2.5 雷电电涌过电压的危害

2.5.1 电涌过电压的产生与危害

1．电涌过电压的产生

电涌过电压是指超出正常工作电压的瞬间过电压，通常还被称为瞬变脉冲电压、瞬态过电、突波或电涌等，是电路中出现的一种短暂的电流、电压波动，在电路中通常持续约1/106s的剧烈脉冲。电涌过电压的来源有两类：外部电涌和内部电涌。外部电涌过电压最主要来源于雷电，少量是电网中开关操作等在电力线路上产生的过电压。内部电涌过电压则与供电系统内部的设备启停和供电网络运行的故障有关。

雷电产生的电涌过电压危害最大，在雷击放电时，以雷击为中心1.5～2km范围内都可能产生危险的过电压。雷击引起（外部）电涌过电压的特点是单相脉冲型，能量巨大。外部电涌的电压在几微秒内可从几百伏快速升高至2万V，可以传输相当长的距离。由雷电引起的过电压具有电流大、电压高、危害大的特点，是低压交流电源系统中过电压防护的主要对象。

2．电涌过电压的危害

在高压输电系统中，接入系统的各种高压电力设备的耐压水平都很相近，接线方式相对简单，避雷器只需保护其安装处的电力设备即可，几乎不采用多级避雷器配合保护。但是，对于低压交流电源系统来说，过电压防护是比较复杂的。随着现代经济的不断发展，人们对电源系统设备的应用越来越广泛，使得电子产品做工更加精细，性能方面也得到很大的提高。虽然电子产品在使用方面有很多优点，但由于电子产品体积小、工作电压低、功率损耗低，对电源线路和信号电路中入侵的电涌过电压非常敏感，耐受过电压的能力也非常有限，因此对低压交流电源系统的雷电过电压防护方面的研究是非常有必要的。由于电子设备使用的交流电源通常是由供电线路从户外交流电网引入的，当雷击于电网附近或直击于输电线路上时，在线路上会产生过电压波，这种过电压波沿线路传播进入户内，通过交流电源系统侵入电子设备，造成电子设备的损坏。

在低压交流电源系统中，雷击引起的电涌过电压主要有以下形式：

（1）直接雷击电涌过电压。是雷电直击低压交流电源线路引起的过电压，以及雷击低压线路附近的建筑物造成建筑物对低压线路闪络引起的过电压。雷电直击低压电源线路时，雷电是以波的形式沿导线传播而引入室内的。雷击点处的电位相当高，可达数百万伏至数千万伏甚至更高。

（2）感应雷击电涌过电压。雷击闪电产生的高速变化的电磁场，闪电辐射的电场作用于导体，感应很高的过电压，这类过电压具有很陡的前沿并快速衰减。

（3）反击电涌过电压。是雷击避雷针等接闪装置或接地系统，造成地电位升高形成高电位而产生的反击过电压。该电位产生的过电流通过配电系统的零线、保护地线或弱电系统的地线，也是以波的形式传入室内设备的接地点或外壳，形成反击过电压毁坏低压电源设备。

（4）侵入波电涌过电压。此类过电压是由于架空线路遭受直接雷击或感应雷而产生的高电位雷电波，沿架空线路侵入变电所造成而危害。由于电网中的设备对过电压有不同的抑制能力，因此侵入波过电压能量随线路的延长而减弱。

电涌过电压的危害主要分成两种：灾难性危害和积累性危害。灾难性危害是指一个电涌电压超过设备的承受能力，则这个设备完全被破坏或寿命大大降低。积累性危害是指多个小电涌累积效应造成半导体器件性能的衰退、设备发故障和寿命的缩短，最后导致停产或是生产力的下降。

在配电系统中，电涌过电压可能引起电压波动、机器设备自动停止或启动、电气设备由于故障、复位或电压问题而缩短寿命；对于电子电气设备，电涌过电压可能对元器件造成破坏，也可能干扰电子电路运行，造成数据出错等。

