2.5 雷電電涌過電壓的危害

2.5.1 電涌過電壓的產生與危害

1．電涌過電壓的產生

電涌過電壓是指超出正常工作電壓的瞬間過電壓，通常還被稱為瞬變脈沖電壓、瞬態過電、突波或電涌等，是電路中出現的一種短暫的電流、電壓波動，在電路中通常持續約1/106s的劇烈脈沖。電涌過電壓的來源有兩類：外部電涌和內部電涌。外部電涌過電壓最主要來源于雷電，少量是電網中開關操作等在電力線路上產生的過電壓。內部電涌過電壓則與供電系統內部的設備啟停和供電網絡運行的故障有關。

雷電產生的電涌過電壓危害最大，在雷擊放電時，以雷擊為中心1.5～2km范圍內都可能產生危險的過電壓。雷擊引起（外部）電涌過電壓的特點是單相脈沖型，能量巨大。外部電涌的電壓在幾微秒內可從幾百伏快速升高至2萬V，可以傳輸相當長的距離。由雷電引起的過電壓具有電流大、電壓高、危害大的特點，是低壓交流電源系統中過電壓防護的主要對象。

2．電涌過電壓的危害

在高壓輸電系統中，接入系統的各種高壓電力設備的耐壓水平都很相近，接線方式相對簡單，避雷器只需保護其安裝處的電力設備即可，幾乎不采用多級避雷器配合保護。但是，對于低壓交流電源系統來說，過電壓防護是比較復雜的。隨著現代經濟的不斷發展，人們對電源系統設備的應用越來越廣泛，使得電子產品做工更加精細，性能方面也得到很大的提高。雖然電子產品在使用方面有很多優點，但由于電子產品體積小、工作電壓低、功率損耗低，對電源線路和信號電路中入侵的電涌過電壓非常敏感，耐受過電壓的能力也非常有限，因此對低壓交流電源系統的雷電過電壓防護方面的研究是非常有必要的。由于電子設備使用的交流電源通常是由供電線路從戶外交流電網引入的，當雷擊于電網附近或直擊于輸電線路上時，在線路上會產生過電壓波，這種過電壓波沿線路傳播進入戶內，通過交流電源系統侵入電子設備，造成電子設備的損壞。

在低壓交流電源系統中，雷擊引起的電涌過電壓主要有以下形式：

（1）直接雷擊電涌過電壓。是雷電直擊低壓交流電源線路引起的過電壓，以及雷擊低壓線路附近的建筑物造成建筑物對低壓線路閃絡引起的過電壓。雷電直擊低壓電源線路時，雷電是以波的形式沿導線傳播而引入室內的。雷擊點處的電位相當高，可達數百萬伏至數千萬伏甚至更高。

（2）感應雷擊電涌過電壓。雷擊閃電產生的高速變化的電磁場，閃電輻射的電場作用于導體，感應很高的過電壓，這類過電壓具有很陡的前沿并快速衰減。

（3）反擊電涌過電壓。是雷擊避雷針等接閃裝置或接地系統，造成地電位升高形成高電位而產生的反擊過電壓。該電位產生的過電流通過配電系統的零線、保護地線或弱電系統的地線，也是以波的形式傳入室內設備的接地點或外殼，形成反擊過電壓毀壞低壓電源設備。

（4）侵入波電涌過電壓。此類過電壓是由于架空線路遭受直接雷擊或感應雷而產生的高電位雷電波，沿架空線路侵入變電所造成而危害。由于電網中的設備對過電壓有不同的抑制能力，因此侵入波過電壓能量隨線路的延長而減弱。

電涌過電壓的危害主要分成兩種：災難性危害和積累性危害。災難性危害是指一個電涌電壓超過設備的承受能力，則這個設備完全被破壞或壽命大大降低。積累性危害是指多個小電涌累積效應造成半導體器件性能的衰退、設備發故障和壽命的縮短，最后導致停產或是生產力的下降。

在配電系統中，電涌過電壓可能引起電壓波動、機器設備自動停止或啟動、電氣設備由于故障、復位或電壓問題而縮短壽命；對于電子電氣設備，電涌過電壓可能對元器件造成破壞，也可能干擾電子電路運行，造成數據出錯等。

