雷击建筑物时的雷电流分布研究

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配电变压器和线路模型
在不同的文献中， 采取了不同的变压器模型， 有
!" # $%" !&、 3 # ." !& 时的电流分配情况。
的用耦合电感和电容来表达变压器的绕组和绕组间 的电容；有的采用非常精确的模型来研究低压侧的 浪涌行为对变压器的损坏情况。而我们要研究的是 雷电流的分配情况，只需要一个雷电流的通道就可 以， 因此采取一个合理的简化模型， 只考虑二次侧绕 组的电感和绕组本身的电阻。电力线采用分布参数 的形式， 表 ! 为所用的典型值。
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改变传输线参数的影响
为研究传 输 线 的 阻 抗 值 对 雷 电 流 分 配 的 影 响 ，
采 用 传 输 线 的 单 位 阻 抗 值 分 别 为 0*+ !3 1 :、 (*)
!3 1 : 和 )*! !3 1 : 进 行 研 究 ， 其 它 的 参 数 保 持 不
击中三相供电的 88 系 变。采用 (0 1 .-0 !2 雷电波，
输 配 电
中 国 电 力 #?#$3@"$ >AB#@
雷 击 建 筑 物 时 的 雷 电 流 分 布 研究
李清泉， 袁 鹏， 李彦明
.(&&!)）
（西安交通大学 电气工程学院， 陕西 西安
摘
要：建立了雷电流、雷电防护系统、配电变压器等配电网络的模型，利用国际通用的电磁暂态分析程
序 #=3> 研究了 33 系统 （一种典型的低压配电系统）在遭受雷击时，雷电流在 33 系统中的分布。并研究 了单相和三相供电、不同波形的雷电流、传输线的线路阻抗对雷电流分布的影响。 关键词：雷电流；浪涌抑制器； #=3> 中图分类号： 3=8%* 文献标识码： 9 文章编号： (&&!/)%!) （1&&1 ） &./&&*1/&!
#$ !;7. (,*/ -(*("*! !0*!;<9 !+*( ./*+ !)*+ ."
电流峰值
表#
相数 雷击Hale Waihona Puke Baidu
雷电流峰值计算结果比较
!%&’( )"*+ (/*/ (-*/ +*!%&’) !"*) (0>> .) !>> !;7( ),*(.*! )!*) ("*! !%&’-! "*! ./*/ !*" +*.
经第 通过表 ) 可清楚的看到改变导线的阻抗值， 而对 ( 幢建筑物接地系统流入大地的电流影响较大， 于线路上的 %&’ 及变压器的接地系统的影响很小。
建筑物电源入口处的浪涌保护设备 （89: ） 采用 非 线 性 电 阻 元 件 模 型 ， 它 在 % +, 时 的 残 余 电 压 为
.-% +; 。
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电路模型的简化
在建筑物内还有水管、煤气管道及电话线的浪
图#
雷电击第 ) 幢建筑物雷电流的分布波形
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万方数据
输 配 电
中 国 电 力
在差异， 对于防雷设计和保护装置的试验， 标准中还 规定了一系列试验波形： , 1 )0 !2、 (*) 1 -0 !2、 (0 1
!%&’( !%&’) !%&’!;7( !;7 . !;<9
+ 计算 中 ,?%&’- 和 ?&%’+ 相 等 @ 故 只 列 出 ?%&’-A>> 当 雷 电 击
中第 . 幢时 @ 雷电流通过 %&’) 的时间大大延迟。
从表 ) 中， 可看出当雷电击中第 ( 幢建筑物， 在 单相变压器供电时， 通过中性线 %&’ 上的雷电流峰 而在三相变压器供电时为 .) #$ 。而 值高达 !" #$ ， 在其它情况下就没有这么严重。雷击第 . 幢建筑物 时时， 由于传输线等因素的影响， 大部分雷电流经接 地系统流入大地。
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典型例计算
假 设 第 ! 幢 建 筑 物 和 配 电 变 压 器 间 的 距 离 <!
