低压电源避雷器通流容量的分析

冷丁丁 蔡剑碧 李昆飙

（1.广东海洋大学信息学院 2.广东省湛江市气象局）

1 引言

电气设备的过电压产生途径主要有两种：导线传递过电压和空间电磁感应过电压。多数设备一般都具有一定的电磁兼容和电磁屏蔽设施，且使用环境有一定的电磁衰减作用，因此其过电压危害主要表现为导线传递过电压。抑制过电压措施主要采用过电压(浪涌)抑制器。主要抑制雷电过电压的器件通常称作避雷器。据统计，低压电源系统因雷电引起的过电压事故约占所有雷电事故的60%以上。因此，低压电源系统中，避雷器的保护方案和相关参数的选定非常重要。本文仅就避雷器众多指标中的一个重要指标—通流容量作探讨，为防雷从业人员提供参考。

2 基本概念

对于避雷器的通流容量，针对不同的器件，名称有所不同，一般是指不致引起避雷器失效，可重复施加规定波形脉冲电流的额定最大值。在低压电源系统中一般采用A、B、C、D多级避雷器对导线过电压进行抑制，不同级别的避雷器，对其通流容量要求不同。其中B级避雷处于电源入户端的第一级，参数要求最为严苛，其后各级避雷器通流容量依次递减。本文主要论述B级避雷器通流容量的选定方法。

3 相关标准及存在的问题

4 通流容量确定方法

导线上的过电压从能量及危害性方面主要考虑首次雷击时雷电冲击波从导线前端向后传递和雷击建筑物后地电位升高引起的反击两种情况。B级避雷器通流容量应取两者中之较大者，并应留有足够裕量。此参数在工程的设计方案中不能仅凭规范提供的公式套取，而应根据实际情况进行严密计算后确定。现以具有代表性的一个工程实例为例作详细分析。

某二类防雷智能建筑，低压电源从变压器由无屏蔽4芯电缆经电缆沟送入，电缆长500米，变压器接地电阻4Ω，共向4个近似相同用户供电；建筑物基础接地电阻2Ω，建筑物内部有计算机网络系统、监控系统、消防系统、小型程控交换通信系统等，计算机系统单独接地，独立接地电阻为10Ω，其它系统均与建筑基础共地，各系统导线阻抗如图1所示。

图1 雷击建筑物时接地系统等效电路

图1中RCT(2-4)(其他用户电源电缆总等效电阻)≈40mΩ，LCT(2-4)(其他用户电源电缆总等效电感)≈30μH，Rearth/(2-4)(其他用户总等效接地电阻)≈0.8Ω，RT(1-3)(变压器低压绕组电阻)≈5mΩ，LT(1-3)(变压器低压绕组电感)≈50μH，RET(变压器接地电阻)≈4Ω，LCT1(该用户电源电缆电感)≈90μH，RCT1(该用户电源电缆电阻)≈0.12Ω，LES(建筑物接地系统电感)≈2μH，RES(建筑物接地系统电阻)≈2Ω，RJC(计算机网线电阻)≈9Ω，LJC(计算机网线电感)≈40μH，REJ(计算机系统接地电阻)=10Ω，RKC(监控系统导线电阻)≈50mΩ，LKC(监控系统导线电感)≈30μH，REK(监控系统远端接地电阻)≈2Ω，RXC(消防系统导线电阻)≈50Mω，LXC(消防系统导线电感)≈30μH，REX(消防系统远端接地电阻)≈2Ω，RCC(通信电缆电阻)≈0.25 Ω，LCC(通信电缆电感)≈80μH，REC(通信系统远端接地电阻)≈2Ω，I(雷电流)=150kA，Imains(该用户电源电缆电流)。

确定B级避雷器通流容量（ISPD）需从两方面分析：

(1) 确定导线前端来波幅值

该电缆经电缆沟埋地敷设，雷电直击的可能性约为零，仅需考虑感应冲击波（若电源线为架空导线，且部分经过LPZ0A区，则应考虑雷电直击冲击波）。一般情况下，变压器高、低压侧均装有避雷器，均有可能在雷电过电压下动作，电流入地后分流。也有可能来波幅值小（如操作过电压波），避雷器不动作（电流值不大，此处无需考虑）。从后果严重性考虑，Ⅰ级防护标准雷电流200kA（10/350μs）击中高压线，高压避雷器动作，100kA电流流经高压侧避雷器（另一半雷电流沿线流向系统前端，此处无需分析），此时接地体呈高电位，压降主要分布于变压器低压绕组，变压器低压侧避雷器亦会导通，因此雷电流将在接地体和低压电缆中分流，如图2所示。

为了解高中英语阅读教学及学生阅读能力的现状，本课题组针对江苏地区设计了《英语阅读现状调查问卷》，在线上、线下对284名在读高中生进行了调查，取得了真实可靠的数据，并对调查结果进行了分析。

图2 雷击电源线时接地系统等效电路

图 2中 RCT1～RCT4为四用户电缆直流电阻，LCT1～LCT4为电缆电感，LES为变压器低压母线电感，RET为变压器接地电阻，RES1～RES4为各建筑接地电阻。

