低壓系統(tǒng)中雷電流的分布-第二部分
借助商業(yè)網(wǎng)絡(luò)分析軟件對(duì)瞬態(tài)電流和電壓的分布進(jìn)行仿真模擬，這種方法在幾年前已被認(rèn)知。早在2002年的前標(biāo)準(zhǔn) DIN V VDE 0185-4及附錄中所列的專業(yè)文獻(xiàn)中，圖1所示的雷電流分布建模及計(jì)算的基本方法已進(jìn)行了詳細(xì)描述。
圖2展示了本文第一部分所描述的孤立建筑物的等效電路，此建筑物直接由低壓變壓器供電。如本文第一部分所述，在附錄1的第一個(gè)例子中描述了在首次正極性沖擊電流下低壓系統(tǒng)中雷電流的分布。圖3展示了簡化系統(tǒng)中每個(gè)雷電流的時(shí)序圖。由此可得出與電涌保護(hù)器相關(guān)的重要參數(shù)，如：電流峰值 t ipeak，沖擊電荷 Q 或雷電流陡度di/dt。
系統(tǒng)內(nèi)電流分布受到低壓系統(tǒng)中感應(yīng)的電流變化di/dt以及容性接地系統(tǒng)的影響。然而由于返回的電流變化較小，因而接地電阻對(duì)電流分布的影響很大。在電流上升階段，一部分雷電流流向建筑物的接地系統(tǒng)，在回流的電流回路中，在電源線和本地接地裝置之間，雷電流在兩個(gè)具有相同沖擊阻抗的接地裝置中幾乎是均勻分布的。
圖2 – 在將出版的 DIN EN 62305-4 附錄1圖2 （etz8、2012，第一部分）中， 雷電流分布簡化模型的等效電路
后續(xù)雷電流的分布
對(duì)于首次正極性沖擊電流的特性的描述，也適用于具有一定陡度的后續(xù)電流。圖4展示了后續(xù)沖擊電流下設(shè)備中雷電流的分布，其時(shí)間參數(shù)為1/200 μs，峰值為25kA。
然而，典型的沖擊電流的陡度很大，在低壓設(shè)備和本地接地裝置之間雷電流的分布并不是均勻的。在電流上升期間，流向建筑物接地裝置的雷電流可達(dá)到總電流的90%。在回流的電流回路中，由于兩接地裝置的沖擊接地電阻相同，雷電流在此幾乎是均勻分布的。
通過電涌保護(hù)器流進(jìn)低壓設(shè)備中的雷電流，其上升電流的劇降意味著，對(duì)于通過電涌保護(hù)器連接導(dǎo)線的電壓下降，后續(xù)雷電流的電流陡度不必考慮。
I級(jí)電涌保護(hù)器，采用能量較大的10/350μs沖擊電流進(jìn)行測(cè)試，也能泄放后續(xù)沖擊電流引起的雷電流。采用首次負(fù)極性沖擊電流及后續(xù)沖擊電流對(duì)電涌保護(hù)器進(jìn)行額外的測(cè)試是不必要的。關(guān)于后續(xù)沖擊電流分布和電涌保護(hù)器負(fù)荷的研究和判定也適用于負(fù)極性首次沖擊電流。
這些理論推導(dǎo)的、對(duì)低壓裝置中部分雷電流的計(jì)算機(jī)模擬仿真，將陡峭的雷電流做了扁平化處理，通過觸發(fā)雷電流的測(cè)量得到證實(shí)。圖5展示觸發(fā)雷擊事件的圖片，這是在巴西卡舒埃拉-保利斯塔（Cachoeira Paulista）防雷研究工作站的發(fā)射天線桿上拍攝到的。圖5的比較顯示，計(jì)算機(jī)模擬的雷電流分布達(dá)到的足夠的精度，可用于對(duì)雷電分布的評(píng)估中。
圖3 – 根據(jù)即將出版的DIN EN 62305-4 附錄1， 首次正極性沖擊電流下雷電流的分布
圖4 – 根據(jù)即將出版的 DIN EN 62305-4 附錄1， 后續(xù)沖擊電流下雷電流的分布
持續(xù)雷電流的分布
奧地利阿爾迪（Aldis）雷電研究小組的測(cè)量表明，尤其是在冬季的雷雨天，可能出現(xiàn)持續(xù)雷電流，依據(jù)DIN EN 62305-1 （VDE 0185-305-1）, 其最大電荷可超過 300 As。圖6 展示了帶有405AS電荷的持續(xù)電流，它發(fā)生在2007年1月。
在附頁1中對(duì)兩種系統(tǒng)在持續(xù)電流作用下雷電流的分布進(jìn)行了評(píng)估：一種是中線直接接地的設(shè)備，例如：TN-C系統(tǒng)，另一種是中線通過電涌保護(hù)器非直接接地的設(shè)備，例如：TN-S系統(tǒng)。
