雷电作为干扰源的放电和开关操作

雷电作为干扰源的放电和开关操作

 

下面介绍作为干扰源的雷电放电和开关操作

1大气过电压

作为干扰源，雷电影响建筑物和室内的电气设备与系统。

起源于大气的电涌基本上都是直接/邻近的雷击或远处雷击造成的。在直接雷击情况下，雷直击受保护的建筑物;但在邻近雷击情况下，雷击在与被保护系统直接相连的延伸系统或管线(如管道、数据传输线或输电线)上。雷击架空线则是远处雷击的例子。云间闪电在传输线上产生“反射浪涌”(行波)，而周围区域的雷电则会感应出过电压。

 

1.1 直接雷击和邻近雷击

雷电通道和防雷保护系统的导线上的雷电流的作用:(a)在接地系统的冲击接地电阻上产生电压降;(b)在建筑物内部导线形成的环路上感应出浪涌电压和电流。由于冲击接地电阻上的电压降，分雷电流也会通过作为防雷等电位连接措施相连的电源线泄流。

特别是由于雷击的磁干扰辐射，周围区域的雷击在设备环路上感应浪涌电压和电流。如果雷击架空供电线，在电源进线上就有传导的浪涌电压和电流。由于电磁干扰的辐射，云间闪电在电力线和其他大范围的导线系统上也会产生传导的涌浪电压和电流。

如果精确的分析不可能进行或者太昂贵，电源线上来自被击建筑物的分雷电流可以按 IEC 61312 -1 和 DIN VDE 0185 第 103部分估算。假定50%的雷电流流进建筑物的接地系统，50%均匀地分布于远处接地的供给系统(如管道、电源和通信线)。为简便起见，假定在各供给系统中，分雷电流在各导体上(如电力电缆的L1、L2、L3和PEN，或数据线的四根芯线上)均匀分布。

在DIN V ENV 61024-1(VDE V 0185第100部分)的附录C中，有一个估算通过进线泄放的分雷电流的方法(在雷击防雷保护系统的情况下)。据此，雷电流将在接地系统、外部导体和进线(直接连接或者通过避雷器连接)上分配如下:

各外部导体和导线分担的雷电流取决于外部导体和导线的数量、其等效接地电阻和接地系统的等效接地电阻。

如果电气或者信息系统所用的导线没有屏蔽或者未置于金属管中，则各导体分担的电流为I_t/n'，n'为电气或者信息系统的导线的总数。

1.1.1.冲击接地电阻上的电压降

被击建筑物的冲击接地电阻 R_st上的最大压降 û_E 是按雷电流的最大值i来计算的。

如果已经有效地建立了防雷保护的等电位连接，那么这一电压降 û_E对被保护系统并不危险。目前，国内(指德国，译者注)和国际的防雷保护标准都要求实施综合等电位连接。在综合等电位连接的系统中，所有的导线(进线或出线)都直接，或者通过火花间隙或电涌保护器连接到接地系统。在遭雷击时，整个系统的电位将升高 û_E，但在系统内，不会出现危险的电位差。

1.1.2 金属环中的感应电压

雷电流上升的最大速度(Δi/Δt，在Δt时间内有效)决定了雷电流载流导体周围所有开口或闭合的设备环路中的电磁感应电压的峰值。

在设计防雷保护系统时，可用给出的波头电流平均上升速度的最大值 I/T ₁(在波头时间 T₁内有效)。

在估算设备环路上(如在一座建筑物内)的最大感应方波电压U时，假定该环处于无限长雷电流引下线的附近。

对于一个由无限长雷电流载流导线和设备线(例如，在等电位连接排处与防雷保护系统的引下线相连的电气设备的保护导体)组成的正方形环上的方波电压，可估算。

对于由与无限长雷电流载流导线相绝缘的设备线组成的正方形环，可求方波电压。

除了由于设备布置造成的大金属环内的感应效应以外，在雷电流载流导线的附近，无屏蔽、分层式绞线电缆中的平行导线构成的狭长形导线环上的感应效应也值得注意。线间产生的感应电压称为“横向电压”。这种电压对电子设备特别有害。对于一个由设备线的导线组成的平行于无限长雷电流载流导线的狭长的导线环，可求方波电压。

对于一个由设备线组成，垂直于无限长雷电流载流导线，且相距一定距离的狭长线框，其方波电压

与大环中的高电压值相比，在狭长环中只有大约 100V的感应电压。但记住这是在信息系统线路上的横向电压，其正常运行电压只有1~10V，并且与对电涌很敏感的电子设备相连接。在绞线线路中，特别是在有电磁屏蔽的线路中，感应方波电压比按照上述公式计算出来的值要小得多，这种幅值的横向电压通常并不危险。

