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怎样预防“雷电感应”对电源系统的侵袭
发布者: 防雷管理员   发布日期:2013-01-17

     摘 要:雷电对用电设备的破坏途径主要是两个,一个是雷电直接击中用电设备;一个是间接雷击中用电设备。本文结合笔者在本单位的多年实践,通过对“雷电感应”所产生的机理分析,找出防范“雷电感应”的方法,其中有些在我单位经过几年的实践证明确实是行之有效的好方法。
    关键词:雷电感应;幅度;相位;频率

                                                                           引 言
  
      随着经济的发展,用电设备越来越多;同时全球气温变暖,极端天气也越来越多,雷电灾害越来越严重,雷电对电子设备的破坏力是巨大的,所造成的损失也是惊人的。雷电对用电设备的破坏途径主要是两个方面,一个是雷电直接击中用电设备;一个是间接雷击中用电设备。经过本人多年实践认为间接雷击中的“雷电感应”对电子设备破坏力最大,而人们在防雷过程中往往只注重防雷电直击,而忽略“雷电感应”。本文结合笔者在本单位的多年实践,通过对“雷电感应”所产生的机理分析,找出防范“雷电感应”的方法,其中有些在我单位经过几年的实践证明确实是行之有效的好方法。

  1 、对雷电感应的分析
  1.1 雷电感应对输变线路的侵袭

      如图1所示,是雷电感应对高压输变电线路的侵袭示意图,雷云带有的大量电荷对大地进行放电时瞬间产生巨大的雷电电流,该电流是一个巨大的脉冲电流,具有极大的电流变化率,在电流的周围也就产生一个巨大的变化磁场B,在该变化磁场的作用下,在高压线及其周围的线路中会产生感生电动势,而该感生电动势具有强大的波坏力。在笔者多年的实践中发现,易遭受雷击的地区,几乎所有的被雷击坏的电子设备都是通过该设备与外部连线造成损坏的,一个是通过电源线引入的雷电,一个是通过信号线引入的雷电。本文重点对电源系统进行分析与防治。
  1.2 雷电感应的特性

      无论是高压输电线路,还是低压线,都是由多根导线组成,由于线与线之间距离很近,并且都是平行走线的,雷电感应产生的破坏电压在每根线中产生的感生电动势的相位和幅度都是相同和相等的,笔者用一根粗电缆对电容器放电(模拟雷电),在平行摆放的两根导线中测试感应电压的幅度和相位,所得的波形如图2所示,从图中可以看出,在两根平行放置的导线产生的感应电压相位和幅度基本相同。
  1.3 对电子设备的侵袭

       我们所使用的市电几乎都是三相四线制,是将外电高压电经过三相变压器变压到相电压为380V、线电压为220V的三线四线制使用。如图3所示,是高压变压器,外电高压三线A、B、C分别连接变压器的三个绕组的一端,三个绕组的另一端接在一起并与大地相连接。在变压器的输出端三个输出绕组的一端连在一起与大地相连接,同时该端也作为三相四线制的一个输出端(零线N),而三个绕组另一端分别作为三个输出端(火线A、B、C)。该变压器输出端A、B、C之间的电压为相电压,是380伏,线电压(A与N、B与N、C与N之间的电压)为220伏,我们民用的市电一般都取线电压,也就是A、B、C三项其中一项与零线之间的电压。
       由此可见当有雷电感应在输入端的A、B、C产生的破坏电压时,在变压器的输出端的A、B、C与地(零线)也会产生破坏电压,而我们市电用户恰恰使用这一电压,这就难免造成用电设备的损坏。在实际防雷工作中,一般都会加装避雷器来防范雷击,可在实际使用当中,在笔者的单位无论如何加装避雷器及改善接地性能,也更换过不同品牌的避雷器,就是不能完全杜绝用电设备遭受雷击而损坏。究其可能的原因有:避雷器的保护电压过高、反应时间过慢以及接地电阻过大等。本人基于以上的分析,找出了一些的防雷方法,并在多年的实践当中证明十分有效。

    2、 对雷电感应的防治
    2.1采用380V/220V变压器进行隔离
       选用功率相当的380/220伏的变压器,变压器的输入端接380V,也就是相电压(两根火线之间的电压),输出端即输出220伏的电压,将该220伏的交流电作为交流电源使用。当打雷时在每一根相线上产生的感应电压的大小和相位都相同,三个相线上产生的感应电压大小相位都是相同的,在雷电脉冲到来时,在380V的输入端电压同时升高,相线之间没有“雷电感应”产生的电压的存在,在220V的输出端就不会有雷电感应电压输出,设备也就不受损坏了。在笔者单位,对220伏电源进行改造,经过改造后我们已经使用了两个夏季,在改造前每年多有多台的电子设备被雷击损坏,改造后没有发生一次雷击而损坏。
    2.2 将三相变压器的输入端的“星”接改成“角”接

        如图4所示,是三相变压器输入端“角”接接线图,将输入端由“星”形接法接改为“角”型接法,输出端接法不变,由此可看出,当有雷电感应脉冲电压进到输入端时,由于该脉冲电压的幅度和相位都相同,在输入绕组的线圈三端,雷电产生的脉冲电压会同时升高和减小,而在线圈的两端之间没有雷电感应电压产生,线圈中就没有雷电电流流过,那么在次级的输出端也就没有雷电感应电压了,即达到防雷的目的。根据同样道理,也可在三相电中加装“星接”/“角接”1:1隔离变压器,也可以起到同样的效果。(该方法只是理论分析,笔者没有经过实际实践,如需改动要与变压器厂家联系,因为变压器的初级匝数要相应的增加)。
   2.3在线路上串接电感线圈
      在两根220V电源线其中的一根线(最好是零线)中串接一个电感。该电感选用几十瓦以上的变压器铁心,选用相当粗细的导线(也可使用电源线中的一根线),在铁芯上缠绕10~20圈,所缠绕的圈数可根据用户的电压决定,如电压足够可选择20圈左右,然后将该电感串接在零线中(注意线圈的固定,放置震动摩擦,注意安全)。对于正常用电时,由于在铁心上缠绕的圈数很少,因此对于50Hz的市电在铁芯上最多产生3~5V的压降,如果选用铁芯质量好,就不会发热,就不会对用户产生影响。而对雷电感应具有很好的抑制作用。如图5所示,是雷电流波形图,该波形图取自《IEC 62305—1雷电防护第一部分 总则》,T2的时间小于2ms,由图中我们可以估算出雷击产生破坏力最大的电流频率在1kHz~2kHz左右,要远远大于市电频率50Hz,即使在50W的铁芯上缠绕十圈,对雷电流的阻抗在10kΩ以上。对雷电流有很大的抑制作用。

   2.4 在线路上并接电容器
      选择容量为2μF左右,耐压为450V的无极性电容,并接在220V的电路中,由于电容器的容抗随着频率的升高而减小,2μF左右的电容器对50Hz的市电没有不良影响。而对雷电产生的脉冲电压具有很好的旁路作用。能在很大程度上削减雷电脉冲的幅度,进而达到防雷的目的。该方法也是最为简单易行的防雷方法,只需在商店买来无极性电容器,在将电容器的两根引线接一个电源插头,与需要保护的用电设备共同插在同一个插座上即可,成本也就在5元钱左右,效果也很好。

    3、结束语
  笔者在多年的防雷实践中切身感觉到“雷电感应”对电子设备的破坏程度严重性,也了解到一些单位只注重防直击雷的工作,而忽略防间接雷击,特别是防“雷电感应”,给用户造成了很大损失,笔者只是抛砖引玉,希望能引起同行足够的重视。