暨^程模式等方面的研究。中國科技大學(xué)、中國氣象科學(xué)研究院等也一直在進(jìn)行著相關(guān)的研究工作，并取得了重要成果；周秀驥12等提出利用閃電電磁

11、波頻譜的振幅與相位差來定位,并進(jìn)行了實際應(yīng)用。隨著雷電定位技術(shù)、高速大容量數(shù)據(jù)采集技術(shù)等雷電探測手段的提高進(jìn)一步推動了雷電科學(xué)研究的發(fā)展,并取得了很多有意義的結(jié)果。13 中國科學(xué)院空間中心等幾個單位相繼開展了雷電定位系統(tǒng)的研制工作，并在我國的雷達(dá)監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。但由于我國地域遼闊，雷暴和雷電現(xiàn)象復(fù)雜且與地域特征密切相關(guān)，而雷電研究又起步較晚，特別是現(xiàn)代防雷技術(shù)正處于發(fā)展時期，因此，許多科學(xué)和技術(shù)問題還有待進(jìn)一步解決。特別是在雷電防護(hù)方面，在我國市場上，先后出現(xiàn)了多種形形色色的所謂消雷及避雷裝置，但實踐表明，這些裝置并不能起到完全的消雷、避雷作用。因而研究雷害機(jī)理，以科學(xué)指導(dǎo)雷電的防護(hù)是擺

12、在我們國家的重要問題之一。鄭棟、薛秋芳等對閃電活動特征、與天氣系統(tǒng)的關(guān)系等進(jìn)行了研究。1415但目前研究最多的是防雷工程的具體實施。1.4 本文的主要工作本文計算了雷電波在無損導(dǎo)線上的傳輸速度、在一般介質(zhì)中的傳輸速度，并對有損導(dǎo)線上的傳輸速度進(jìn)行了討論；分別計算了圓截面直導(dǎo)線、彎成圓弧導(dǎo)線、同軸電纜、雙傳輸線以及螺線管的電感和電容；確定了退耦線圈電感量的確定，并通過實例計算出常見情況下退耦線圈的匝數(shù)和直徑；確定了氣體放電管與壓敏電阻之間、壓敏電阻與暫態(tài)抑制二極管之間以及同類防護(hù)元件之間的配合距離；推導(dǎo)了階躍雷電波和沖激雷電波的折射和反射情況，以及雷電波的衰減和變形情況；最后通過工程實例，討論了

13、雷電波在實際電力傳輸線路上波形。 1.5 本文的創(chuàng)新點 本文的主要創(chuàng)新點如下： （1）推導(dǎo)了雷電波在導(dǎo)線上傳輸?shù)南嗨俣鹊扔谌核俣?，計算出在圓界面銅導(dǎo)線上的傳輸速度為1.221.34×108m/s，在同軸電纜中的傳輸速度為1.101.20×108m/s； （2）退耦元件的選用要考慮雷電波波頭的上升陡度、所替代導(dǎo)線的長度以及導(dǎo)線的規(guī)格等因素，本文計算出常用導(dǎo)線的等效電感值，根據(jù)等效電感值來確定退耦線圈的規(guī)格； （3）以氣體放電管為防護(hù)元件的電涌保護(hù)器（為上一級）與壓敏電阻電涌保護(hù)器之間的配合距離應(yīng)為910m，壓敏電阻（為上一級）與暫態(tài)抑制二極管電涌保護(hù)器之間的配合距離應(yīng)為0.3

14、0.40m，同類防護(hù)元件之間的配合距離主要應(yīng)考慮元件實際響應(yīng)時間的誤差； （4）雷電波經(jīng)過導(dǎo)線或電感后波頭的陡度降低，雷電波經(jīng)過電感后反射的電壓波為正，使得導(dǎo)線上的電壓升高，有利于前一級防雷元件的啟動； （5）10/350s和8/20s波形的雷電波在實際線路上很難出現(xiàn)，而實際電力線路上的雷電波形的波頭時間一般為ps（10-12s）級的，并且波頭的陡度也遠(yuǎn)小于10/350s和8/20s波形。3 雷電波在導(dǎo)線上的傳輸速度雷電波實際上就是一種電流和電壓的瞬變，因此可以研究瞬變波形在導(dǎo)線上的傳輸來研究雷電波的傳輸。實際中的導(dǎo)線敷設(shè)情況各異，不同的敷設(shè)方式有不同的電氣特征，因此可以將雷電波在不同導(dǎo)線的傳