因雷电流为冲击波，假设低压侧有 4组电源（TN-C方式），线路均较长，可不考虑波的反射因素，如图3所示。此时宜根据彼得逊法则，计算出该电缆上的电流IZ1：

（2I－4IZ1）×RET=IZ1×(Z1+RES1)

IZ1≈28.6kA

低压电缆为4芯无屏蔽电缆，雷电流在芯线中均分，因此该电缆中性线上的电流IN：

IN=28.6/4=7.15kA

因每条导线均通过雷电流，因此流过B级避雷器的电流ISPD≈IN。

图3 低压电源系统等效波阻抗

图3中Z1～Z4为电缆波阻，一般为10Ω～40Ω，此处均取10Ω；RES1～RES4为各建筑接地电阻，此处均取 2Ω；RET为变压器接地电阻≤4Ω，取 4Ω，I=100kA。

(2) 确定雷电反击电流幅值

假设雷击该建筑，标准雷电流150kA（10/350μs）流经建筑物直击雷防护系统。一部分雷电流经建筑物基础泄放入地，使地电位升高；另一部分进入与建筑物基础地相连的各导体。若地电位过高，避雷器将动作，限制相线与中性线间电压幅值以保护电气设备，此时避雷器中电流应小于其通流容量。雷电流分配等效电路见图1，图1中电感的影响可忽略注②。可计算出中性线电流Imains：

Imains×[RCT1+（RCT(2-4)+ Rearth/(2-4)）∥（RT(1-3)+ RET）]=（I- Imains）×[ RES∥（RJC+ REJ）∥（RKC+ REK）∥（RXC+ REX）∥（RCC+ REC）]Imains≈0.45I≈67.5kA

此时B级避雷器动作，每个避雷器通过的电流为ISPD= Imains/4≈16.9kA。

亦有学者认为该用行波理论进行分析，此时用图4等效电路模型（图4中Z为各种线缆的波阻抗，约为5Ω～100Ω，R为各系统接地电阻，限于篇幅，不一一列出）。因此可得中性线电流为：

IZ1=2I×（G1/G）≈0.26I

IN=IZ1/4=6.5kA

其中G1为Z1所在支路电导，G为电路总电导。

图4 建筑物接地系统等效波阻抗

此种方法计算出的IN偏小，不符合规范的数值，亦与笔者实验数据不符。原因分析为：建筑物基础地电位升高时，并非所有的避雷器都动作（尤其是信号避雷器），即使有部分雷电流沿信号系统缆线分流，电流主要分布于缆线屏蔽层，不能简单用线缆的波阻来等效线缆的阻抗。因此笔者不赞同用此种计算方法。

最后比较上述两种情况下的参数值，取其中较大值作为该建筑B级电源避雷器的通流容量。选择避雷器时注意需经过波形换算I（8/20μs）≈4I（10/350μs），并留足够裕量。

实际工程中，建筑物通常还有水管等金属管道与之相连，这在一定程度上会对雷电流起分流作用，从而使导线上的雷电流更小。作者通过多次实验验证金属管道的分流系数并不大，可将建筑物接地电阻乘以一个适当的系数来等效处理。

在工程设计中，确定避雷器通流容量后，影响避雷器防护效果的因素还有：避雷器级间距离和能量配合，避雷器的安装位置、工艺，超过规范设定值的雷电流，产品性价比等。因此，在工程实践中应全面考虑各种因素的影响，并对工程做系统的雷电风险评估。

5 结束语

IEC61312-1：1995-02和GB/T19271.3-2005均对简单情况下电源避雷器通流容量作了明确规定。但通常建筑物的接地系统较复杂，B级低压电源避雷器实际通过的电流会有所减小。本文给出了一般情况下较复杂接地系统中避雷器通流容量的确定方法。作者通过多次试验，结果与该方法计算数值接近。工程设计工作中可按该方法确定避雷器通流容量，亦可按相关规范的计算方法确定该参数（偏大），以确保安全。而在雷害事故调查工作中，则宜据此精确计算避雷器实际通过的雷电流，以确定相关参数和后果。

注①：GB/T19271.3-2005附录B.1.4：……在只有一幢建筑物的情况下，流入低压系统的雷电流约占总雷电流的50%。而在配电系统有两个或多个的情况下，此值可升至70%或更高。

注②：用接地系统及电缆的直流电阻进行计算，在工程上已有足够的精确度。（国家标准 GB/T19271.3-2005对此也有相同规定）

[1] 国际电工委员会标准 IEC61312-1：1995-02“雷电电磁脉冲防护 第一部分 通则”

[2] 国家标准 GB/T19271.3-2005.“雷电电磁脉冲的防护 第 3部分：对浪涌保护器的要求”

[3] 国家标准GB/T18802.331-2007.“低压电涌保护器件 第331部分：金属氧化物压敏电阻（MOV）规范”

[4] ASSE,WIESINGER,ZAHLMANN,ZISCHANK：1994，Principie for an advanced coordination of surge protective devices in low voltage systems,22nd international Conference on Lightning Protection,Budapest.

[5] 刘继,张纬钹等.IEC建筑防雷标准和我国建筑防雷标准中的几个急需纠正的错误和问题[J].CHINA防雷，2003（5）.