地电位反击的机理及继电保护产品的防雷设计

赵喜军 邹伟华 王小进

（中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉 430064）

1 引言

继电保护产品防雷设计的主要目标是浪涌电压抑制和雷电电磁辐射干扰的防护。浪涌电压主要有两种破坏形式：一是沿（各种）线路侵入电子设备；二是地电位升高和地电位不均，进而由地电位不均形成地电位反击。本文着重介绍和分析在雷击发生时接地装置的电位升高的成因及其带来的电压反击的机理以及对地电位反击的防护。

2 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，这时在它们之间不存在电压分布不均的问题。而在接闪后，当雷电流流过引下线和整个接地装置的时候，由于雷电流是一个频率很高的脉冲电流波，由它产生的雷电过电压也是一个高频脉动电压波，因为分布参数的影响，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，从而产生雷电冲击电压。

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

研究雷电冲击电位（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。而就“本地”接地装置上相对于“远地”而言具有的高电位。即 “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，其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。

3.2 输电线路的雷击过电压反击

电力系统的输电线路在正常运行情况下三相线路是带有额定高电压的，而架空地线和杆塔是接地的，处于零电位。当雷击杆塔顶或架空地线时，雷电流通过杆塔接地电阻向大地泄放。由于杆塔或接地引下线具有电感和电阻，杆塔的接地装置也有电感和电阻，雷电流在这些接地电阻和电感上将产生很高的过电压。 这个过电压是出现在杆塔顶端悬挂或安装绝缘子的地方。它高出线路对地电压数倍。这时，线路导线上的（输电）电压相对于雷电冲击电压是低电压了，原本接地而现在却处于高电压的杆塔将向线路导线发生反击和闪络放电。

3.3 接地装置或引下线的旁侧闪击

当通过引下线或避雷针塔泄放雷电流时，沿引下线或避雷针塔会有电压降。若与引下线或避雷针塔临近的设备之间的空气间隙不足以承受此电压降时，则会出现击穿放电，称为旁侧闪击，将危及邻近的设备。 为了防止旁侧闪击的发生，其它设备和金属结构，包括其它接地装置和构架，必须与防雷引下线或独立避雷针塔的塔架结构保持一个间隙距离。由于雷电冲击放电电压与很多因素有关，如电压的波形、作为电极的构架的结构形式、电压的极性以及大气环境条件等，因此，只能对该间隙进行比较粗略的计算。按电力部门颁布的规程，该间隙不得小于5 m。

3.4 在地中接地网之间的电位反击

防雷接地网在泄放雷电流时会有电压升高，此电压直到无穷远处才衰减为零，即大地零电位。因此在防雷接地网与其它接地系统或接地极之间也会有电压升高。防雷接地网与另一设备的接地点之间的如果相距太近，在它们之间就会发生放电和闪络，从而危及接在这些接地系统上的设备的安全。为了避免这种放电的发生，电力系统的防雷规程要求防雷接地网必须与其它接地体相距一定的地中距离，按电力部门颁布的规程，该距离不得小于3 m。

如果不能将防雷接地网与其它接地网分开到上述足够的距离，那就只好将它们联接在一起，形成共用接地系统。

3.5 地电位对接地设备的反击

各种用电设备都是要接地的。设备接地后，它的电位就与接地装置的电位一起变动。在雷电冲击下，地电位升高，接地设备的电位也跟着一起升高。在设备与接地装置之间本无电位差，似乎不存在电位反击的问题，可是，设备不是孤立的，它与外界还有各种联系，这些与外界联系的线路引来了远地的零电位。于是在设备与这些外引线路之间将发生电位反击。反击主要发生在：（1）电源供电线路和相联的电源变压器；（2）引入（出）室内设备的通信、控制、信号以及数据采集等线路和联接在这些线路上的接口设备。

4 地电位反击的防护

为了提高继电保护产品的可靠性和操作人员的安全性，必须对地电位的反击采取防护措施。其方法之一是确保继电保护产品和系统良好接地，避免系统地和继电保护产品之间形成反击。第二种防护方法是在继电保护产品的关键部位如电源入口和通讯接口采用电压瞬变和浪涌的防护器件，使反击电压迅速被旁路，从而使进入继电保护产品中的反击电压幅度大大降低。