15、輸進(jìn)行討論分析。3.1 在無損單導(dǎo)線上速度3.1.1 雷電波的相速度先討論雷電波在無損單導(dǎo)線上的傳輸23，設(shè)x為線路首端到線路上某點的距離，線路每一單元長度dx具有的電感為L0dx，線路上的電壓u和電流I都是距離和時間的函數(shù)。 （3-1） （3-2）整理得到 （3-3） (3-4)對（2-3）求x的導(dǎo)數(shù)，對（2-4）求t的導(dǎo)數(shù),然后消去I，得到 (3-5) (3-6)對于這個波來說，波動方程的通解：v(x,t)=v+(x-upt)+v-(x+upt)i(x,t)=i+(x-upt)-i-(x+upt)=1/Zv+(x-upt)-v-(x+upt)其相速度是 (3-7) 波阻抗 (3-8)L0表

16、示導(dǎo)線以大地為回路的每米電感值C0表示每米導(dǎo)線對地的電容值。 (F/m)如果考慮導(dǎo)線的材質(zhì)，則 (F/m)r相對介電常數(shù)，對于銅來說r =56真空磁導(dǎo)率 0=4×10-7 ( H/m)介電常數(shù)01/36×10-9 ( F/m)h導(dǎo)線高度（m）,r導(dǎo)線半徑（m）C0一般是常數(shù)，而L0則由于導(dǎo)線的敷設(shè)方式不同而取值不同。3.1.2 雷電波的群速度兩個方程實際上是一個波動方程,可同一寫成 (3-9)設(shè)形式解,代入上述方程,可以得到,即（k>0），k是x方向的波數(shù)，是波動的頻率。群速度： 因此，群速度等于相速度。3.1.3 雷電波在一般介質(zhì)中的傳播速度雷電波在一般介質(zhì)中的傳播

17、速度為23 (3-10)c光速 3×108m/sr相對磁導(dǎo)率 對于銅來說r0.99999120r相對介電常數(shù)，對于銅來說r =56則雷電波在銅導(dǎo)線上的傳輸速度為 uc=1.221.34×108 (m/s)3.2雷電波在有損導(dǎo)線上速度對于有損導(dǎo)線來講，主要考慮兩種情況：（1）導(dǎo)體自身損耗，主要由趨膚效應(yīng)引起；（2）介質(zhì)損耗，主要是介質(zhì)在高頻場中分子極化滯后引起的損耗，其值決定材料的損耗角正切tg其中G0為單位長電導(dǎo)。有損導(dǎo)線上的電壓和電流公式24 (3-11) (3-12)其中為衰減常數(shù)，為相位常數(shù)利用等效關(guān)系進(jìn)行變換得到：U=RI+jLI=j(L-jR/)I (3-13)I

18、=GU+jCU=j(C-jG/)U (3-14)經(jīng)過求解得到有損導(dǎo)線上瞬變脈沖波的傳輸速度 (3-15)4 導(dǎo)線的電感和電容在防雷工程設(shè)計中，導(dǎo)線的電感和電容是兩個重要參數(shù)，這兩個參數(shù)用來確定雷電波傳輸?shù)乃俣?，以確定各級電涌保護(hù)器的配合距離，也可以用來確定等效退耦電感的值，以選取退耦線圈。 因為90以上雷電能量分布在10多kHz以下25，因此下面計算公式如沒特別說明，只適用于低頻。4.1 圓截面直導(dǎo)線的電感（不考慮導(dǎo)線內(nèi)部的磁通）26 (1)在直流和低頻下 （4-1）式中 l導(dǎo)線長度； r導(dǎo)線截面的半徑； 0真空磁導(dǎo)率，04×10-7H/m。(2)在甚高頻下 （4-2）根據(jù)上述兩個公