如果金属环短接或其绝缘被感应方波电压U击穿，则环中有感应电流i，其值可计算。

由于雷电流上升极快，在雷电通道或雷电流载流导体的附近将会产生快速变化的磁场。建筑物内的这种磁场，在由诸如电源线和信息系统线路、水管和输气管之类的设施线形成的宽“感应环”中，会产生高达 100000V的浪涌电压。

例如，一台连接到电源和数据系统的计算机。数据电缆进人建筑物后即连接到等电位连接排上，然后电缆穿过数据线插座进人计算机。电力电缆也通过避雷器与等电位连接排连接，通过电源插座给计算机供电。由于电源线和数据电缆是各自独立安装的，它们可形成一个面积约为100m²的感应环。该环的开口端在计算机内，环内磁感应产生的浪涌电压作用于此开口端。不仅在直接雷击情况下，而且在邻近雷击情况下，环内也能感应出足以造成设备击穿、有时甚至起火的浪涌电压。

计算机必须“就地”防护这些雷电浪涌，意即在设备本身上防护，或直接在电源与数据插座上防护(5.8.2.3节)。

1.2 远处雷击

在远处雷击情况下，行波电涌沿线路传播，或雷击在被保护系统的附近，从而产生影响被保护系统的电磁场。

19世纪 90 年代大气过电压造成的危害表明，一直到距离雷击点 2km 远处，电子设备对感应或传导的浪涌电压和浪涌电流仍很敏感(2.1 节)。这种大面积的危害是由于连接到延伸至建筑物外的电缆的高科技设备的敏感度越来越高，敏感网络的应用越来越广泛造成的。

随着技术的发展，连接设备的数据传输线的最大允许长度迅速地延长。例如，V2.4/V2.8接口(电子数据处理技术刚出现时用的)说明线路驱动器的电特性允许电缆直接连接的长度约可达15m。而现在市场上可买到的线路驱动器和接口允许直接连接的双芯绞线电缆的长度可达约 1000m。

分雷电流在电缆中流动时，将会产生纵向与横向电压。芯线和电缆的金属屏蔽层之间产生的纵向电压 u₁施加在所连接的设备的输入端与接地外壳之间的绝缘上。横向电压 u_q出现在芯线之间，给所连接的设备的输人电路施压。如果分雷电流i₂已知，那么纵向电压可根据电缆的耦合阻抗 R计算。

1.3 浪涌电流在信号线上的耦合

下述例子说明浪涌电流如何通过阻性耦合、感性耦合或容性耦合耦合到延伸系统的信号线上。例如考虑建筑物1内的设备1和建筑物2内的设备2的布置。两设备之间通过信号线连接。此外，假定两台设备都通过保护接地线(PE)连接到各自建筑物内的等电位连接排(PAS)上。

1.3.1 阻性耦合

雷击建筑物 1，在接地电阻 R_A1上产生约100kV的电位差。该幅值的电压足以闪络设备1和设备2的绝缘距离，这样阻性交叉耦合浪涌电流从 PAS1 通过设备1，沿着信号线流到设备 2、PAS2 和 R_A2。该浪涌电流的幅值(其峰值可达数 kA)取决于欧姆电阻 R_A1和 R_A2的相对值。

1.3.2 感性耦合

如前所述，金属环内通过雷电通道或雷电流载流导线的感应场而感应电压。

例如设备1和设备2之间的两芯信号线形成一个感应环。如果雷击建筑物1，该环内将感应数千伏的横向电压，产生可高达数千安的耦合电流。这些感应电压和电流施加于设备的输入端或输出端。

另一种可能发生感性耦合的例子。信号线与地形成感应环。如果雷击建筑物1，该环上感应出很高的电压(约10kV)，导致设备1和设备2的绝缘闪络，产生数千安的耦合电流。

1.3.3 容性耦合

如果雷击大地或接闪器，由于接地极电阻 R_A上的电位差，雷电通道或接闪器将升至很高电压(约100kv，与其周围相比)。

设备1与设备2之间的信号线与这种雷电通道或接闪器容性耦合。耦合电容被充电，引起“注人”电流(约10A)，通过设备1和设备2的绝缘流人大地。

1.4 大气过电压的幅值

远处雷击最初引起约 10kV的电涌，产生的电流在数值上相对较小。但直接雷击的雷电流要大得多，幅值更高:电流 200kA(I级保护等级)，并可出现数百千伏的电压峰值。