4.1 继电保护产品中常见的防护器件

瞬变电压抑制二极管（TVS）：TVS器件在规定的反向应用条件下，在承受到高能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低以允许大电流通过，并将电压箝制在预定水平，从而有效地保护电子产品中的精密元器件免受损坏[3]。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制在预定水平，双向TVS适用于交流电路。TVS的最大优点是箝位系数小，所谓箝位系数是指 TVS上流过的电流在最大时的端电压与流过的电流为最小时的端电压的比值。箝位系数越小，抑制瞬变电压的效果越好。TVS器件的其它优点是体积小、响应速度快（小于1 ns），每次经受瞬变电压后其性能不会下降和可靠性高等。缺点是电容大、耐电流量小。

气体放电管：它的优点是耐电流量大和静电容量小，缺点是点火电压高，在直流电压下不能恢复到截止状态，因而不能用于防护低电压电路，经多次电压瞬变和浪涌后其性能会下降。采用气体放电管进行保护时，一定要将放电管安装在被保护器件的引入端，将其上端接在线路的入口处。气体放电管的伏秒特性与被保护设备的伏秒特性也要正确配合，也就是要根据线路的特点来选择气体放电管，其放电电压一定要小于被保护设备的电压，即放电管的冲击击穿电压，在任何时候都要比被保护设备的冲击放电电压低，这样才能有效地保护电子设备。

金属氧化物压敏电阻：如ZnO压敏电阻，它是以氧化锌为主要原料制造的半导体陶瓷元件，利用ZnO电压的非线性来吸收瞬变电压和浪涌。这种压敏电阻器件的电压范围很宽，可从几伏到几千伏，吸收浪涌电流可从几十到几千安培，它反应速度快、非线性指数大、无极性、无续流、寿命长、成本低。缺点是箝位系数小，呈负温度系数，经多次电压瞬变和浪涌后其性能会下降，因而不适用IC，且使用温度范围低，不能采用气密性封装，其可靠性也不高等。一般地说，压敏电阻器常常与被保护器件或装置并联使用，在正常情况下，压敏电阻器两端的直流或交流电压应低于标称电压，即使在电源波动情况最坏时，也不应高于额定值中选择的最大连续工作电压，该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值。

4.2 继电保护产品的防雷设计

继电保护产品对外的端口主要有五类：电源端口、开入量端口、开出量端口、模拟量端口和通讯端口[4]。但易于以“远地”为参考的端口只有电源和通讯，因此这两个端口的防雷设计特别是防止电压反击的问题就尤为突出。

电源端口的防雷设计，主要是在输入之间和输入对地之间并联压敏电阻、TVS管或气体放电管，或几种器件的组合，来实现良好的配合和保护特性。对于通讯口除了正常的光耦或网络变压器的隔离外，对RS232/485、CAN等通讯，还应该在两根通讯线间及每根通讯线对地之间安装瞬态电压抑制器件，以防止地电位反击造成损坏[5]。

5 结语

（1）对防雷设计中的“地”，要有正确的认识。当没有雷电流从接地装置流过时，“地”是处于零电位的。而当有雷电流流过时，“地”的电位就不是零电位了，而将会有电压升高，并出现电压不均。

（2）在做防雷设计时，应将“地”区分为“本地”和“远地”。“远地”即是我们选做零电位的参考地，也是从外界引入的电源线、信号线和其它导线的地。它的电位是不变的零电位。而“本地”的电位将因雷电流的流过而升高。

（3）“本地”电位因雷电流的流过升高后，所有联接在它上面的设备的电位将随着“本地”电位的升高而同时升高。因此，虽然“本地”相对于参考零电位有很大的电压升高，但这个电压升高对于正确联接到它上面的设备不会造成危害。

（4）“本地”电位因雷电流的流过升高后，将会对联接到“远地”的所有设备和线路造成电压反击。这个电压反击将对这些设备和线路造成严重的危害。

[1]中华人民共和国电力工业部. DL/T621-1997. 交流电气装置的接地.

[2]中华人民共和国建设部 GB50057建筑物防雷设计规范.

[3]白同云，吕晓德。电磁兼容设计[M].北京：北京邮电大学出版社，2001.

[4]程利军等.微机保护抗电快速瞬变脉冲群干扰研究.第8届全国继电保护学术研讨会论文集.北京：中国电机工程学会，2001.

[5]张三庆.电快速瞬变脉冲群和浪涌干扰机理与抑制技术研究.北京：华北电力大学硕士学位论文，2003.