建筑物電源線路雷電波侵入防護

建筑物電源線路雷電波侵入防護雷電防護理論都是在一定的物理條件下成立，科技的發(fā)展正在改變著我們身邊的物理條件，使防雷理論的發(fā)展可分為機械時代、電氣時代和電子信息時代三大時期。雷害問題從過去的以直擊雷的形式擊毀地上的人和物為主發(fā)展成為以通過金屬線傳輸?shù)睦纂姴橹?；其防雷方法由簡單的避雷針、避雷帶防護轉變?yōu)锳DBSGP方法。雷電波侵入是指直擊雷或感應雷從輸電線、通信電纜、無線電天線等金屬的引入線引入建筑物內(nèi)，發(fā)生閃擊而造成的雷擊事故。這種事故的發(fā)生率很高，而且往往事故嚴重。美國能源部系統(tǒng)在1990-1998年期間由于雷電引起事故高達461起，其中電源線路過電壓造成的物理性裝備損失約占80%左右，計算機安全部門在1998年內(nèi)，雷電波侵入使10萬臺計算機受損，價值1.2億美元；1996年6月6日，重慶市農(nóng)業(yè)銀行大廈的計算機網(wǎng)絡設備因雷擊損失107萬元，其下屬的信托證券公司證券部通信網(wǎng)絡中斷數(shù)小時，引起股民恐慌；1999年8月20日，萬盛電信局遭雷擊，由于雷電波侵入造成該區(qū)電信設備損壞，95%以上電話（1.1萬余門）中斷信號，經(jīng)濟損失高達250萬元；2000年8月11日，石坪橋衛(wèi)星發(fā)送臺遭雷擊，致使全市95%尋呼臺陷入癱瘓；2002年3月12日和5月23日，渝北區(qū)雙鳳加油站兩次遭雷擊，均是雷電波從電源線引入造成加油機被雷擊壞：因此，研究雷電波侵入及防護非常有必要。1雷電波侵入及危害1.1雷電波侵入的方式雷電波侵入的方式通常有三種：其一是直擊雷擊中金屬導線，讓高壓雷電波以波的形式沿著導線兩邊傳播而引入室內(nèi)；第二種是來自感應雷的高電壓脈沖，即由于雷云對大地放電或雷云之間迅速放電形成的靜電感應和電磁感應，他們在各種電線中感應出幾kV到幾十kV的高電位，以波的形式沿著導線傳播而引入室內(nèi)的；第三種是由于直擊雷在房子或房子附近入地，因其通過地網(wǎng)入地時，在地網(wǎng)上會發(fā)生數(shù)十千伏到數(shù)百千伏的高電位，這高電位通過電力線的零線、保安接地線和通信系統(tǒng)的地線，也是以波的形式傳入室內(nèi)，并沿著導線傳播到別處，殃及更大范圍。其示意圖如圖1、圖2所示。2雷電波侵入的危害1直擊雷（雷電直擊）的雷電波侵入危害所謂直擊雷，是指雷電直接擊中了架空電線或埋地電纜，雷電流以1/20?1/2的光速以波的形式向線路兩端移動，對電力設備及用電設施構成危害。雷擊時電流高達幾十千安，最高達200-300kA,一般在20?40kA,其時間甚短，一般僅為10?100s。雷擊架空線路導線產(chǎn)生的直擊雷過電壓：US:雷擊點過電壓最大值；I:雷電流幅值。實踐證明，在埋有電纜的地方，沿電纜埋設的線路落雷率要比其他地方落雷率高，在土壤電阻率高的地方尤其明顯，這是由于在土壤中埋下一條電纜就相當于土壤中有一條土壤電阻率特別低的帶，即在土壤電阻率高的地方，如果中間存在一塊低土壤電阻率的地區(qū)，該地區(qū)受雷擊率特別高，這便是雷電直擊電纜的原因。據(jù)有關資料報道，雷電直擊點的地面會出現(xiàn)大的孔洞，洞深可直達電纜。1.2.2雷電反擊當雷電擊中電纜附近大地時，落雷點的電位顯著升高，而電纜延伸至很遠，其遠端電位可視為零，所以雷擊點附近的電纜電位也幾乎為零,這樣一來，落雷點與電纜之間便出現(xiàn)極大的電位差。