线路过电压、过电流的损坏原因分析及防护方法

1.雷击避雷针、避雷带、电源线、信号线产生感应过电压（过电流）的现象是经常发生的。

2.图1中的电子设备A和B是两台互相传输数据的设备，假设电源线上传输进来5kA雷电电流波（10/350μS），按图2所示的等效电路，设备是否会被损坏？

图8-1-1　独立接地系统的设备电位差图

（1）假设：电源避雷器P性能优良，其响应时间和导通后的残压不会损坏电子设备A，雷电流IP=5kA全部流经避雷器P进入接地点G1入地；

接地电阻R1=1Ω、R2=1Ω、R3=1Ω，且互为独立接地。

雷电流IP流过接地电阻R1时，接地点G1的地电位将抬升为UG1=Ip·R1=5kV。

（2）该电位UG1此时会加到电源的输入端a1，而设备A的接地点G2为零电位，则电源输入端与入地点G2之间的电位差Va1G2=5kV。

电子设备开关电源能耐受的最高电压为800～1500V（10/350μS波），若5kV的电压波加到a1—G2两端，则设备A的电源端将被过电压损坏。

（3）为了避免设备A的电源端免受雷击损坏，应将接地点G1与G2相连接（如图2所示）。

图8-1-2　用避雷器防雷的等电位接地图

（4）从（3）项看，G2电位变为5kV，此时，信号传输线另一端设备B的接地点G3为零电位，而信号接口a2与接地点G2之间的电位差VG2a2变成了5kV，从而使信号接口a2损坏。

（5）要保护信号接口a2，应在信号接口a2和接地点G2之间安装残压小的信号避雷器PA，且接地点必须与G2相连。

（6）由（4）项可以看出，设备信号接口被雷击损坏，该雷电不一定是由信号传输线产生的感应过电压所致。

（7）由（5）项可以发现，虽然设备A的信号接口a2并未损坏，但5kV的电压已加到a2与G3端，那么信号接口b2会损坏吗？理论计算与实验结果表明：a2至b2的信号传输线，如果线径≤1mm，长度大于100m，则线阻加上导线的分布电感所形成的电抗分压，使得加到b2与G3的电压Vb2G3小于100V，但如果传输线小于100m，则有可能使Vb2G3＞100V而使设备B受到雷击损坏。

（8）为使设备B得完好保护，应同设备A一样按（3）和（5）项的要求去做。

假设雷电从信号线上产生，其分析方法，防护手段同（1）至（8）。(www.xing528.com)

3.图3是建筑物受直击雷后室内设备受损坏的示意图，图中A、B、C是处在不同楼层的电子设备；SA、SB、SC为各设备之间互相通信的信号线；S是与建筑物外的设备通信信号线；G1、G2、G3为不同楼层建筑物内部钢筋引下线；L、LA、LB、LC为设备供电线路；RS为设备工作接地，RG为建筑物防雷接地，GA、GB、GC为设备工作接地在主杆线上的接地点；PL、PS分别为电源避雷器和信号避雷器。

图8-1-3　建筑物内设备受雷击分析示意图

4.假设雷电直接打在建筑物楼顶避雷带上，入地雷电流I=100kA，RG=1Ω、RS=1Ω。此时，G1、G2、G3所处的各楼层的电位都将抬升100kV，如果GA、GB、GC与防雷地不相连接，就会发生设备工作地线与建筑物楼板到处打火的现象（反击），因为100kV的电位差可击穿的空气距离达300～500mm（由当时的空气绝缘程度而定）。

如果RG与RS相距较远（如20m以上），设备工作接地线与楼板、墙壁绝缘较好，地电位的抬升不足以击穿设备工作地线。但雷击时，工作人员刚好与设备机壳相接触，人身体上的某一部位又与地板或墙壁相接触，雷电将会流过人体进入设备工作接地，人身安全必将受到伤害（作者本人亲眼看到此类事故的发生）。

5.当3项和4项的事故发生后，高电位进入设备击穿设备的电源端或信号端口，雷电从电源线或信号线流出，构成了雷电流回路，使设备受到损坏，造成雷电电流波的低电位引入现象。

（1）为了避免3项和4项事故的发生，RG与RS必须是同一个接地体，即设备工作地和防雷地必须联合接地；联合接地后，人身安全了。

（2）联合接地后，设备就安全了吗？不，雷击时，设备机壳通过工作地线流入接地体，由于地线的分布电感及线电阻产生的线电压降很大（分布电感产生的线电压将在下一节讨论），很难保证设备A与B与C之间的地电位是相等的，当电位差大于100V以上就有可能使SC、SB、SA和S的接口通过信号连接线将雷电流（或过电压）引入而损坏接口；当雷电产生的电位差大于800～1500V，电源输入端口LC、LB、LA也将损坏（不论是否安装避雷器PL、PA，此结果作者曾做过多次试验）。

（3）要解决直击雷造成反击损坏设备的现象，就得尽量减少各点之间的电位差。具体方法是：

各楼层的设备工作地GA、GB、GC应与该楼层的建筑物主钢筋相连（至少两点相连），并在机房内组成环形汇集环，如图4所示。

接在汇集环上的设备1与设备2如果互相连网，在雷击时，因其地电位差极小，从而避免了雷击反击损坏。

（4）禁止在机房内用细小的铜线将设备串联接地，因为导线的分布电感和线阻，将使各接地点之间电位差增大。

（5）如机房内的环形接地体无法与大楼内的主钢筋相连，则用两条铜线同时引下，铜线的截面积为每平方毫米导线最长为0.5m且截面积不宜小于35mm2。环形接地体与设备的电源插座相连或与设备相连，其连线截面积为每平方毫米导线长度最长为10cm。

图8-1-4　机房内的环形接地汇集环图

（6）进入和引出大楼的各种线路均加装避雷器，且应与设备的工作接地相连。

（7）由于直击雷入地的电流强度极大，因此在雷电流入地的过程中，将产生极强的电磁波，该电磁波会近距离感应在大楼内各种设备的线路上，产生感应过电压，从而使设备损坏。

防止直击雷的感应过电压，传统的办法是将各线路进行屏蔽处理或在每一个线路的设备输入、输出端安装各种避雷器。