電涌過電壓對建筑物內電子設備造成危害的例子數不勝數。1992年4月27日，南昌江西醫科大學160門程控電話因感應雷被擊壞15門，而同一時刻江西財經干部管理學院的200門程控電話全部毀于感應雷。北京國際關系學院新裝電教中心全套電視錄像設備，后來加裝衛星接收天線時，尚未及安裝避雷裝置就遇上雷雨，室外天線的饋線遭雷擊，導致室內電視錄像設備毀壞。1993年的一次雷雨，北京酒仙橋有200多戶的電視機被毀，其中20臺報廢。

2.5.2 如何防備電涌過電壓

由于電子計算機的普及和高精密電子儀器設備的大量使用，對電子設備電源系統的過電壓保護顯得越來越重要。雷電電涌過電壓的產生與傳輸過程，不管是在高壓電網系統中還是在低壓交流電源系統中，其原理都是相同的，對電源系統設備的損壞機理也基本相同。

低壓交流電源系統綜合防雷措施主要包括：①外部防雷措施，如接閃器、引下線、屏蔽和接地系統；②內部防雷措施，如屏蔽隔離、等電位連接、合理布線和安裝電涌保護器。對于外部防雷，主要是針對雷擊建筑物時所采取的措施，一般都采用避雷針、避雷帶等傳統避雷裝置，這些避雷設施能有效地防止直擊雷的危害。但對于雷電感應高電壓以及雷電電磁脈沖來說，這些措施作用是很小的。因此，需要采取內部防雷措施。

1．屏蔽措施

沿線路侵入的電涌過電壓波常常會損壞脆弱的電子設備，利用各種金屬屏蔽體來阻擋和衰減施加在電子設備上的電磁干擾或過電壓能量是一種有效的防護措施。電子設備常用的屏蔽體有設備的金屬外殼、屏蔽室的外部金屬網和電纜的金屬護套等，采用屏蔽措施對于保證電子設備的正常和安全運行來說是十分有必要的。

2．良好的接地系統

良好的接地系統是其他防護措施的基礎。電源系統的接地采用統一接地方式，即將電源地、信號地、屏蔽接地、電涌保護器接地等均應連接到局部等電位接地板上。

3．等電位連接

當雷擊發生時，在雷電暫態電流所經過的路徑上將會產生暫態電位升高，使該路徑與周圍的金屬體之間形成暫態電位差，容易形成反擊。為了消除這種電位差，需要把建筑物本身以及建筑物內各種導電體用導體在電氣上連接起來以保證等電位，這樣就可以在發生雷擊時避免在不同金屬外殼或構架之間出現暫態電位差。

4．安裝電涌保護器

電涌保護器廣泛應用于低壓交流電源系統中，用以限制電網中的雷電過電壓，使其不超過各種電氣設備所能承受的沖擊耐受電壓，保護設備免受由于雷電造成的危害。電涌保護器主要有電壓開關型和限壓型兩類。

（1）電壓開關型。電路中沒有產生電涌過電壓時呈高阻抗狀態，在電涌暫態過電壓作用下突變為低阻抗狀態，如放電間隙、氣體放電管等組件。

（2）限壓型。電路中沒有產生電涌過電壓時呈高阻抗狀態，出現電涌過電壓時會隨著電涌增大，阻抗值逐漸變小，典型組件為壓敏電阻、齊納二極管與雪崩二極管等。

電子設備的損壞絕大部分是由沿電源線路、信號線路和金屬管線涌入的雷電電涌過電壓造成的。使用電涌保護器時，根據建筑物內用電設備距離電源入口位置和設備的絕緣配合水平以及被保護設備過電壓等級分類來選擇合適的電涌保護器，見表2-3和表2-4。

從建筑物電源總入口處侵入的電涌電流峰值往往非常高，為了使被保護設備承受的電涌能夠控制在其耐受沖擊電壓額定值的范圍內，必須根據被保護設備的不同安裝位置和耐受程度采取多級電涌保護器配合保護，逐級衰減電涌過電壓、過電流。正確安裝電涌保護器可以很好地達到防備電涌過電壓的效果。