19、式可看出，在導(dǎo)線規(guī)格（即r不變）和敷設(shè)形式（即C0不變）相同的情況下，導(dǎo)線越長，雷電波的速度越慢；同樣可以看出，在導(dǎo)線長度（即l不變）和敷設(shè)形式（即C0不變）相同的情況下，導(dǎo)線越細(xì)，雷電波的速度越慢。表4.1 低頻下長度分別為5米和10米的常用導(dǎo)線的單位長度電感截面積mm22.54681012165m導(dǎo)線的單位長度電感H/m(10-6)1.711.671.631.601.581.561.5310m導(dǎo)線的單位長度電感H/m(10-6)1.851.811.771.741.711.701.674.2彎成圓弧導(dǎo)線的電感26L=N-G+A-Q （4-3）其中式中R導(dǎo)線所彎圓弧的半徑；與導(dǎo)線長度對應(yīng)的圓心

20、角；I一個量，可根據(jù)查表得到。表 4.2 I值表（°）0/36015/34530/33045/31560/30075/28590/270I0.00000.24390.39680.51510.61070.68890.7529（°）105/255120/240135/225150/210165/195180I0.80470.84580.87740.89880.91170.9160在直流和低頻下式中g(shù)導(dǎo)線截面面積自身的幾何平均；a導(dǎo)線截面面積自身的算術(shù)平均；q導(dǎo)線截面面積自身的平方平均距離；l導(dǎo)線軸的長度；D導(dǎo)線軸兩端點間的距離。4.3 實心內(nèi)導(dǎo)線和空心外導(dǎo)線的同軸電纜的電感和電

21、容26由于日常使用的同軸電纜一般外導(dǎo)線的厚度較小，因此采用下式： （4-4）式中p內(nèi)導(dǎo)線半徑；q和r外導(dǎo)線的內(nèi)半徑和外半徑；t=r-q導(dǎo)線材料為銅時，0表4.3 常用同軸電纜型號的規(guī)格和主要參數(shù) 芯線外徑mm電纜外徑mm外纜厚度mm特性阻抗單位長度電感10-7H/m單位長度電容10-10F/m1.006.80.9754.251.741.6010.00.9754.111.822.0012.00.9754.041.863.0014.40.9753.542.121.375.50.6503.212.401.376.20.6503.462.20同軸電纜的電容介電常數(shù)01/36×10-9F/m對

22、于銅相對介電常數(shù)r取56。根據(jù)(3-7)式得到雷電波在同軸電纜中的傳播速度為1.11.2×108m/s4.4 實心圓截面的雙傳輸線（單相）的電感26在直流和低頻下 （4-5）d導(dǎo)線軸間距離；r導(dǎo)線半徑。4.5 螺線管的電感26計算公式 （4-6）式中w螺線管的匝數(shù)；d螺線管的直徑；a螺線管的長度；Ka與a或1/a有關(guān)的系數(shù)，可查表得出。對于緊密螺線管有a=2r·wr導(dǎo)線的半徑。則 5 退耦電感線圈的選取在限制距離不足時，應(yīng)在級與級之間串接退耦裝置，利用退耦裝置的延時、濾波等特性，減緩雷電瞬態(tài)過電壓的上升速率。增加電感的作用：（1）加大線路的電感值，雷電波在線路上的傳輸速度則

23、會降低。（2）電感增大，則波阻抗增大，在電流一定的情況下，電壓增大，電壓增大有兩個作用：一個是由于加在防雷元件上的電壓增大，有利于防雷元件的提前啟動；另一個是在電壓一定的情況下，由于線路中的電壓增大，則后面負(fù)載上的電壓就會減小。（3）雷電波通過電感元件后，波頭的上升陡度降低。（4）當(dāng)雷電波被反射回來后，反射波經(jīng)過電感元件后，與前行的雷電波疊加，使得電感元件前的電壓升高，有利于接在電感元件前的防雷元件的啟動；（5）電感元件一般為螺線管，等于延長了導(dǎo)線的長度，使得雷電波在該段線路上的傳輸時間增大，使得接在電感元件前的防雷元件的響應(yīng)時間更充裕，也就是說在一定程度上減小了防雷元件配合的“盲點”。如果電