如果這一電位差超過了雷擊點與電纜間的土壤耐壓強度所無法承受的程度時，便擊穿土壤，形成了從雷擊點到電纜的電弧通道，大量雷電流涌向電纜。這種雷擊，損害程度與雷電直擊電纜相當，同樣會造成電纜嚴重破壞。1.2.3感應過電壓的雷電波侵入危害（1）架空線路的雷電感應過電壓雷云在起電、移動和先導放電的過程中，對架空線會產(chǎn)生靜電感應，使之產(chǎn)生異號靜電位，一旦雷云對地放電導線中的束縛電荷成為自由電荷，以沖擊波的形式對稱地向線路兩端移動，電荷移動所形成的電流（I）乘以導線的波阻（Z）,即為雷電感應電壓。架空線路(無屏蔽)雷電感應過電壓幅值，可用下列公式表示：ug=25式中：Ug為感應過電壓幅值；I為雷電流幅值；hd為導線距地高度；S為雷擊點與導線垂直距離。根據(jù)南非郵電部CF博伊斯《電信系統(tǒng)的保護》論文資料可知，即使雷云沒有放電，僅在雷云起電和移動過程中，也能在絕緣良好的短電話線路上產(chǎn)生10?20kV的感應過電壓。產(chǎn)生相距大約為25?3000m的對地雷擊，一般將在架空電話線路中感應出高于1000V的過電壓，這必將產(chǎn)生相當大的危害；(2)地下電纜的雷電感應過電壓除了直接向電纜流入雷電流以外；由于云間放電，通過電磁感應，也能在電纜上誘發(fā)感應電壓和電流。如果放電通道與電纜線路相平行，由于電磁感應，將使電纜的導體產(chǎn)生一定的縱向電動勢，并隨之流過一定的電流。實際上電纜上的過電壓沖擊，絕大多數(shù)是感應產(chǎn)生的。但因其能量一般較小、電壓低、電流弱，通常很少對電纜本身造成危害，只能對電纜相連接端機或增音機構成危害。地下電纜的雷電感應過電壓與雷擊點入地雷電流幅值、雷擊土壤電阻率，電纜與雷擊點的距離、電纜掩埋深度、電纜屏蔽及其接地狀況等因素有關。感應過電壓分為靜電感應和電磁感應兩部分，對于輸電線路來講，其過電壓以靜電感應為主。國內(nèi)外實驗表明，若有5kA雷電流流入接地網(wǎng)，在其附近5-10m遠的無屏蔽電纜上將感應5?7.5kV的過電壓。但電纜有金屬護套，并且兩端做良好接地，則感應過電壓幅值將在250-750V之間。2雷電波侵入防護2.1電源線路進線方式電源線路進入建筑物通常有兩種方式：架空線路或埋地引入。為了防止或減少雷電波的侵入，室外電源線路宜全線埋地敷設或距建筑物15m處采用鎧裝電纜段或無鎧裝電纜穿鋼管埋地引入，進入建筑物內(nèi)總配電箱或電源配電柜，然后分線進入用戶。2.2電源線路的接地與等電位連接電源供電系統(tǒng)通常采用TN—C—S系統(tǒng)，在電源進線點進行總等電位聯(lián)結（MEB）。另外，電纜外導體對內(nèi)導體有靜電屏蔽作用，電纜的外導體同內(nèi)導體形成電容很容易將芯線上高頻性質的感應電荷泄放入地，可一定程度限制較低的感應雷電波侵入。這就要求將電纜金屬外皮、鋼管等在進出建筑物處同電氣設備的接地極相連。這種方式將極大減少高電位引入的威脅。在電纜進用出戶處將電纜外皮及保護鋼管與電氣設備接地極連接，在轉換處應裝設低壓配電線路適用的避雷器，另要將避雷器、電纜金屬外皮、絕緣子鐵腳、金具連在一起接地建筑物防直擊雷接地極同電氣接地極共同泄放直擊雷電流時，會出現(xiàn)接地極上雷電流經(jīng)電阻耦合的高電位引入情況，這就需要在線路進戶處必須裝設一組避雷器，將高電位鉗制在安全值。對保護耐壓較低的家電產(chǎn)