从电磁学角度探讨电涌产生的原理

天刀

[这个贴子最后由通天雷神在 2003/12/06 01:53pm 第 1 次编辑]

其实我对电磁学很多物理定律及公式早已生疏，因为工作中涉及到电涌保护，想搞清楚其中原理，这才翻出来现炒现卖，信口开河之下，可能谬误甚多，敬请指出。

防雷规范上谈到电涌保护器一章的时候，说的是“防雷击电磁脉冲”，从论述中可以看出，电涌来源有两个：架空线遭直击雷入侵、电力线路受雷电波感应。对于前者我们暂且不论，假设没有架空线，着重探讨第二个电涌来源。

根据防雷规范上给出的计算模型，雷击建筑物后，雷电波沿引下线入地，由于雷电波峰值高频率高，在流过引下线的过程中，在引下线周围感应出剧烈变化的磁场。按一位网友所说，每根引下线就象是一根天线，向周围散发电磁能量。

显然，在这种情况下，决定磁场的是雷电流，接地电阻无济于事。增加引下线数目并不能从总体上降低电磁能量，只不过是把一定的电磁能量分成多个支路散发出去而已，起到的作用只是让形成的磁场尽量均匀。而电磁能量分两个方向散发：一半室内一半室外。怀疑防雷规范34页上所谓“全部雷电流50%流入接地装置”这个50%似乎应该是50%电磁能量散发到室外而不是入地。

根据法拉第电磁感应定律，闭合回路或线圈中感生电动势e的大小，与穿过闭合回路或线圈的磁通量的变化率成正比——这就是物理学上对于电磁感应的描述。只要导体环路处在变化的磁场中，就会产生感应电势以及感应电流。从这个角度看来，我们通常所说的等电位连接系统其实也是导体环路，也应该产生感应电流感应电压也就是电涌，之所以在电磁冲击下没有这样的现象，是因为等电位系统并不是一个环，而是很多个环组成的一个网，每个网格中的感应电流都和它相邻的网格彼此抵消。当然磁场变化并不均匀，实际上不可能完全抵消，应该说网格越小，抵消得越彻底。唯一没有相邻网格的就是最外围的那一圈环路，无法抵消，幸好等电位系统最外围是接地的，最外围的那一圈“环路”其实是大地。那么如果等电位系统无法接地呢？比如飞机，那么此时等电位系统的“最外围”已经不是一个环，而是飞机壳体，已经没有了“边界”。

对比等电位系统，电气回路的结构就没那么幸运了。一个低压配电线路，起点是变压器线圈，终点是用电设备，从N线返回构成环路。在没有电涌保护器的情况下，整条线路上被雷电磁场感应的电势电流无法抵消无法入地，叠加在正常电流上从而形成电涌。

那么假如低压配电回路完全闭合，高压却没有送电，线路中没有正常电流，这时候如果建筑物遭雷击，回路中是否会产生电涌呢？我想答案应该是肯定的，因为雷电感应和正常送电与否完全无关，而数以千计的感应电流电压，无论是否叠加上正常电流电压，都足以破坏电子设备了。

ASP

广东2002年考试有一道棉花包的题，

是依据gb50057里的公式计算电涌电压的！

通天雷神

说的精彩！是这么回事。

就算线路中没有正常电流，这时候如果建筑物遭雷击，回路中依旧会产生电涌。[不过这只针对中性点有效接地系统，对于中性点非有效接地的系统，那产生的就是一个感生电势了（注意：不是电压）]

不过关于雷电分流理论的模型还是参考IEC标准吧。其标准中说：更为健全的模型正在商讨中。那就等它商讨出来再说。

对于电磁耦合，可依据下面的公式计算：H（t）=i（t）/2πr；也就是说：雷电流不论其在导体中流过还是在雷电通道中流过，都产生磁场。半径100米时，其磁场强度正比与电流随时间的变化率。

天刀

但是现在有点疑惑的是电涌保护器的布局。如果雷电波直击架空线入侵，那么从线路进线处到分支依次安装是容易理解的。但如果雷电波只是通过感应入侵电气线路，那么就不存在一个从进线到分支的行进过程了，因为只要在磁场范围内都会被感应，而不是从进线开关处先被感应然后再轮到设备出线，这时候1级电涌保护器就可以装在干线母排上的任何一点，不一定非要紧挨着进线开关后面。那么2、3级电涌保护器呢？在干线上感应出那么高的电流在支线上也同样会感应出来，那么上下级电涌保护器就应该有个时间配合，在雷电流还没来得及对下级电涌保护器以及设备造成损害的时候，上级电涌保护器就应该释放掉大部分雷电流，只不过在现有的选型指南里好像没看到对这种时间配合的要求。

天刀

有时候我在想，如果能把所有引下线都穿金属管屏蔽，可能就没这么多麻烦事了。好像有些行业已经这么做了吧？

solemnity

时间配合产品？他们就告诉加个解偶电感就没问题了，至于时间吗只有你通过运行发现没事，才知道这套产品的组合完全满足2级避雷器的时间问题。

ASP

电涌保护器的布局在电涌保护器的测试要求其实已经有了解释

1  10/350  -  泻放 Q/2 电荷
2  8/20    -  泻放雷电流
3  混合波

除雷电波直击架空线入侵以外还有直击雷在线路上的分配

在感应雷部分，才会出现如上文所述的情形，此时不妨从线路包围的面积来看。

通天雷神

关于SPD的布置一定是按所处区域进行布置的。在LPZ0A区布置B级，在LPZ1区布置C级，以次类推。但是，不一定总配电柜就一定是LPZ0A区，分级配电箱就一定是LPZ1区。但这个原则是没有错的，是符合国家标准和IEC标准的。正如ASP说的：10/350是‘泻放电荷’、8/20是‘泻放雷电流’。

雷泡

下面引用由通天雷神在 2003/12/06 02:07pm 发表的内容：
说的精彩！是这么回事。
就算线路中没有正常电流，这时候如果建筑物遭雷击，回路中依旧会产生电涌。
不过关于雷电分流理论的模型还是参考IEC标准吧。其标准中说：更为健全的模型正在商讨中。那就等它商讨出来再　...

“电涌”有无与“系统N线是否可靠接地”没有“因果”关系；“感生电势”也是“电涌”；其中的“感生电势”其实就是“电压”。

通天雷神

多谢你的观点。但是我不赞同。

1、‘电势’和‘电压’是有区别的。比如，我们知道空间电场是500KV，那么距地面1M的高度，其‘电势’可以说成是100V[约等于]，这里能说‘电压’吗？同样的道理，在上述例子中只能说是‘感生电势’而不能说是‘感生电压’。这个概念望再推敲。

2、在配电系统中‘电涌’的有无与‘系统N线是否可靠接地’绝对有‘因果’关系！首先‘电涌’是什么？它是一个行进的波，如果没有形成回路的话，那个‘波’根本不‘行进’，这时能称做是‘电涌’吗？只能称做‘电势’。这个概念也望再推敲。

欢迎继续讨论。