0　前言 　　隨著科技的發(fā)展，先進(jìn)電子設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛：電子醫(yī)療診斷系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、工業(yè)自動化集成控制系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等等。這些功能越來越強(qiáng)大的敏感電子設(shè)備的工作電壓卻在不斷降低，因而瞬態(tài)過壓—特別是雷電形成的瞬態(tài)過壓對它們造成損害的可能性大大增加。 [b]1　瞬態(tài)過壓和雷電 [/b]　　1．1　瞬態(tài)過壓 　　所謂瞬態(tài)過壓是指微秒至毫微秒之內(nèi)產(chǎn)生的尖峰沖擊電壓，如圖1： 　　這種尖峰沖擊電壓有別于一般電源上所謂過電壓，因一般電源過電壓可能維持?jǐn)?shù)秒以上，過壓幅值較小，而這種尖峰沖擊電壓幅值有時會非常高，既可能發(fā)生在電源系統(tǒng)中，也可能發(fā)生在信號系統(tǒng)中。 　　瞬態(tài)過壓現(xiàn)象的發(fā)生與整個自然界和人為的電氣系統(tǒng)的設(shè)備操作有關(guān)，自然界的雷電、極光、電暈、靜電、輻射和電離，都可能導(dǎo)致瞬態(tài)過壓。在各種不同類型的瞬態(tài)現(xiàn)象中，雷電和開關(guān)轉(zhuǎn)換沖擊是最普遍的低壓系統(tǒng)事故根源。瞬態(tài)過壓進(jìn)入低壓電子系統(tǒng)的時候，能使電子電路產(chǎn)生故障或損壞。據(jù)據(jù)守估計，電子設(shè)備發(fā)生的誤動作，平均有一半是瞬態(tài)過壓造成的，損失難以估量。 　　因此，在當(dāng)今電子化時代，雷電和瞬態(tài)過壓成了一大公害，它造成的損失可分為4個層次： 　　每次沖擊造成電子設(shè)備元器件的損傷，使其工作壽命縮短； 　　多次沖擊后導(dǎo)致設(shè)備損壞，而更換和維護(hù)設(shè)備需要人力、物力； 　　因設(shè)備故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)停頓造成各類損失。例如郵電通信的GSM基站因雷擊故障后，本基站覆蓋范圍內(nèi)移動通話收入的減少； 　　因業(yè)務(wù)突然停頓造成的信譽(yù)等不可估量的間接損失，如用戶打不通手機(jī)，對電信部門服務(wù)質(zhì)量的抱怨（不能保證通信順暢）。 　　1．2　開關(guān)切換造成的瞬態(tài)過壓 　　導(dǎo)體上有電流流動時，就會產(chǎn)生磁場把能量存儲起來，電流越大及導(dǎo)線越長，儲能就越多。所以，當(dāng)電力傳輸線中斷和大負(fù)載切換時，在線路上能測到高達(dá)3500V的瞬態(tài)電壓。 　　1．3　雷電造成的瞬態(tài)過壓 　　一次雷電閃擊過程一般由3部分沖擊電流組成：第一部分是10μs內(nèi)從0上升到100kA；第二部分是第一部分開始后半部5ms內(nèi)達(dá)到2kA，總電荷超過20C；而第三部分是在兩秒內(nèi)達(dá)到200C。因此，雷擊的要害是功率大、能量小、電流大和快速的電流變化。 　　根據(jù)IEC1312－1（02．95）的定義，供分析用的一次閃擊由下列雷擊組成： 　?。粋€正或負(fù)極性的首次雷擊 　?。粋€負(fù)極性的后續(xù)雷擊（首次以后的雷擊） 　?。粋€正或負(fù)極性的長時間雷擊 　　首次雷擊10／350μs（參見圖2）和后續(xù)雷擊0．