雷电冲击电压下接地装置 的电压升高和反击 高电压论文

课程结业论文 雷电冲击电压下接地装置 的电压升高和反击

课程名称：高电压技术 任课教师： 所在学院：信息技术学院 专 业：电气工程及其自动化 班 级： 学生姓名： 学 号：

中国·大庆 2011 年 11 月29日 I

摘要 当接地装置泄放雷电流时，在其上将产生瞬间电位升高。联接在接地装置上的设备的电位与接地装置的电位同时升高。从外界引入设备的各种传输线，如电源线、通信线以及数据采集和控制线等将受到接地装置升高电位的反击。对电位反击的防护是防雷的主要任务之一。 关键词：雷电冲击电压 地电位升高 地电位反击

II

目录 摘要 ............................................................................................................. I 1．前言 .................................................................................................. - 1 - 2．雷电冲击电压的产生及量值的估计 ............................................. - 1 - 2.1雷电冲击电压的产生机理 ....................................................... - 1 - 2.2 雷电流参数 .............................................................................. - 2 - 2.3 接地装置的参数 ...................................................................... - 2 - 2.4 雷电冲击电压的量值估计 ...................................................... - 2 - 3．雷电冲击下接地装置电压的反击类型 ......................................... - 3 - 3.1雷电冲击下地电位（压）升高的机理 ................................... - 3 - 3.2输电线路的雷击过电压反击 ................................................... - 3 - 3.3 接地装置或引下线的旁侧闪击 .............................................. - 4 - 3.4 在地中接地网之间的电位反击 .............................................. - 5 - 3.5 法拉第孔对穿过它的导线的电压反击 .................................. - 6 - 3.6 地电位对接地设备的反击 ...................................................... - 6 - 3.6.1 电源地与本地共用接地相连时 ..................................... - 7 - 3.6.2 电源地与本地共用地不相连时 ..................................... - 7 - 3.7对地电位反击的防护 ............................................................... - 7 - 结语 ........................................................................................................ - 8 - 参考文献 ................................................................................................ - 8 - - 1 -

1．前言 防雷的主要任务有三：直击雷防护、二次雷防护和雷电电磁辐射干扰的防护。二次雷又主要包括沿（各种）线路侵入室内的感应雷（俗称浪涌电压）和从接地装置产生的地电位升高和地电位不均两个方面，后者又形成地电位反击。从防雷论坛反馈的信息，不少人对接地装置的地电位升高和反击的机理感到疑惑不解。本文着重介绍和分析了在雷击发生时接地装置的电位升高及其带来的电压反击。

2．雷电冲击电压的产生及量值的估计

2.1雷电冲击电压的产生机理 在雷击发生前，接闪器、引下线和整个接地装置都处于与大地相同的零电位，这时在它们之间没有电压分布不均的问题，在接地装置与联接在它上面的设备之间也不存在电位反击。而在接闪后，当雷电流流过引下线和整个接地装置的时候，雷电流在接地装置各部分造成的电压降是不相等的，于是在接地装置各部分之间就存在电压分布不均，而在接地装置与接在其上的设备之间就有电位反击（或电压反击）的问题。 雷电流的频率较高，无论它在导线或在空气放电通道中流过时都不能简单地看成一个纯电路的问题。一般的电路是以集中参数形式存在的电阻、电感和电容组成的电路。而对于一个较高频率的雷电流，与之相关联的更主要的是以分布参数存在的电感和电容以及由它们组成的波阻抗。考虑波阻抗，就涉及到电磁场的问题。雷电流在空气的放电通道中流过时，更多的是与波阻抗有关。而在雷打下来以后，雷电流进入接地装置时，更多的是与导体的集中参数的电阻、电感有关。 当接闪器接闪雷电流时，强大的雷电流将通过接闪器、引下线和接地网泄放入地。对于单根引下线，为简化起见，我们暂且只考虑电路中的电阻和电感，而不考虑它的波阻抗。于是，在泄放雷电流时，在防雷装置上将产生雷击冲击电压U：

（1） 式中，R——引下线和接地网的电阻， ； L——引下线和接地网的电感，H； i——雷电流，kA； di/dt——雷电流对时间的变化率，kA/ S。 由式（1）可知，直接雷击冲击电压（或称直击雷过电压）U，它不仅与雷电流的大小和陡度有关，而且同引下线和接地装置的电阻和电感有关。 需要注意，雷电流是一个脉冲电流波，由它产生的雷电过电压也是一个脉动电压波。即是说，它们的瞬时值是随时间变化的，要计算雷电过电压的最大值，即幅值，需要用雷电流i的幅 - 2 -