低压设备通常只能耐受数千伏的冲击击穿电压，因此易受远处雷击产生的数十千伏或直接雷击产生的100kV过电压的威胁，甚至被破坏。一些电子设备的耐受电压可能低至10V。所以，大气放电引起的电压值比包含电子设备的低电压系统的可耐受电压要高 100~10000 倍。

因此，这些高幅值的过电压必须通过保护措施或电涌保护器降低到明显低于允许的冲击击穿电压/冲击闪络电压的值。为可靠保护起见，甚至在直接雷击的情况下，电涌保护器也必须要能够释放很高的分雷电流而不被损坏。

2 操作过电压

电网的操作过电压也能影响低电压系统和二次系统，尤其是存在容性耦合时。在有些情况下，这种操作过电压的值能超过15kV。这些操作过电压的起因如下:

(a)切除空载电力线路(或电容器)。当开关打开时，电源电压瞬时值的变化使得系统和被切除的线路之间出现高电位差。这种在数毫秒之内就建立起来的电位差能在开关的触头之间引起重燃，就像触头再次合上。线路电压随即和电源电压的瞬时值相等，开关触头之间的电弧熄灭。该过程可反复出现多次。这种线路电压和一定的电源电压的瞬时值相等的过程所产生的操作过电压具有按几百千赫兹衰减振荡的特征。这种操作过电压的初始幅值与重燃时刻开关触头之间的电位差有关，该幅值可以是额定电源电压的数倍。

 (b)切除空载变压器。如果在电网中切除空载变压器，则磁场的能量被加载到其自身电容上。于是电感一电容电路就振荡起来，直至全部能量都通过电路中的电阻转换为热能，所引起的操作过电压的幅值可达额定电源电压的数倍。

(c)不接地电网中的接地故障。如果不接地电网的外部线路发生接地故障，那么整个系统的对地电位将会因接地相的电压变化而改变。如果接地故障电弧熄灭，其影响类似于切除空载线路或电容器:产生了操作过电压并伴随着衰减震荡。

除了上述特性的电网操作过电压以容性耦合的方式影响低电压系统之外，电流的快速变化也能通过感性耦合在低电压系统中产生电涌。这种电流的突然变化可能是投切重负荷引起的，也可能是短路、接地故障或重复接地故障引起的。

由于下述原因，低压系统内部本身也可能产生操作过电压：

·切除与电源并联的电感，如变压器、接触器和继电器的线圈或电抗器(在这种情况下，操作过电压的产生和上述切除空载电力变压器的情况相类似)。

·在电流回路的串联臂中切除电感，如导线环、串联电感或导线本身的电感(在电路被断开时，电感上的电流不能突变，产生的操作过电压的幅值取决于断开时刻的电流值)。

·通过开关人为切断电路，或者熔丝或断路器误跳引起非人为的开断，或者电流自然过零前导线断裂引起的非人为开断(诸如此类的开断造成电流的急剧变化而产生的操作过电压，通常是衰减震荡的，幅值是系统正常电压的数倍)。

·相位控制电路、电刷集电系统的换向效应，电机和变压器突然卸载等。

在各种低电压网络上的大量测量表明，最值得注意的电涌是由开关中产生的电弧的干扰辐射引起的。

电力系统操作产生的电磁干扰通常比雷电干扰更频繁。

对于宽带传导干扰，在 EMC标准中，对高能量脉冲和低能量脉冲或不同类型的开关操作脉冲是区别对待的。开关干扰可能产生于建筑物外，通过电力线路进入，也可能在建筑物内部产生。这两种干扰既可以像雷电干扰那样被看成是浪涌电压干扰和浪涌电流干扰的组合，也可以被看成是外加浪涌电压。

开关过程的宽带高能量传导干扰和建筑物内的传导雷电干扰可以同等对待(布置适当的防雷保护等电位连接)。因此，VG标准按环境类型规定相应的干扰峰值。

DIN VDE 0160标准规定了开断过程或过电流保护元件引起的外加浪涌电压。0.1/1.3ms(0.1ms 上升速度，波头时间约0.15ms)、峰值为u_peak的浪涌电压叠加在交流电压的峰值u_N/max上。

宽带低能量操作电压干扰(即脉冲群)在 DIN VDE 0847 第4 -4 部分中规定。波形为 5/50ns(5ns 上升速度，波头时间约7.4ns)，幅值与试验严酷程度有关，以脉冲包的方式通过耦合电容施加到电力线和通信线上。

除了传导干扰，操作过程本身也造成可观的干扰辐射(例如，开关断开时产生的电弧)，感应出更多的传导干扰。