25／100μs電流波形的數(shù)學(xué)表達(dá)為i＝（I／h）｛（t／τ1）10／［1＋（t／τ）10］｝exp（－t／τ2）………………（1） 　　（1）式中： 　　I———峰值電流；A 　　h———峰值電流的修正系數(shù)； 　　t———時間；S 　　τ1———波頭時間常數(shù)；τ2———波尾時間常數(shù)。 　　我們可以按雷電沖擊侵入設(shè)備的不同形式將雷擊分為直擊雷和感應(yīng)雷。 　　設(shè)備或線路遭到直接雷擊，全部雷電流都可能經(jīng)過這些設(shè)備或線路再入地導(dǎo)走，這種情況稱為直擊雷。由于落雷的設(shè)備或線路上可能承載巨大的雷電流的沖擊，因此直擊雷造成的破壞性極大。感應(yīng)雷分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。雷電形成時，雷雨云底部集中了單極性電荷（如負(fù)電荷），由于對地電場的作用，雷雨云下部的大地感應(yīng)出相應(yīng)的正電荷，這就形成了靜電感應(yīng)電場。當(dāng)雷擊放電發(fā)生時，雷云和大地之間的電場消失，但雷電在周圍空間形成很強(qiáng)的電磁場。由于電磁感應(yīng)，在被保護(hù)物上會產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，其過電壓幅值與雷電流幅值成正比，與雷擊點距離成反比。雷電磁場達(dá)到0．07高斯和2．4高斯時會導(dǎo)致微電子設(shè)備失靈和損壞，這相當(dāng)于100kA的雷電流流過避雷針時，距離避雷針2．8km及80m處的磁場。一般來說建筑物內(nèi)的電子設(shè)備和避雷針的距離要比這個距離小得多。同時也意味著在雷擊中心2．8km的范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生危險過電壓。下面介紹雷擊對低壓系統(tǒng)的幾種耦合侵入方式并通過實例加以說明： 　　1．3．1　電阻耦合過電壓，見圖3（如由屏蔽層電阻或接地電阻引起的耦合） 　　雷擊a處時，雷電流入地產(chǎn)生的泄放電流和電壓降，在a處和b處之間產(chǎn)生電位差E。由于建筑物b端的電纜屏蔽層沒接地，在電纜屏蔽層和建筑物b的接地系統(tǒng)間會出現(xiàn)電位差△V?！鱒的一部分以共態(tài)電壓△V1的形式加在等效負(fù)載Zb和建筑物b的接地系統(tǒng)間。 　　1997年7月，南昌向塘機(jī)場塔臺遭受雷擊，部分計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)損壞，塔臺內(nèi)的自動轉(zhuǎn)報通信接口正常。機(jī)場通信站距離塔臺較遠(yuǎn)，通信站內(nèi)除與塔臺的自動轉(zhuǎn)報通信電纜相連的接口板損壞外，其余眾多通信電子設(shè)備均正常。通信站與塔臺之間的通信電纜是全部埋地鋪設(shè)的。經(jīng)過仔細(xì)分析事故原因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)從塔臺來的通信電纜進(jìn)入通信站內(nèi)上配線架時，電纜的屏蔽層沒有接地，導(dǎo)致對應(yīng)的通信接口板損壞。這是雷擊透過電阻耦合過電壓經(jīng)屏蔽層破壞設(shè)備的典型例子。 　　我們也可導(dǎo)出雷擊時電纜屏蔽層兩端都接地情況下的反擊過電壓，見圖4。 　 　　反擊過電壓，是指雷擊時設(shè)備的接地點電位升高，使設(shè)備的接地外殼與設(shè)備的導(dǎo)電部分之間產(chǎn)生可能使設(shè)備損壞的高電壓。 　　圖4表示雷擊在a處時，建筑物b處的設(shè)備負(fù)載Zb上的反擊過電壓： 　　Vf＝i2R2－i2（R1＋Zb）－dφ／dt＝i2R2－i1（R1＋Zb）－L1di1／dt…………………………………（2） 　?。?）