結(jié)果總結(jié)如下：在附錄1中確定，對(duì)中線直接接地的用電設(shè)備，電涌保護(hù)器中的持續(xù)電流可以不考慮。對(duì)中線通過電涌保護(hù)器非直接接地的設(shè)備，依賴于雷擊電流的高度以及所涉及建筑物的接地電阻，部分雷電流將通過電涌保護(hù)器流向低壓系統(tǒng)。在此假定：常規(guī)I級(jí)電涌保護(hù)器按照防雷保護(hù)等級(jí)，其每條保護(hù)路徑雷電泄放能力為25kA 至50kA 10/350， 能夠毫無損壞地泄放持續(xù)雷電流。
圖5
–雷電觸發(fā)事件中，在發(fā)射天線桿上雷電流的分布
電纜阻抗和長度對(duì)雷電流分布的影響
電纜阻抗隨著電纜長度的增加而增加，由此，部分雷電流至電源線的時(shí)間也相應(yīng)地被延長，較大一部分雷電流通過火線直接進(jìn)入所述建筑物的接地系統(tǒng)。由于在沖擊電流回流回路中電流陡度較低，雷電流按照在低壓系統(tǒng)和接地系統(tǒng)歐姆阻抗的關(guān)系進(jìn)行分配。
對(duì)于中線直接接地，例如：在建筑物入口處的低壓用電設(shè)備，中線的有效阻抗比火線中的要低。通過中線反復(fù)多次接地，低壓供電的總阻抗也得到減低。由此， 流向低壓設(shè)備的部分雷電流比例增大。其中由于N-線的低阻抗，在低壓電纜中電流的分布是不平衡的。
并聯(lián)用電系統(tǒng)
至今所舉例子都是假定孤立的建筑物由一個(gè)低壓變壓器供電。然而，在實(shí)踐中常常是多個(gè)并列連接的用電系統(tǒng)由一個(gè)共同的變壓器供電。
通過并聯(lián)連接多個(gè)用電系統(tǒng)，使低壓電網(wǎng)中的接地電阻比所述建筑物的接地電阻小，這樣，流入低壓用電系統(tǒng)的雷電流相應(yīng)地增加。圖7中所示為附錄1中的實(shí)例，其中85%的總雷電流通過所述建筑物的電涌保護(hù)器流入低壓裝置中。
圖6 – 冬季雷暴發(fā)生時(shí)，疊加沖擊電流的持續(xù)電流，總電荷約405 As
圖7- 根據(jù)DIN EN 62305-4即將發(fā)布的附頁1，多個(gè)設(shè)備并聯(lián)時(shí)所述建筑物中雷電流的分布
圖8 – 根據(jù)即將出版的 DIN EN 62305-4 附錄1， 鄰近建筑物的雷電流分布
在所涉建筑物中電涌保護(hù)器雷電流承載能力很少取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在附錄1中明確指出，對(duì)于多個(gè)用電系統(tǒng)并聯(lián)時(shí)所述建筑物升高的部分雷電流，根據(jù)防雷保護(hù)等級(jí), I級(jí)電涌保護(hù)器每條保護(hù)路徑中Iimp為25kA至50kA，它可以毫無損壞地泄放。
附錄1中還包含了下列有關(guān)建筑物內(nèi)部分雷電流的陳述：坐落在設(shè)備附近的建筑物，其遭受直接雷擊的風(fēng)險(xiǎn)增大。圖8示出了這樣一個(gè)安裝的例子。
由此得出以下結(jié)論：直接雷擊設(shè)備鄰近的建筑物也會(huì)出現(xiàn)雷擊電流增大的情形。然而，所余部分雷電流的最大值及其能量比建筑物直接遭受雷擊要小的多， 因此，依賴于防雷保護(hù)等級(jí)，優(yōu)化使用的I級(jí)電涌保護(hù)器，以其每條保護(hù)路徑12.5kA Iimp的泄放能力，足以保護(hù)相應(yīng)的設(shè)備。
通常， 在建筑物內(nèi)除了低壓設(shè)備外，還有其它的金屬安裝系統(tǒng)，如：電話和數(shù)據(jù)線，金屬管道系統(tǒng)，水管或天然氣管道等。這些額外的導(dǎo)電裝置同樣可傳導(dǎo)雷電流，并相應(yīng)地降低流入低壓線中的部分雷電流。 另外還應(yīng)注意，這些金屬管道可被塑料管替代，則它們就不再具備傳導(dǎo)部分雷電流的能力。
總結(jié)
有效電涌保護(hù)的首要前提是：針對(duì)電涌保護(hù)器在各個(gè)安裝處的沖擊電流，正確選擇具有相應(yīng)泄放能力的電涌保護(hù)裝置。關(guān)于DIN EN 62305第4部分，在附頁1中證實(shí)，經(jīng)10/350波形測(cè)試的相應(yīng)I級(jí)電涌保護(hù)器，在各種應(yīng)用及雷電威脅的情形下，甚至遭到直接雷擊，通常仍能確保低壓設(shè)備的安全。附錄1中所描述的基本實(shí)例，可針對(duì)特殊應(yīng)用精確估計(jì)雷電流的分布。