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式中 !4’!"" +, ； （!&）； 的单 , ’ "-"!. 1$ $’ $-7!!!&； 。 位是微秒 （!&）
为 ." *，第 . 幢和第 ! 幢间的距离 <. 与第 $ 幢和 均为 !"" *。分别研究雷 第 . 幢间的距离 <$ 相等， 电击中第 ! 幢和第 $ 幢建筑物以及雷电流波形为
** 结构示意图及流过的雷电流峰值
图 $ 为雷电击中第 ! 幢建筑物时，第 ! 幢建筑 物上各部分的雷电流波形。图 1 为雷电击中第 $ 幢 建筑物时雷电流在 $ 幢建筑物上的分布。 从图 .>1 中可看出， 当雷电击中第 ! 幢建筑物 时，流过中性线到大地的 89:. 上的雷电流峰值高
!"$ %&’ 的模型
-) #$ ， 经 变 压 器 的 接 地 流 入 大 地 的 雷 电 流 峰 值 为 ./*+ #$ 。
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三相供电时
采用三相变压器进行供电时，这时与单相变压
器供电的不同 点 是 电 源 线 和 大 地 之 间 有 . 个 %& 连 接。 为了与单相时的情况比较， 三相时的结果列于表 仍采用 (0 1 .-0 !2 标准雷电波。由于三相的对 ) 中， 称性， 流过电源线与大地间的 %&’ 间的雷电流大小 都相等，因此流过建筑物的电源线与大地间的 %&’ 的 雷 电 流 仍 分 别 表 示 为 !%&’)， 不过它们 ! %&’. 和 !%&’-， 代表的是每一相上 %&’ 的电流。
表)
电力线参数 电阻系数 & # % ・ *)! 电感系数 ? # *@ ・ * 电容系数 A # !B ・ *
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电力线的参数值
电力线参数值
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接地保护系统
在雷电保护系统中，接地系统必须能安全地把 图!
巨大的雷电脉冲电流泄放到大地，而不危及到所保 护的建筑物内的人和设备。 许多文献已从理论和试验研究了接地系统的瞬 态特性。 研究表明， 影响接地系统的脉冲行为的参数 主要是雷电流的波形和最大值、大地的电阻率和接 地系统的结构。有的文献认为接地阻抗的实际值是 变化的， 是雷电流的时间和幅值的函数。如文献 ［$ ］ 中开始建议的模型是由随时间或电流的变化而变化 的电阻、 电容和电感组成的。但随着公式的推导， 到 最后作者得出结论， 只用一个 !" % 的电阻就可比较 理想地来代替。在我们的建筑物接地系统模型计算 中也采用这个值。
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雷电流模型
根 据 "#$%(&1! — ( ， ())8 和 59*&&*. — )! 标
雷 准，首次雷击的雷电流参数幅值为 (&&:1&& 0; ， 在我国大部 电流的波形为 (& 6 ’*& %< 及 8 6 1& %< 等。 分地区， 为计算方便 ， 采 (&& 0; 的雷电流比较少见， 用 电 流 幅 值 为 (&& 0; 的 电 流 源 直 接 加 在 第 一 幢 建
$ % #& !’ 雷电波击中第 * 幢
建筑物时的电流分布情况 在图 - 中， !256(、 !256)、 !256-、 " 7(、 " 7. 和 " 89 的 峰 值 分 别 为 (! #$ 、 ..*- #$ 、 !*0 #$ 、 .(*/ #$ 、 (-*- #$ 和 从图 . 、 对于 (0 1 .-0 !2 和 !!*+ #$ 。 - 及表 ) 可看出， 雷电流的分布差别不是很大， 这时 , 1 )0 !2 雷电波， 因为在雷电波的上升阶段，在所选择的电路参数里 电感起主要作用。
#
模型的建立
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雷电防护系统
"#$%&’%! — ! — !’ ， ())* 《建 筑 物 电 气 装 置 + 防
大气过电压或操作过电压》 中 《大气过电压或投切过 电压防护》标准按安装位置将建筑物内电气装置设 备的过电压分为 ! 类： !， "， #， $ 类。,-#&%.* 则 规定了相应的保护器分类 （如图 ( ） 。 $ 为能承受进 线处电源的设备， 如进线和进户配电开关； $/# 类 位置后为固定安装的设备， 如电度表箱、 住宅组合电 器， 如插座条、 移 "/# 类位置后为安装的电气用具， 动设备， "/! 类位置后为电子和信息设备。 雷电防护系统的功能是使建筑物内电气设备在 雷击时，可能遭遇的过电压仍处在各类安全过电压 收稿日期： 1&&1/&1/&’
且每 水平以下。当该地区雷电浪涌电压大于 % 0, ，