式中： i1———電纜內(nèi)芯的沖擊電流；i2———電纜屏蔽層的沖擊電流；φ———電纜內(nèi)芯和電纜屏蔽層回路的磁通量；R1———電纜內(nèi)芯的電阻；R2———電纜屏蔽層的電阻；Zb———建筑物b處的設(shè)備負(fù)載阻抗；L1———電纜芯線電感。 　　可以通過使i1和i2分別等于零，得到電纜兩端屏蔽層分別開路時加在建筑物b處的設(shè)備負(fù)載Zb上的反擊過電壓。 　　1．3．2　電容耦合過電壓 　　由于雷電形成過程中的靜電場的作用，電荷便積聚在電場中所有的導(dǎo)電物體上。雷擊終止后，靜電場消失，電荷的重新分布便形成物體內(nèi)部及阻抗上的電流，由此產(chǎn)生壓降導(dǎo)致過電壓。 　　1．3．3　電感耦合過電壓 　　雷電沖擊電流流經(jīng)導(dǎo)線時，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生的磁場，會在相鄰的各類傳輸線內(nèi)感應(yīng)出一個過電壓。 　　1996年4月江西省電力調(diào)通局大樓北面相距16m左右的84 m高的微波塔上落雷，大樓中靠北面有一個電纜溝，其中有屏蔽的信號電纜相連的設(shè)備安然無恙，唯有一根從八樓計算機(jī)房通過這個電纜溝引到十樓調(diào)度室終端的RS232通信線沒有屏蔽，信號線兩端（八樓主機(jī)和十樓終端）的RS232接口損壞。從事故情況分析，由于微波塔落雷，雷電流沿幾乎垂直的塔材（角鋼）向地泄放時，產(chǎn)生水平方向磁場，感應(yīng)到樓內(nèi)與塔材平行的信號線上，導(dǎo)致RS232接口損壞，見圖5： 　　同理，當(dāng)雷擊建筑物的避雷針，雷電流沿避雷引下線下泄時，可能感應(yīng)到室內(nèi)的傳輸線上。 [b]2　雷電和瞬態(tài)過壓的綜合防護(hù) [/b]　　2．1　防雷保護(hù)區(qū) 　　IEC標(biāo)準(zhǔn)將需要保護(hù)的空間劃分為不同的防雷區(qū)：Z0A區(qū)———本區(qū)內(nèi)物體都可能遭到直接雷區(qū)；Z0B區(qū)———本區(qū)內(nèi)物體不可能遭到直接雷擊，但區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減；　　Z1區(qū)———本區(qū)內(nèi)物質(zhì)不可能遭到直接雷擊，區(qū)內(nèi)電磁場有可能衰減，衰減程度取決于屏蔽措施。 　　在實際應(yīng)用中，我們一般簡單地將防雷分為外部防雷和內(nèi)部防雷。 　　2．2　外部防雷系統(tǒng) 　　外部防雷系統(tǒng)由避雷針（或避雷帶、避雷網(wǎng)）、引下線和接地系統(tǒng)構(gòu)成。主要作用是為了保護(hù)建筑物免受雷擊，通過避雷針為雷電流提供快速可靠的泄放入地途徑。如果雷擊在沒有可靠泄放入地通道的物體上，雷電流的高壓效應(yīng)、高熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、反擊等均會產(chǎn)生極大的破壞力。 　　2．2．1　避雷針（或避雷帶、避雷網(wǎng)）的保護(hù)范圍 　　研究表明，雷電的先驅(qū)尖端離地面高度甚至幾十米，其前進(jìn)方向依然可能不受地上和地下特征的影響。具體高度視雷電強(qiáng)度而定。特別是低強(qiáng)度放電對地走向是不穩(wěn)定的，可能以一個角度接近建筑物。這說明傳統(tǒng)的避雷針“保護(hù)角”是不可靠的。因此，GB50057－94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)程》不再沿用避雷針的“保護(hù)角”概念，而是根據(jù)IEC1024－1提法，在設(shè)計接閃器時，可單獨或任意組合采用滾球法和避雷網(wǎng)格來計算避雷針（或避雷帶、避雷網(wǎng)）的保護(hù)范圍。