感應雷大部分都經過供電線路傳輸擊壞設備的,所以對低壓供電系統的防雷不容忽視,防雷主要分為外部防雷和內部防雷,本文結合國內對供電線路的防雷規范,談談低壓系統的防雷保護。
一、防雷保護區
IEC標準將需要保護的空間劃分為不同的防雷區:Z0A區———本區內物體都可能遭到直接雷區;Z0B區———本區內物體不可能遭到直接雷擊,但區內電磁場沒有衰減; Z1區———本區內物質不可能遭到直接雷擊,區內電磁場有可能衰減,衰減程度取決于屏蔽措施。
在實際應用中,我們一般簡單地將防雷分為外部防雷和內部防雷。
二、外部防雷系統
外部防雷系統由避雷針(或避雷帶、避雷網)、引下線和接地系統構成。主要作用是為了保護建筑物免受雷擊,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、高熱效應、機械效應、靜電感應、電磁感應、反擊等均會產生極大的破壞力。
1、避雷針(或避雷帶、避雷網)的保護范圍
研究表明,雷電的先驅尖端離地面高度甚至幾十米,其前進方向依然可能不受地上和地下特征的影響。具體高度視雷電強度而定。特別是低強度放電對地走向是不穩定的,可能以一個角度接近建筑物。這說明傳統的避雷針“保護角”是不可靠的。因此,GB50057-94《建筑物防雷設計規程》不再沿用避雷針的“保護角”概念,而是根據IEC1024-1提法,在設計接閃器時,可單獨或任意組合采用滾球法和避雷網格來計算避雷針(或避雷帶、避雷網)的保護范圍。滾球半徑參見規范中的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。該線經常遭受嚴重雷害:瓷瓶炸飛,線路擊斷,變壓器被擊壞,雷電竄入低壓系統。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),針長和角度均經過仔細計算。
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輸電線不受直擊雷。當雷云降低高度并且以一個角度從側面接近線路時,V型避雷針也能有效保護輸電線不受直擊雷。自1995年底貴冶623線路采用V型避雷針進行防雷改造,自1996年初改造完成并投入運行以來,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范圍要根據實際情況用“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。
總之,筆者認為在防雷實踐中應緊扣防雷規范,并結合被保護物的現場實際情況靈活、嚴謹地加以應用。
2、避雷引下線
常規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。雷電沖擊電流流經避雷引下線時,引下線周圍會產生強磁場 靜電場同軸電纜大大克服了常規引下線的缺點,它可改變瞬態響應,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、外導體之間的電容較大,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能夠承受的水平。雷電放電電流通過同軸引下線的內導體入地時,接地的外屏蔽層對內導體起屏蔽作用,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磁場對建筑物內低壓系統的感應。
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入地。
3、接地系統
外部防雷接地主要是為了在雷擊的情況下,快速、安全地將雷電流導入大地。
低壓系統的防雷接地,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、保護地等接地概念。現代的接地系統,應盡可能是低阻抗的,以對雷擊和瞬態過壓提供防護,以及抑制通信電子系統的噪聲。
接地方式,應按單點的原理設計,即直流工作地、交流工作地、保護接地和防雷接地等四種接地宜共用一組接地裝置的聯合接地方式,這是目前國際、國內各種防雷規范所共同推薦的。
接地技術本身不是一門精密的學科,在實際應用中不可生搬硬套。在地電阻率很高的地區,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的接地電阻降下來要來得經濟有效。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面積來繼續降低接地電阻,對于抗雷電沖擊效果并不好,另外電視臺拮據的接地經費也不允許增加工程量,于是我們采取了嚴格的等電位措施,并在實際運行中取得很好的效果。
所謂聯合接地方式也不是絕對的。首先,一般對建筑物及其內部系統本應聯合共地,但有些設備廠家卻強調其設備的工作地必須獨立接地,原因估計有兩個:一是擔心大樓其它接地不可靠;二是擔心漏電流工頻干擾信號竄入。其次,特殊的發射設備如機場的指點信標機,其工作地是作為輔助發射電極,因此必須獨立接地。再者,野外分散布置并且雷電較強地區,如昌北機場跑道旁的各氣象設備的防雷,可設置獨立避雷針。獨立避雷地網和設備的工作地網要保持一定距離。對同一系統的獨立地網之間可用地網連接器相接(如德國OBO公司的GAP-480D),兩個地網平時處于隔離狀態,雷擊時,當它們之間的電位差超過1000V時,地網連接器自動導通,以平衡兩個地網的電位。
二、內部防雷系統
內部防雷系統包括屏蔽、等電位、限幅、金屬導體的路由布置、接地等措施。在一個完善的內部防雷系統中,這些措施是不可或缺的,它們從各方面對產生瞬態過壓的耦合機制起防護作用。限于篇幅,下面談一談現代低壓電源主要的限幅設備———瞬態過壓保護器(又稱浪涌抑制器,簡稱電源防雷器):
[1][美]G.夏里克著,侯景韓譯.《接地工程》人民郵電出版社,1988.
GB50174-93 《電子計算機機房設計規范》
[3]《雷電電磁脈沖的防護》IEC-1312-1(1995.2),IEC-1312-2-(1994.11),IEC-1312-2(1996.10)