24、感線圈或螺線管中含鐵氧磁芯，由于雷電流一般較大，容易造成磁芯的深飽和，當(dāng)磁芯處于深飽和時，線圈的電感值將會變得很小。因此在工程中一般不采用帶磁芯的電感。5.1 退耦元件的分類退耦元件一般可以分為兩類：一類是以電感件起退耦作用的；一類是以電阻起退耦作用的。其中不應(yīng)忽略的是導(dǎo)線自身有電阻和電感，是效果很好的退耦元件。應(yīng)指出的是同一回路中的電涌保護(hù)器之間必須有退耦元件（包括導(dǎo)線）。電感元件退耦器一般用于電力線路，而電阻元件退耦器一般用于信號線路。5.2 退耦元件的選用原則 （1）退耦元件的主要作用是保證前一級SPD比后一級先動作； （2）前一級的殘壓或剩余電涌經(jīng)過退耦元件后，降到后一級SPD的承受范

25、圍之內(nèi)； （3）電力系統(tǒng)一般選用以電感件起退耦作用的退耦元件，而通信系統(tǒng)則選用以電阻起退耦作用的退耦元件。 如果選用電感作退耦元件時，必須考慮電涌電流的上升時間和峰值。在電涌的上升期，di/dt（i為電涌電流，t為時間）越大，退耦所要求的電感越小。如果用電阻作退耦元件，因為電壓等于電阻與電流的乘積V=R×I，因此退耦元件所需的阻值取決于電涌電流的峰值。對長半值時間波形（如10/350s）的電涌，電感的退耦效果不是很有效27。5.3 退耦元件電感量的選取 在實際的工程中，經(jīng)常采用具有一定集中電感的退耦元件來等效一定長度的電纜，如圖5所示。如果前后兩級均為限壓型器件，按國標(biāo)建筑物防雷設(shè)計

26、規(guī)范GB50057-94（2000年版）和信息產(chǎn)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信局（站）雷電過電壓保護(hù)工程設(shè)計規(guī)范YDT 5098-2001的規(guī)定，兩級間的距離應(yīng)大于5m。若用集中電感來等效。 文獻(xiàn)27中的退耦元件的電感為15H，根據(jù)表31 數(shù)據(jù)可以得出，電感量為15H一般小于10m導(dǎo)線的自身電感，而大于5m導(dǎo)線的自身電感，因此在選取退耦元件時，應(yīng)考慮所等效的導(dǎo)線長度和規(guī)格。由于自然界的首次雷擊波形一般為沖激波（圖），考慮到反射電壓波的波幅的大小，選取以電感線圈為退耦元件時，要注意沖激波波頭的陡度，即的大小，越大，反射電壓波的波幅增大越快，則電感線圈的匝數(shù)可以適當(dāng)減少。當(dāng)趨于無窮大，就成了階躍波（長時間雷擊）

27、圖，則不需要考慮，只考慮所等效的導(dǎo)線長度。圖 首次雷擊波形圖 長時間雷擊波形5.4實例螺線管的長度a=0.09m，螺線管的直徑d=0.03m；Ka=0.188980，求與上述常用導(dǎo)線總長為5m，10m的單位長度等效電感時螺線管匝數(shù)。(橫向螺線管的長度a=0.03m，螺線管的直徑d=0.06m；Ka=0.083908)表 替代總長為5m、10m導(dǎo)線中的1m的等效螺線管的參數(shù)導(dǎo)線截面積mm2等效螺線管5m導(dǎo)線10m導(dǎo)線單位長度電感H/m(10-6)縱向螺線管橫向螺線管單位長度電感H/m(10-6)縱向螺線管橫向螺線管匝數(shù)最小長度mm匝數(shù)最小長度mm匝數(shù)最小長度mm匝數(shù)最小長度mm2.51.7131

28、5413231.853256142441.67306813291.813270143061.63308213351.773185143781.60309413401.7431981442101.583010413451.71311081447121.562911313491.70311181451161.532912912561.67301351359由上表可以看出，采用截面積等于或超過8mm2導(dǎo)線，螺線管無論采用縱向還是橫向都會超出常規(guī)尺寸；截面積等于或超過6mm2導(dǎo)線，橫向螺線管超出常規(guī)尺寸。在實際工程中，模塊的縱向尺寸是統(tǒng)一的，超過標(biāo)準(zhǔn)則無法安裝，而模塊的橫向尺寸則可以加長。如果替代超過