滾球半徑參見規(guī)范中的104頁。 　　我們在實踐中對貴冶623線路防雷改造上全面采用了“球切法”來計算避雷針的保護(hù)范圍。貴冶623線路的電壓等級6kV，全長5km，沿線是水田和丘陵。該線經(jīng)常遭受嚴(yán)重雷害：瓷瓶炸飛，線路擊斷，變壓器被擊壞，雷電竄入低壓系統(tǒng)。我們選用的方案是在每基電桿上裝V型避雷針（避雷針基座已獲國家專利），針長和角度均經(jīng)過仔細(xì)計算。 　　從圖6、圖7的不同角度可以看出V型避雷針都能有效保護(hù)輸電線不受直擊雷。當(dāng)雷云降低高度并且以一個角度從側(cè)面接近線路時，V型避雷針也能有效保護(hù)輸電線不受直擊雷。自1995年底貴冶623線路采用V型避雷針進(jìn)行防雷改造，自1996年初改造完成并投入運(yùn)行以來，取得了比較滿意的防雷效果。 　　對于塔高大于60m或高山上的微波站，筆者提出一種微波（通信）天線防直擊雷的避雷方法———由塔頂避雷裝置和水平針或塔周圍的獨立避雷針組成。它們的具體尺寸和保護(hù)范圍要根據(jù)實際情況用“球切法”計算出來。塔頂避雷裝置和水平針可由符合接閃要求的鋼材組成，造價低廉，見圖8。 　　總之，筆者認(rèn)為在防雷實踐中應(yīng)緊扣防雷規(guī)范，并結(jié)合被保護(hù)物的現(xiàn)場實際情況靈活、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)丶右詰?yīng)用。 [img=457,344]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/jxdl/2000-3/26-8.jpg[/img] 　　2．2．2　避雷引下線 　　常規(guī)的避雷引下線是具有一定截面積的元鋼、角鋼、和多股銅芯線等。雷電沖擊電流流經(jīng)避雷引下線時，引下線周圍會產(chǎn)生強(qiáng)磁場。因此，對低壓系統(tǒng)而言，上述類型的引下線都不十分理想。 　　靜電場同軸電纜大大克服了常規(guī)引下線的缺點，它可改變瞬態(tài)響應(yīng)，其特性阻抗只有銅芯線的四分之一，沖擊阻抗小于鐵塔阻抗的十分之一。這種電纜的內(nèi)、外導(dǎo)體之間的電容較大，降低了它的阻抗，并且使電纜截面上的電壓降小到絕緣介質(zhì)能夠承受的水平。雷電放電電流通過同軸引下線的內(nèi)導(dǎo)體入地時，接地的外屏蔽層對內(nèi)導(dǎo)體起屏蔽作用，防止引下線與建筑物之間存在很高的電壓以及引下線周圍的強(qiáng)磁場對建筑物內(nèi)低壓系統(tǒng)的感應(yīng)。 　　因此，靜電場同軸電纜能夠安全地將雷電流從通信塔或高層建筑上引導(dǎo)入地。 　　2．2．3　接地系統(tǒng) 　　外部防雷接地主要是為了在雷擊的情況下，快速、安全地將雷電流導(dǎo)入大地。 　　低壓系統(tǒng)的防雷接地，其概念不僅僅是外部防雷地，還涵蓋了直流工作地、交流工作地、保護(hù)地等接地概念?，F(xiàn)代的接地系統(tǒng)，應(yīng)盡可能是低阻抗的，以對雷擊和瞬態(tài)過壓提供防護(hù)，以及抑制通信電子系統(tǒng)的噪聲。 　　接地方式，應(yīng)按單點的原理設(shè)計，即直流工作地、交流工作地、保護(hù)接地和防雷接地等四種接地宜共用一組接地裝置的聯(lián)合接地方式，這是目前國際、國內(nèi)各種防雷規(guī)范所共同推薦的。 　　接地技術(shù)本身不是一門精密的學(xué)科，在實際應(yīng)用中不可生搬硬套。在地電阻率很高的地區(qū)，如在高山微波站和高山電視臺，采用等電位的措施比絕對的把系統(tǒng)的接地電阻降下來要來得經(jīng)濟(jì)有效。