一种电源传输线路雷电防护装置设计

周 静

（中国船舶集团有限公司723 研究所，江苏 扬州 225001）

0 引 言

雷电是一种全球性的严重灾害，具有电压高、电流大、瞬时性等特点，具有巨大的能量。发生雷击时，通常伴随雷电电流产生。在电力系统和电器设备中，雷击会造成暂态电压升高和电涌过电压，破坏系统和设备。

1 雷电效应

雷电产生的破坏作用可以分为直击雷和感应雷。直击雷是直接击打到设备上的雷电，雷电的强电流会对设备造成严重损伤，使设备无法正常工作。感应雷是雷电打击到物体时，导致周边导电物体感应而产生的雷电。其电流虽然弱于直击雷，但是仍然会对设备造成损伤[1]。

当雷击形成后，避雷针将强大的雷电流引入地线，从而避免雷电流直接击中设备。然而，由于地线上电压抬高，可能会损坏与地线相连的设备。感应雷在避雷针范围内的LPZ0 区会产生强烈的雷电流，此电流会在设备电源线、控制线等线缆上产生过高的感应电压。电源线上过高的感应电压可能会引起设备的二次故障，造成设备损坏。此外，感应雷电电流可能通过设备连接器接口的耦合进入设备，从而造成设备损坏。

2 雷电频率分析

根据国内外学者对雷电波频谱数据的分析，雷电具有频率低的特点，雷电电流主要集中在低频部分，通常在100 kHz 以下[2]。随着频率的升高，雷电流递减，在高频部分的雷电流很小。电源线上的电源频率通常为50 Hz 或400 Hz，处于低频区域，因而雷电对电源设备往往会造成严重的损坏，甚至导致设备报废。在信息系统中，只要防止100 kHz 以下频率的雷电波窜入，就能消减90%以上雷电波能量，对于避雷工程具有重要的指导意义[3]。

3 防雷区域设置

雷电是一种来自自然界的破坏能量，主要通过直接击中物体或导入电气和电子设备来产生作用。裸露在结构体外的部分最易遭受雷电直击并导走全部雷电流，这个区域被称为LPZ0A区。如果外部设置有防雷装置（如接闪器），在其保护区域内的结构体表面不大可能遭受雷电直击，但所受雷击电磁场强度没有衰减，这个区域被称为LPZ0B区。从结构体表面向内每经过一层交界面都有一定程度的雷电分流和雷击电磁场衰减，这些区域依次被称为LPZ1、LPZ2、…、LPZn区。防雷区域设置如图1 所示。

图1 防雷区域设置

在LPZ0 区，雷电压、雷电流和空间电磁场强度分别为U0、I0、H0。如果被保护设备位于LPZn区，其雷电压、雷电流、空间电磁场强度分别为Un、In、Hn。

4 防雷原理与措施

防雷是将电压极高的雷电能量在进入电子设备前降低到设备能承受的电压水平，从而避免电子设备因雷电电压过高而受到损害[4]。防雷措施主要包括电磁屏蔽、接地及阻隔。

4.1 屏 蔽

在安装电子设备的环境中应安装避雷针，避免电子设备被雷电直击。雷电击中避雷针时，避雷针周围通常会产生电压较强的感应电流。因此，在电子设备的安装过程中需要考虑电磁屏蔽效果，避免设备周围产生雷电感应电流。

雷电感应电流会通过电缆等外部线缆进入设备，因此外部电缆的屏蔽效果直接关系到设备安全。通常可以采用2 种屏蔽方式来提高屏蔽效果：一种是普通线缆采用屏蔽电缆，电源线缆采用双屏蔽电缆；另一种是在敷设外部电缆时增加金属走线管道，金属管道接地尽量避开避雷针下引线，使外部电缆穿过金属管道进入设备，从而保证感应电流不会通过外部电缆进入设备。

4.2 接 地

接地是防雷工作中的重要环节。当雷电流流入大地时，接地电阻、接地电感、接地下引线的长度以及雷电流上升沿的陡度都会影响接地后的压降。防雷的一个关键指标是瞬时电压降。瞬时电压降越小，对接地线的冲击越小，对设备的危害性就越小。因此，可以通过降低接线电阻阻值、增加接地线的数量以及缩短接地点的长度等措施来改善接地效果，使雷电流及时泄入大地，避免对设备造成损害。

4.3 阻 隔

除了屏蔽和接地措施，阻隔也是雷电防护的重要手段之一。即使已经采取屏蔽和接地措施，雷电电流仍可能对设备造成损害，因此最直接有效的防雷措施就是阻隔。

目前，常用的阻隔措施是在设备上增加浪涌防护器。浪涌防护器通过降低传导线传导过来的雷电电压和电流，与设备共地，使设备与浪涌防护器相连的部分为等相位，从而阻隔雷电电压和电流进入设备[5]。

浪涌防护器通常采用放电管进行设计。当雷电过电压和过电流经过浪涌防护器时，防护器会处于高阻态，阻止雷电过电压和过电流进入设备。浪涌防护器通常需要加装在线缆的两端，以便及时将雷电泄放掉，从而保证线缆两端的设备不被损坏。

5 电源雷电防护装置

雷电防护是一项需要从系统层面综合考虑的系统工程，为提高设备的雷电防护效果，需要增加必要的防雷设计。根据直流电源的特点，一种电源雷电防护装置的布置如图2 所示。

图2 雷电防护装置布置

在上位机和下位机电源端各加装1 个雷电防护装置，通过近端接地的方式及时泄放能量。雷电防护装置将直流电源信号通过插座、电缆连接，形成输入/输出电源信号的直接连接。当防护装置电路因雷击电流过载故障而影响工作时，可以将电源信号跳过雷电防护装置直接连接，从而确保设备能够正常工作。

通常电源雷电防护装置（如浪涌防护器）采用多级防护电路设计，常用的是三级防护电路，如图3所示。

图3 电源雷电防护电路设计

三级防护电路一般由一级防护、二级防护、三级防护等部分组成。其中；一级、二级防护单元通常采用可以承受雷电电流冲击的防雷元器件，以保证浪涌防护装置的可重复利用性；第三级防护单元则采用响应时间极短的元器件，以便对雷电的防护快速响应。这种多级防护电路设计可以更有效地吸收和泄放雷电能量，从而保护设备免受雷电的损害。

6 结 论

通过在传输线路的两端加装雷电防护装置，可以有效保护线路两端的设备不因感应雷效应而损坏。然而，对于直击雷的防护效果仍然存在一定的局限性。实际应用中，需要综合考虑多种因素，采取有效的防护措施，以保障设备和人身的安全。后续将继续研究和开发直击雷的防护装置，以进一步提高设备的防雷能力。