值I和陡度di/dt的最大值代入式（1）进行计算。 如果泄放雷电流的不是单根引下线，而是由钢筋混泥土梁和柱中的钢筋组成的接地网络，在估算雷电流所致电压升高时，还应考虑雷电流在各网络支路中的分配。

2.2 雷电流参数 要计算雷击冲击电压，需要知道雷电流的参数大小。《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2000）附录六中给出了首次雷击的雷电流参数，如表1所示。需要指出，国标GB/T16972.1《高电压试验技术 第一部分：一般试验要求》中规定的冲击电流有两类：第一类标准冲击电流有四种波形，分别为1/20μS、4/10μS、8/20μS和30/80μS；第二类冲击电流为方波电流，其峰值持续时间为500μS、1000μS、2000μS或者在2000μS与3200μS之间，而国标GB50057-2000规定的首次雷击的雷电流的波头时间却是10μS，对三类防雷建筑都一样。两者相差非常之大。我们不讨论它们相差的原因，在以后的计算中，我们只能应用GB50057-2000中规定的波头时间（见表1），并以此计算出雷电流的陡度。

表1 国标GB50057-2000规定的首次雷击电参量 雷电流参数 防雷建筑物类别 一类 二类 三类 雷电流幅值I（kA） 200 150 100 波头时间T1（μS） 10 10 10 雷电流陡度di/dt（kA/μS） 20 15 10

2.3 接地装置的参数 防雷接地装置主要包括两部分：防雷引下线和接地系统（接地网）。对于引下线，主要考虑它的电感，而忽略它的电阻；对于接地系统（网），则主要考虑它的接地电阻，而忽略它的电感。 通常的单根钢筋接地引下线，其电感可按每米1微亨（1μH/m）计算。而接地系统（网）的接地电阻国标中已有要求，如果实测接地电阻比国标的要求小，计算时按国标的要求数值计算；如果实测接地电阻比国标的要求大，就按实测的接地电阻进行计算。

2.4 雷电冲击电压的量值估计 对于独立避雷针的单根引下线，如果我们忽略它的电阻而假设其电感为1μH/m，若按 - 3 -

三类防雷考虑，雷电流的波头时间为10μS，雷电流幅值100kA , di/dt = 10 kA /μS，可得沿引下线的雷电电压降为10kV/m。对于一类建筑，雷电流幅值200kA , di/dt = 20 kA /μS，则沿引下线的雷电电压降为20kV/m。 假设一个接地系统，它的接地电阻为4Ω，100kA的雷电流在它上面将产生400kV的电压降，虽然这个电压降是以大地远处的零电位为参考点，但也是一个十分巨大的数值，它将带来一系列的危害效应。 为了减小雷电流在引下线和接地装置上造成的巨大的电压降，需要尽可能地降低引下线的电感和接地装置的接地电阻和电感。采用多根引下线并联，如混泥土梁柱内的钢筋就是多根并联，可以大大降低它的电感参数，就可达到降低雷电冲击电压的目的。

3．雷电冲击下接地装置电压的反击类型

3.1雷电冲击下地电位（压）升高的机理 我们在讨论雷电冲击电位（压）升高之前应明确了解远处接地装置和本地接地装置两者的区别，即“远地”与“本地”的区别。在没有雷电活动的时候，两个地的电位都一样，都处于零电位，没有电位差。而当“本地”接地装置泄放雷电流时它们的区别就显现出来了。雷电流会在“本地”接地装置上产生电压降，有时我们又称此电压降为电压升高。其实，电压降和电压升高在本质上是一回事。我们暂且不管雷电流的正负极性，而只讨论它的量值的大小。上面所说的电压降是沿雷电流的方向而言，雷电流在接地装置上产生了电压降落。当谈到电压升高时，是站在“本地”接地装置上相对于“远地”而言具有的高电位。即是说，“本地”相对于“远地”的零电位有了电位的升高。 从远处引入建筑物的电源线、通信线和其它线路，它们连接在远处的地上。它们自身的工作电压就是以“远地”电位为参考点的电压，因此它们在引来工作电压的同时也引来了远处大地的参考零电位。在雷击发生之前，“本地”接地装置被认为是处于零电位，比那些外引导线和设备的工作电位都低。而在雷击发生的短时间内，在“本地”接地装置上产生的这个瞬间电压升高就成为一个相对于外引导线和设备的真实的电压升高了。一旦在这个电压下发生电击，其方向就是从“本地”接地装置击向这些外引导线和设备，所以称为反击。认识它的本质对于防护它的危害具有十分重要的意义。