29、1m的導(dǎo)線，螺線管的規(guī)格還要相應(yīng)加大。圖 常見退耦器的尺寸 a 螺線管橫向安裝的退耦器 b 螺線管縱向安裝的退耦器6 各級電涌保護(hù)器（SPD）的配合距離確定6.1 SPD配合的目的一個系統(tǒng)中所有SPD及所需保護(hù)的設(shè)備的能量配合，對保護(hù)的效率具有決定性意義27。配合的目的：（1）將最終的雷電威脅值減到需要保護(hù)設(shè)備的耐受程度。（2）各個SPD的額定荷載電涌能力不被超過，否則會造成SPD的損壞。（3）當(dāng)SPD之間的限制距離不足時，過電壓波可能會在線路上形成反射，產(chǎn)生振蕩電壓疊加到線路上，使線路上的電壓升高，反而會對被保護(hù)設(shè)備造成威脅。實施能量配合和電壓配合，可以使各級SPD之間的限制電壓相互協(xié)調(diào)，減

30、少反射現(xiàn)象。（4）保證SPD逐級先后動作。（5）避免SPD的動作出現(xiàn)盲點。6.2 SPD之間的配合表 三類防雷保護(hù)元件的響應(yīng)時間28氣體放電管壓敏電阻暫態(tài)抑制二極管響應(yīng)時間1s1ns101ps雷電波在銅導(dǎo)線上的傳輸速度為 uc=1.221.34×108 (m/s)6.2.1配合盲點當(dāng)過電壓或過電流波經(jīng)過時，上一級泄放電流能力或箝壓能力較強的防護(hù)元件未啟動，而下一級防護(hù)元件啟動，這樣形成了線路末端短路的情況，由于發(fā)射的電壓波為負(fù)，并且電壓幾乎全部被反射，使線路上的電壓大幅降低，幾乎為零23，則上一級防護(hù)元件不會再啟動，形成配合盲點。一般下一級防護(hù)元件的泄流或箝壓能力較弱，會造成超負(fù)荷或

31、被燒毀。時間 tV電壓前級防雷元件的啟動電壓后級防雷元件的啟動電壓前級防雷元件上的電壓曲線后級防雷元件上的電壓曲線時間 tV電壓前級防雷元件的啟動電壓后級防雷元件的啟動電壓前級防雷元件上的電壓曲線后級防雷元件上的電壓曲線 6.2.2 氣體放電管與壓敏電阻之間的配合距離這種情況一般是氣體放電管為上一級，壓敏電阻下一級。氣體放電管的放電取決于線路兩端（或退耦元件）的電壓降(UDE)和壓敏電阻兩端的殘壓（Ures）之和。在氣體放電管放電之前，其電壓（USG）為：USG= UDE + Ures其中影響UDE的因素有兩個：一個是進(jìn)入電涌的大??；一個是退耦元件的性質(zhì)。影響Ures的因素也有兩個：一個壓敏電

32、阻的金屬氧化物壓敏電阻（MOV）的特性；一個是進(jìn)入的電涌的上升速率和大小。另外一個重要的影響因素是響應(yīng)時間。由于上一級防護(hù)元件放電管在雷電波到達(dá)下一級防護(hù)元件壓敏電阻（時間為t1）并在壓敏電阻啟動（ty）前啟動，則就不會出現(xiàn)配合盲點。因此在電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間導(dǎo)線應(yīng)該有一定的間隔長度，一般不宜小于10m21。利用導(dǎo)線自身的電阻、電感等特性來延緩下一級SPD的動作。如果它們之間的線路太短，則應(yīng)串接退耦裝置。SAB= (t1-ty)* ucSAB的取值在120130m，而用于防雷器的放電管的響應(yīng)時間一般為放電時間為100ns，壓敏電阻元件的響應(yīng)時間為25ns，那么，SAB的取值在91