江西704電視臺坐落在井岡山黃洋界1400 m的山頂上，植被僅0．4m左右厚，下面全是巖石，地勢險峻，雷害嚴(yán)重。在這個臺的防雷改造工程中，我們將絕對地阻降到一定水平后，考慮到在僅靠過分延長接地體和增大地網(wǎng)面積來繼續(xù)降低接地電阻，對于抗雷電沖擊效果并不好，另外電視臺拮據(jù)的接地經(jīng)費(fèi)也不允許增加工程量，于是我們采取了嚴(yán)格的等電位措施，并在實際運(yùn)行中取得很好的效果。 　　所謂聯(lián)合接地方式也不是絕對的。首先，一般對建筑物及其內(nèi)部系統(tǒng)本應(yīng)聯(lián)合共地，但有些設(shè)備廠家卻強(qiáng)調(diào)其設(shè)備的工作地必須獨立接地，原因估計有兩個：一是擔(dān)心大樓其它接地不可靠；二是擔(dān)心漏電流工頻干擾信號竄入。其次，特殊的發(fā)射設(shè)備如機(jī)場的指點信標(biāo)機(jī)，其工作地是作為輔助發(fā)射電極，因此必須獨立接地。再者，野外分散布置并且雷電較強(qiáng)地區(qū)，如昌北機(jī)場跑道旁的各氣象設(shè)備的防雷，可設(shè)置獨立避雷針。獨立避雷地網(wǎng)和設(shè)備的工作地網(wǎng)要保持一定距離。對同一系統(tǒng)的獨立地網(wǎng)之間可用地網(wǎng)連接器相接（如德國OBO公司的GAP－480D），兩個地網(wǎng)平時處于隔離狀態(tài)，雷擊時，當(dāng)它們之間的電位差超過1000V時，地網(wǎng)連接器自動導(dǎo)通，以平衡兩個地網(wǎng)的電位。 　　2．3　內(nèi)部防雷系統(tǒng) 　　內(nèi)部防雷系統(tǒng)包括屏蔽、等電位、限幅、金屬導(dǎo)體的路由布置、接地等措施。在一個完善的內(nèi)部防雷系統(tǒng)中，這些措施是不可或缺的，它們從各方面對產(chǎn)生瞬態(tài)過壓的耦合機(jī)制起防護(hù)作用。限于篇幅，下面談一談現(xiàn)代低壓電源主要的限幅設(shè)備———瞬態(tài)過壓保護(hù)器（又稱浪涌抑制器，簡稱電源防雷器）： 　　3．3．1　電源防雷器 　　電源防雷器的主要作用，是在雷電波的沖擊到來時瞬間足夠快地將其導(dǎo)入接地體，并且使防雷器之后線路上的殘壓降低到能夠保護(hù)設(shè)備的安全。 　　電源防雷器的性能決定了其作用。通流量、箝位電壓、響應(yīng)時間是電源防雷器的三項主要性能指標(biāo)。要弄清這些指標(biāo)的含義需要一些比較深入的知識。防雷器的主要工作原理，是通過將瞬間雷電波鉗位于安全電壓來達(dá)到保護(hù)電器設(shè)備免遭雷擊，這里面涉及一個來雷大小的問題，國際標(biāo)準(zhǔn)測試指標(biāo)一般是10kA、8／20us（圖2）的雷電沖擊波。而在實際應(yīng)用中，雷電流的沖擊可達(dá)幾十至上百kA，這時候要從兩方面來衡量防雷器的性能。一方面防雷器的最大耐沖擊電流能否滿足要求，如果防雷器的最大耐沖擊電流小于實際進(jìn)入線路的雷電的沖擊電流，則防雷器本身會被損壞，我們在撫州708電視臺（山頂上）的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)耐沖擊電流較小的雷地通在成功保護(hù)了設(shè)備的同時，本身被雷電流擊壞，后來換上德國OBO的V25（初級）和V20（次級），經(jīng)過了一些大的雷擊考驗，受保護(hù)的設(shè)備和防雷器本身均安然無恙。因為V25的最大耐沖擊電流可達(dá)100kA。