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前言
随着现代电子技术发展， 特别是近几十年来， 大
就应在进线处安装低压避雷器。 年雷电日超过 1* 2 ，
规模及超大规模集成电路的广泛应用，使电子产品 广泛应用于电力、 航空、 邮电 、 医疗及现代化生活的 各个领域。 在产品的体积、 功耗及价格大大下降的同 时， 对电源和信号中出现的各种过电压极为敏感， 抵 抗过电压的能力也非常脆弱。系统中出现的过电压 干扰， 不仅能引起系统的误动 作 ， 甚至损坏， 而由此 所造成的直接和间接损失确是非常巨大的。低压电 雷电、 静电放电、 操作过电压 网通常有 ! 类过电压： 和工频过电压。 尤其雷电过电压的破坏性最大， 通常 会造成设备的介电常数下降，敏感设备中的电子器 件损坏， 保护装置、 监控系统误动作， 甚至停机停产。 因此， 必须对建筑物进行雷电防护措施， 防止过电压 进入建筑物。 主要研究一种典型的 33 系 统 在 遭 受 直 接 雷 击 时，雷电流的分布及影响雷电流分布的参数。根据 《民 用 建 筑 电 气 设 计 规 范 》 及 "#$ 相 关 454 6 3(% — )1 标准， 低压配电系统的接地形式可分为 33 系统、 37 系统和 "3 系统。 它的 33 系统是一种较常用的形式， 电源中性点直接接地，电器设备的金属外壳通过保 护线接地，但工作接地与保护接地间无直接 （金属 （单相或三相中的一相） 向 性） 连接。 图 1 为一变压器 沿街道两边的建筑物 （假设有 ’ 幢建筑物） 供电的典 型 33 系统。 图" 过电压及保护器分类
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单相供电
图 . 为一种典型单相 （或三相变压器中的一相）
供 电 的 == 系 统 的 结 构 示 意 图 以 及 当 采 用 标 准 的
!" # $%" !& 雷 电 波 击 中 分 别 第 ! 幢 建 筑 物 和 第 $ 幢
建筑时的各部分的雷电流峰值。斜杠前的数值为雷 击中第 ! 幢建筑物时的雷电流峰值，后面的为击中 第 $ 幢时的雷电流峰值。
(000 !2 和 0*- !2， (00 #34 衰 减 震 荡 波 形 等 。 采 用 , 1 )0 !2 进行计算，假设峰值为 (00 #$ 的雷电流直
接击中第幢建筑物 （三相供电） 进行对比研究。图 为计算结果的图形。
图(
雷电击第 ! 幢建筑物雷电流的分布波形
达 !" #$ ， 流 过 电 源 线 与 大 地 间 的 %&’( 上 的 电 流 为 )"*+ #$ ， 经 接 地 系 统 流 入 大 地 的 雷 电 流 峰 值 为 经变压器的接地流入大地的雷电流峰值为 ),*- #$ ， 而当雷击中第 . 幢建筑物时， 流过中性线 !+*( #$ ； 到 大 地 的 %&’+ 上 的 雷 电 流 和 流 过 电 源 线 与 大 地 峰值为 ./*/ #$ ， 间的 %&’- 上的波形及大小都一样， 经建筑物的接地系统流入大地的雷电流峰值为 图)
统的第 ( 幢建筑物， 计算结果示于表 . 。
表! 传输线阻抗的影响
(*) !3 1 : (,*).*! -*."*. ("*/ ."*,
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)*! !3 1 : (,*))*0 -*( -(*("*) ."*+
( ( . .
注
(=楼 .=楼 (=楼 .=楼
0*+ !3 1 : (!*. .+*/ !*" )(*0 ("*/ !0*.
）
（! ）
式 中 ! * ’!"" +, ； # ’!-".% ； " ’.-"%/!"($ # !&； # ’"-%01 # （!&） 。 !&； 2 的单位为微秒 对于 3 # ." !& 电流脉冲波形是防雷设计和保装 置试验规范中十分常用的标准波形，采用幂指数的 表达形式。 （ （(" # $ ） ! "） ’# !4 "$564
作者简介：李清泉 （()%)/） ， 男， 山东济南人， 博士研究生， 从事电磁兼容及过电压研究。
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万方数据
李清泉等：雷击建筑物时的雷电流分布研究
输 配 电
筑物上。对于 !" # $%" !& 的波形采用双指数函数的 形式进行表达。 （ ! "） ’# !（ $ % )%
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涌保护设备等都可泄放掉部分雷电流。但通信设备 通常是与大地隔离的平衡系统；一些水管和煤气管 道采取隔离的阴极保护方法，现在有的地方也采用 塑料管道来代替。 因此在本文中， 不考虑这部分雷电 流泄放通道的影响。