33、0m。6.2.3 壓敏電阻與暫態(tài)抑制二極管之間的配合距離同理，由于上一級防護(hù)元件壓敏電阻在雷電波到達(dá)下一級防護(hù)元件暫態(tài)抑制二極管（時間為t2）并在二極管啟動（te）前啟動，則就不會出現(xiàn)配合盲點。SBC= (t2-te)* ucSBC的取值在0.30.40m。6.2.4 同類防護(hù)元件之間的配合距離主要應(yīng)考慮元件實際響應(yīng)時間的誤差t，S= t * uc7 雷電波在導(dǎo)線上的傳輸、反射與衰減雷電波在沿線傳輸時，常常會遇到線路突然改變的情況，例如雷電過電壓波從波阻抗較大的架空線進(jìn)入波阻抗較小的電纜，以及在線路中間或末端接有集總參數(shù)（電阻、電感、電容或非線性元件）的元件。當(dāng)這些情況出現(xiàn)時，波將在參數(shù)突變的

34、邊界處發(fā)生折射和反射28。7.1 階躍雷電波（長時間雷擊）在無損導(dǎo)線上的折射和反射 先來考慮最簡單的情況，即導(dǎo)線是無損的，并將階躍波簡化為無窮直角波。如果線路是由兩段波阻抗不同的導(dǎo)線組成時，由于兩導(dǎo)線的波阻抗不同，兩段導(dǎo)線中電壓波對電流波的比值將不同，也就是說前行的電壓波和電流波在兩導(dǎo)線的連接點必將發(fā)生變化，從而造成了波的折射；另一方面，由于在兩導(dǎo)線的連接點上的電壓和電流只能有一個值，因此，波在連接點除了有折射外，一定還有反射。參看圖7.1，幅值為U0的電壓波沿導(dǎo)線1入射，在其未到達(dá)連接點A時，導(dǎo)線1上將只有前行電壓波uq1= U0和相應(yīng)的電流波iq1。 圖7.1 無窮直角波的折射和反射這些前

35、行波到達(dá)A點以后將折射為沿導(dǎo)線2前行的電壓波uq2和電流波 iq2，同時出現(xiàn)沿導(dǎo)線1反行的電壓波uf1和電流波if1。由于連接點A處只能有一個電壓值和電流值，即A點左側(cè)及右側(cè)的電壓和電流在A點必須連續(xù)，因此有：uq1 + uf1 = uq2 （7-1） iq1 + if1 = iq2 （7-2）考慮到 uq1= U0將它們代入（7-1）及（7-2），可得U0 + uf1= uq2 （7-3） （7-4）解（7-3）和（7-4），即可求得波在導(dǎo)線連接點A處的折、反射電壓和入射電壓的關(guān)系式 （ 7-5）        

36、      （7-6）式中稱為折射系數(shù)，稱為反射系數(shù)，它們分別為 （7-7） （7-8）由于A點左側(cè)及右側(cè)的電壓在A點必須連續(xù)，根據(jù)（7-1），折、反射系數(shù)之間必然滿足下面的關(guān)系1+=和的大小將由波阻抗Z1對Z2的比值決定。當(dāng)Z2= Z1時，=1，=0，這說明折射電壓波等于入射波電壓，反射電壓波為零，即不發(fā)生折、反射，這也就是均勻?qū)Ь€的情況。當(dāng)Z2Z1時，1，0，此時折射電壓波大于入射波電壓，而反射電壓波為正；當(dāng)Z2Z1時，1，0，此時折射電壓波小于入射波電壓，而反射電壓波為負(fù)。下面討論2種情況：（1）末端接地末端接地相當(dāng)于末端短路，則Z2=0

37、，電壓波到達(dá)末端時，0，1，此時 uq2=0 uf1=-uq1 圖7.2 末端接地時電壓波（a）和電流波（b）的折射和反射末端短路能量全部反射，電壓反射波與前行波值相等，符號相反，因此電壓發(fā)射波正好抵消了前行電壓，電壓反射波所到之處，導(dǎo)線上的電壓為零；全部電場能轉(zhuǎn)化為磁場能，而電流則增加到入射波的2倍。（2）末端開路 末端開路則Z2=，電壓波到達(dá)末端時，2，1，此時 uq2=2uf1 uf1=-uq1 圖7.3 末端開路時電壓波（a）和電流波（b）的折射和反射由于開路末端的電磁能量全部反射回去，使單位長線路上能量為原來入射波能量的2倍，又由于反射波所到之處電流為零，全部磁場能量轉(zhuǎn)化為電場能，因