另一方面來說，國際上較先進(jìn)的防雷器鉗位電壓的能力與雷電來波的轉(zhuǎn)換比是1：3，雖然在標(biāo)準(zhǔn)測試電流10kA、8／20us的沖擊下，防雷器的殘壓可能滿足安全要求，但是實際來波往往大于這個測試指標(biāo)，比如在雷電流達(dá)到20kA、50kA的情況下，防雷器出線側(cè)的殘壓就可能會大于設(shè)備的安全保護(hù)電壓。在這里的分級保護(hù)概念無疑是一個最好的解決方案，舉例說假如來波是50kA、8／20us時，可以肯定所有的同類防雷器（假設(shè)防雷器的最大耐沖擊電流大于50kA）殘壓會在1500V以上（通訊設(shè)備輸入電壓模塊一般承受瞬間沖擊電壓可達(dá)1000V），就會導(dǎo)致受保護(hù)設(shè)備的損壞。這時就應(yīng)再加裝第二級防雷器將第一級的殘壓再次鉗位轉(zhuǎn)換至安全電壓范圍。 　　據(jù)統(tǒng)計電子設(shè)備所受雷害的80％是由雷電波侵入電源部分引起的，因此電源防雷器選型相當(dāng)重要。目前，國內(nèi)市場上380V低壓電源防雷器（包括進(jìn)口和國產(chǎn)的）不下幾十種。但專業(yè)高檔的低壓防雷器真正在國內(nèi)較廣泛的應(yīng)用也只是近幾年的事。我們從1993年起為遭受過嚴(yán)重雷擊的單位根據(jù)不同的條件選用了性能指標(biāo)優(yōu)良的美國的力博特、英國的雷地通、德國的OBO和中美合資愛勞的電源防雷器，經(jīng)過幾年的考驗，均取得了十分理想的效果。同時，也使我們獲得了這些防雷器應(yīng)用的一手資料。 　　防雷器的標(biāo)準(zhǔn)在ANSI／IEEE、UL、IEC、CCITT、FCC、CSA、DIN、NEC等國際標(biāo)準(zhǔn)中分別都有相應(yīng)的規(guī)定。 　　國內(nèi)權(quán)威的低壓防雷器測試機(jī)構(gòu)分別是：原郵電部電信總局通信防護(hù)技術(shù)維護(hù)支援中心；原郵電部通信產(chǎn)品防護(hù)性能監(jiān)督檢驗測試中心；中國鐵路通信信號總公司沈陽雷電防護(hù)試驗站；電子工業(yè)安全與電磁兼容檢測中心；電力部電力科學(xué)院等。 　　這些測試機(jī)構(gòu)尤其是郵電部測試機(jī)構(gòu)提供的檢測報告可為電源防雷器主要性能指標(biāo)提供可靠的、值得信賴的依據(jù)。 　　只要電源系統(tǒng)嚴(yán)格規(guī)范實施，加上性能優(yōu)越的電源防雷器，可以將來自電源的瞬態(tài)過壓（雷電、電網(wǎng)設(shè)備切換等形成的）對低壓系統(tǒng)造成的危害降低到接近于零。 [b]4　前景 [/b]　　對現(xiàn)代低壓系統(tǒng)來說，防雷和瞬態(tài)過壓的防護(hù)已經(jīng)擺到相當(dāng)重要的位置。綜合防雷工程的實施可為低壓系統(tǒng)的安全提供全面的保護(hù)，筆者經(jīng)歷的大量的防雷工程實踐已成功地證明了這一點。 [b]參考文獻(xiàn)： [/b]　?。?］［美］G．夏里克著，侯景韓譯．《接地工程》人民郵電出版社，1988． 　?。?］曾永林．《接地技術(shù)》，水利電力出版社，1979． 　?。?］《雷電電磁脈沖的防護(hù)》IEC－1312－1（1995．2），IEC－1312－2－（1994．11），IEC－1312－2（1996．10） 　?。?］國內(nèi)防雷規(guī)范 　　GB50057－94　《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》 　　YD5068－98　DL548－94《移動通信基站防雷與接地設(shè)計規(guī)范》 　　GB50174－93　《電子計算機(jī)機(jī)房設(shè)計規(guī)范》 　　GB50200－94　《有線電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》