电涌过电压对建筑物内电子设备造成危害的例子数不胜数。1992年4月27日，南昌江西医科大学160门程控电话因感应雷被击坏15门，而同一时刻江西财经干部管理学院的200门程控电话全部毁于感应雷。北京国际关系学院新装电教中心全套电视录像设备，后来加装卫星接收天线时，尚未及安装避雷装置就遇上雷雨，室外天线的馈线遭雷击，导致室内电视录像设备毁坏。1993年的一次雷雨，北京酒仙桥有200多户的电视机被毁，其中20台报废。

2.5.2 如何防备电涌过电压

由于电子计算机的普及和高精密电子仪器设备的大量使用，对电子设备电源系统的过电压保护显得越来越重要。雷电电涌过电压的产生与传输过程，不管是在高压电网系统中还是在低压交流电源系统中，其原理都是相同的，对电源系统设备的损坏机理也基本相同。

低压交流电源系统综合防雷措施主要包括：①外部防雷措施，如接闪器、引下线、屏蔽和接地系统；②内部防雷措施，如屏蔽隔离、等电位连接、合理布线和安装电涌保护器。对于外部防雷，主要是针对雷击建筑物时所采取的措施，一般都采用避雷针、避雷带等传统避雷装置，这些避雷设施能有效地防止直击雷的危害。但对于雷电感应高电压以及雷电电磁脉冲来说，这些措施作用是很小的。因此，需要采取内部防雷措施。

1．屏蔽措施

沿线路侵入的电涌过电压波常常会损坏脆弱的电子设备，利用各种金属屏蔽体来阻挡和衰减施加在电子设备上的电磁干扰或过电压能量是一种有效的防护措施。电子设备常用的屏蔽体有设备的金属外壳、屏蔽室的外部金属网和电缆的金属护套等，采用屏蔽措施对于保证电子设备的正常和安全运行来说是十分有必要的。

2．良好的接地系统

良好的接地系统是其他防护措施的基础。电源系统的接地采用统一接地方式，即将电源地、信号地、屏蔽接地、电涌保护器接地等均应连接到局部等电位接地板上。

3．等电位连接

当雷击发生时，在雷电暂态电流所经过的路径上将会产生暂态电位升高，使该路径与周围的金属体之间形成暂态电位差，容易形成反击。为了消除这种电位差，需要把建筑物本身以及建筑物内各种导电体用导体在电气上连接起来以保证等电位，这样就可以在发生雷击时避免在不同金属外壳或构架之间出现暂态电位差。

4．安装电涌保护器

电涌保护器广泛应用于低压交流电源系统中，用以限制电网中的雷电过电压，使其不超过各种电气设备所能承受的冲击耐受电压，保护设备免受由于雷电造成的危害。电涌保护器主要有电压开关型和限压型两类。

（1）电压开关型。电路中没有产生电涌过电压时呈高阻抗状态，在电涌暂态过电压作用下突变为低阻抗状态，如放电间隙、气体放电管等组件。

（2）限压型。电路中没有产生电涌过电压时呈高阻抗状态，出现电涌过电压时会随着电涌增大，阻抗值逐渐变小，典型组件为压敏电阻、齐纳二极管与雪崩二极管等。

电子设备的损坏绝大部分是由沿电源线路、信号线路和金属管线涌入的雷电电涌过电压造成的。使用电涌保护器时，根据建筑物内用电设备距离电源入口位置和设备的绝缘配合水平以及被保护设备过电压等级分类来选择合适的电涌保护器，见表2-3和表2-4。

从建筑物电源总入口处侵入的电涌电流峰值往往非常高，为了使被保护设备承受的电涌能够控制在其耐受冲击电压额定值的范围内，必须根据被保护设备的不同安装位置和耐受程度采取多级电涌保护器配合保护，逐级衰减电涌过电压、过电流。正确安装电涌保护器可以很好地达到防备电涌过电压的效果。