38、此電場能增加到原來的4倍，即電壓增高2倍。7.2 階躍雷電波在有損導(dǎo)線上的折射和反射分析階躍雷電波通過導(dǎo)線的情況，導(dǎo)線可以用簡化為電阻和電感，其中電阻代替等值的波阻抗。前行的電壓波或電流波到達(dá)B點后，會產(chǎn)生折射和反射，由于電壓和電流在B點是連續(xù)的，在不考慮Z2和L2以及C點的反射情況下，因此有 （7-9） （7-10）其中下標(biāo)f表示前行波，b表示反射波。根據(jù)彼得遜（Peterson）法則（彼得遜法則：將波阻抗用數(shù)值相等的電阻來代替，將線路中的前行波的2倍作為等值電壓源，由此計算折射波電壓。）圖（b）等值電路的回路方程為： （7-11）其中令則Z2兩端電壓即折射波電壓為： （7-12）通過這個上

39、式可以看出，經(jīng)過電感后，直角波變成了指數(shù)波，也就是使得波頭的陡度降低。在B點電流關(guān)系有 （7-13）其中 將上它們代入上式，可得到反射波電壓為 （7-14）由于L1和L2一般為10-6（H/m）量級，C1和C2為10-11（F/m）量級，t的量級也一般小于10-6s，因此，當(dāng)在最初時間小于10-8s時，則有vb1>0，即反射波電壓為正。 7.3 沖激雷電波在導(dǎo)線上的折射和反射沖激雷電波電壓v是時間t的函數(shù)，則折射波電壓為： （7-15）反射波電壓為 （7-16）7.3 雷電波在導(dǎo)線上的衰減雷電波作為一種行波，在有損導(dǎo)線上的傳輸過程中，會出現(xiàn)衰減。引起衰減的因素有多方面，其中主要原因時由于

40、雷電波的高電壓超過導(dǎo)線電暈的啟輝電壓，形成沖擊電暈23。沖擊電暈是由一系列導(dǎo)電的流注構(gòu)成，其電流密度正比于電壓的變化率，沖擊電流使流注通道溫度升高，場強降低，使得沖擊電暈在電離區(qū)具有徑向電位梯度低、電導(dǎo)高的特點，相當(dāng)于增大了導(dǎo)線的有效半徑及其對地電容。電暈的流注結(jié)構(gòu)使電流不能沿軸向流動，因為其中的各個流注導(dǎo)電通道是相對獨立的，并不互相接觸，線路電流只能沿導(dǎo)線流動，因此電暈的出現(xiàn)并不影響線路的電感。沖擊電暈對雷電波的主要影響效應(yīng)如下：電暈的出現(xiàn)增加導(dǎo)線對地電容，根據(jù)（27）式，電容增大，雷電波的波速降低，雷電波的波頭拉長，使雷電波產(chǎn)生了衰減和變形。沖擊電暈使導(dǎo)線間的耦合系數(shù)增大。電暈的出現(xiàn)相當(dāng)于

41、增大了導(dǎo)線的有效半徑，因而與其附近的導(dǎo)線間的耦合系數(shù)增大，線電壓降低。沖擊電暈使導(dǎo)線的波阻抗降低，根據(jù)（28）式，電容增大，波阻抗降低，脈沖電流增大，根據(jù)公式則損耗的能量增大。由于導(dǎo)線和大地能形成電容和漏電導(dǎo)，這些電阻和電導(dǎo)也損耗掉一部分能量，但與電暈引起的衰減和變形相比，往往忽略不計。7.4工程實例表 配電線路各種設(shè)備耐沖擊過電壓額定值29設(shè)備位置電源處的設(shè)備配電線路和最后分支線路的設(shè)備用電設(shè)備特殊需要保護(hù)的電子信息設(shè)備耐沖擊過電壓類型IV類III類II類I類耐沖擊過電壓額定值6KV4KV2.5KV1.5KV 工程實例其中導(dǎo)線的架空高度根據(jù)文獻(xiàn)30長100m,銅導(dǎo)線截面積16mm2長100m

42、架空走線，高度2.7m，10mm2長20m高度2.5m，6mm2長10m高度2.5m，4mm2長5m高度1.8m。討論一個8/20s的100KA的雷電波 在這條線路上傳輸過程中波形的變化情況。第一段第二段第三段第四段單位長度電感L0（10-6H/m）2.131.851.771.67單位長度電容C0（10-11F/m）3.603.533.423.47雷電波的傳播速度108m/s91.31單位長度波阻抗Z0（/m）316.23228.93227.50219.38如果以1.14×108m/s速度，在8s，波行進(jìn)了912m（而實際工程中，輸電線路中的桿塔間距一般達(dá)不到這

43、個長度，而桿塔上一般裝有避雷器，雷電波經(jīng)過桿塔時會放電，因此8/20s一般不可能存在），假設(shè)雷電波的波頭波形為線性的，則顯然這么高的電壓遠(yuǎn)超過電源處的設(shè)備的耐過電壓的承受值，將設(shè)備擊穿。下面我們計算在第二段的電壓波形=6.91×10-9 如果在第一階段末，設(shè)備未被擊穿 （KV） 但實際上在第一階段末，設(shè)備只能承受6KV的電壓，因此在第二段實際線路上的電壓波形應(yīng)為在第三段、第四段線路上線路上的電壓波形與第二段相似，這里不再贅述。8 結(jié)論及展望8.1結(jié)論1、雷電波在導(dǎo)線上傳輸?shù)南嗨俣鹊扔谌核俣?，在銅導(dǎo)線上的傳輸速度為1.221.34×108m/s，在同軸電纜中的傳輸速度為1.1

44、01.20×108m/s；2、在線路中安裝電涌保護(hù)器進(jìn)行防雷保護(hù)時，要考慮各級電涌保護(hù)器的配合，避免出現(xiàn)盲區(qū)，如果各級電涌保護(hù)器之間的線路長度不足時，要加裝退耦元件。3、退耦元件的選用要考慮雷電波波頭的上升陡度、所替代導(dǎo)線的長度以及導(dǎo)線的規(guī)格等因素，計算出確定等效電感的值，根據(jù)等效電感值確定退耦線圈的規(guī)格；4、氣體放電管（為上一級）與壓敏電阻之間的配合距離應(yīng)為910m，壓敏電阻（為上一級）與暫態(tài)抑制二極管之間的配合距離應(yīng)為0.30.40m，同類防護(hù)元件之間的配合距離主要應(yīng)考慮元件實際響應(yīng)時間的誤差；5、雷電波經(jīng)過導(dǎo)線或電感后波頭的陡度降低；6、雷電波經(jīng)過電感后反射的電壓波為正，使得導(dǎo)

45、線上的電壓升高，有利于前一級防雷元件的啟動；7、10/350s和8/20s的雷電波在實際線路上很難出現(xiàn)，而實際電力線路上的雷電波形的波頭時間一般為ps（10-12s）級的，并且波頭的陡度也遠(yuǎn)小于10/350s和8/20s波形，因此按照10/350s和8/20s進(jìn)行防雷工程設(shè)計，不僅不科學(xué)，而且會造成很大的浪費。8.2 展望（平帥 龐華基）參考文獻(xiàn)1 中華人年共和國氣象法，北京：氣象出版社，1999.11,18.2 許建民，孫家棟主編，中國氣象事業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究氣象與國家安全卷，北京：氣象出版社，2004，10.3 虞昊、臧庚媛、趙大銅，現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)，北京：氣象出版社，2002.4，70-74

46、.4 劉繼，論技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性、自洽性、實證性、連續(xù)性、完整性、開放性、可改進(jìn)性以及諸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)間的兼容性、互補性與協(xié)調(diào)一致性兼評防雷、接地、過電壓保護(hù)與絕緣配合、電磁脈沖及電磁兼容方面的IEC標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中的一些問題，工科物理，1999，副刊，112.5 里程編譯 世界防雷技術(shù)的趨勢第26屆國際防雷會議報道 電瓷避雷器 2003 Number5 (Ser1195，3740.6 European Cooperation for Lightning Detection(EUCLID), CELDN-Network: /celdn.html.7 Blitz-Informationsdienst von Siemens,ItS IT PS,karlsruhe Blids):www.blids.de 8sterreichischer Verband Fur Elektrotechnik(OVE),Abt. Aus-Trian Lightning Detection andInformation System(ALDIS),Wien/Osterre