免地线防雷技术！

梁 烨 玮     广西大学  电气工程学院   广西 南宁 530004

摘要：众所周知，地线是雷电防护设施的重要组成部分，雷电通过良好的防雷地线泄放入地。可是在实际的防雷工程中，有时就没有埋设地线的条件。因此近几年“免地线防雷器件应运而生”。本文介绍免地线防雷器作用机理及优缺点。

关键词：接地；免接地；等电位

引言:人们往往认为，要消除雷害只有预先将雷电引入大地。要让雷电泄放入地就要有一根良好的防雷地线。可是在实际的防雷工程中有时就没有埋设地线的条件，例如，在地线不达标的高层楼房的室内；在不允许再开挖的住宅小区每栋楼间设置的通信、闭电、网络、监控设备箱；在设备分散繁多需要多点防雷，埋设地线花费巨大等场合。这些场所都很难埋设防雷地线，但由于通信、网络的快速发展，这些设备遭受雷害的问题越来越突出。在这种背景下一种“免地线防雷器件”近年来应运而生。下面就谈谈这类防雷器件的作用机理和优缺点。

1.雷电形成机理

雷击是大气中的一种放电现象。空中的尘埃、冰晶等物质在云中翻滚运动的时候，经过一些复杂过程，使这些物质分别带上了正电荷与负电荷。经过运动，带上相同电荷较重的物质会到达云层下部（一般为负电荷），带上相同电荷质量较轻的物质会到达云层上部（一般为正电荷）。这样，同性电荷的汇集就形成了一些带电中心，当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时，就形成“云间放电”（即闪电）。带负电荷的云层向下靠近地面时，地面的凸出物 ，金属等会被感应出正电荷，随着电场的逐步增强，雷云向下形成下行先导，地面的物体形成向上闪流，二者相遇即形成对地放电。这就容易造成雷电灾害。雷电形成于大气运动过程中的剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线。闪电的形状最常见的是枝状，此外还有球状，片状，带状。云间闪电时云间的摩擦就形成了雷声。

雷击事件是自然界的非重复性随机事件，不可能遵从目前的任何一种数学模型和预测方法，对于某一局部区域的年雷击次数和雷击强度的分布是没有规律和数学模型的。目前雷击现象的研究是基于对自然现象的观察、统计，远没有达到了解和掌握其规律的程度。

2.现代防雷技术的一般原理

现代防雷技术的理论基础在于闪电是电流源，防雷的基本途径就是要提供一条雷电流对地泄放的合理的路径，而不能让其随机性选择放电通道，简言之就是要控制雷电能量的泄放。国际上多数专家都认同现代防雷保护的三道防线：

1)外部保护---将绝大部分雷电流直接引入地下泄散；

2)内部保护---阻塞沿电源线或数据线、信号线引入的侵入波；

3)过电压保护----限制被保护设备上雷电过电压幅值。

这三道防线相互配合，各尽其职，是目前最有效的防雷方法。

3.免地线防雷技术

    电子技术和微电子学的发展极大地促进了电子设备的广泛应用，特别是促进了电信和自动化、计算机等电子设施的迅速发展。与此同时，由于这些设备对雷电的耐受能力的脆弱性、雷电事故的频度急速上升以及电磁兼容性问题不断出现，引起了人们对防雷技术的广泛关注。

由于在某些场合不具备布放防雷地线，如高层建筑原有的地线电阻过大(国家防雷地线标准是10≤Ω),有些地方允许进行挖坑、打墙施工，或者进行挖坑、打墙施工费用很高。为此人们就设法采用过电压保护----限制被保护设备上雷电过电压的幅值，只要限制了电源线间的过电压就可以保护设备的安全。限制线间的电压有多种，例如利用等电位平衡和能量吸收转移技术就不一定需要防雷地线的参与，称其为免地线防雷器。

我们知道有时雷打得很大，雷声很响,电视机或其它精密设备都不会被雷打坏，而有时候雷电很小，电视机或其它设备却被雷打坏了。这是为什么？这是因为当雷电很强的时候，进入设备的两条电源线（火线和零线）感应到的雷电电流却可能是相等的，火线和零线之间没有新增的电位差，没有电位差就等于没有电流流过一样，所以不会把电器设备打坏。而有时雷声虽然很小，但零线和火线之间所感应到的雷电电压相差却很大，两线间的高电位差导致的大电流就会把在用电器设备打坏。

免地线防雷器的基本原理是（见图1），当电源入线受雷电的影响使火线零线间的电压激增时，等电位防雷器k将迅速导通、使火线与零线之间形成一个设备所能承受之内的电位差。即近似为“等电位”。此时过大的雷电流就无法流入设备，从而保护了设备。

图1  免地线防雷器示意图

能量吸收转移技术就是，并联在电源线上的防雷器件(图中的v )在雷击时将瞬间过高的电压所产生的瞬间的大电流转换成热能（例如压敏电阻，其两端的电压越高电阻值就会越小）或其它能量，使用电设备的端电压不至于过高而损坏设备。

    需要说明的是免地线防雷器往往需要采用多级防护，因为单靠一级进行等电位和能量转移往往不能一次将电压降至安全电压以下。如某防雷功能性组件包括一级防雷器件（并联在两输入电源线之间）、退藕电感器、二级防雷器件（并联在两输出电源线之间）、稳压器。其防雷原理为：当用电设备的电源进线间出现雷击浪涌过电压时，第一级防雷器件由高阻状态迅速转变为低阻状态（对雷电电压而言使两线间为等电位），同时退藕电感器阻碍雷电流流向设备端；当有残余雷电流进入模块输出端时，第二级防雷器件也即由高阻状态迅速转变为低阻状态（等电位原理同第一级）,当还有残余的雷电流越过第二级防雷器件时；再由稳压器将残余过电压部分进行吸收稳压，使得输出的残压降至设备能承受的耐压水平之内。

因为压敏电阻（MOV）具有较大的寄生电容，应用在交流电源系统上，会产生可观的泄漏电流，性能较差的压敏电阻使用一段时间后，因泄漏电流变大导致发热自爆。另一导致压敏电阻热爆的原因是暂态过电压破坏：这是指较强的暂态过电压使电阻体击穿，导致产生更大的电流而高热起火。为克服寄生电容漏电自爆现象往往是在压敏电阻上串入高可靠气体放电管，如图2。

图2中将压敏电阻与气体放电管串联，由于气体放电管的寄生电容很小，可使串联支路的总电容减至几个pF。在这个支路中，气体放电管将起一个开关作用，没有暂态过电压时，它能将压敏电阻与系统隔开，使压敏电阻几乎无泄漏电流。

要克服暂态击穿电压导致的自爆起火，相应的对策是与压敏电阻串联电流熔丝（保险丝）进行防护。

免接地防雷器在国内已有多个公司生产，如中山市澳美公司、广州创晓电子、长沙飞波通信技术有限公司，飞波通信公司的免接地电源防雷器自2009年开始就已经投入了应用。使用的单位有广州军区、中国电信、中国联通、中国铁通、广铁集团、等。

免接地防雷器的特点和优势：

　    1、 采用多级防护设计，残压低，动作快，保护效果出色；

 　   2、 采用等电位平衡和能量吸收转移技术，无需专业防雷地网，安装维护便捷；

    　3、 特别适用于地网施工条件不具备或地网施工成本过高的安装场所；

      缺点：免地线防雷器能够解决无良好接地环境电子设备过电压防护问题，是对现有防雷器件的一个很好的补充，但也存在着明显的缺点：免地线防雷技术虽然能解决设备电源的过电压问题，但电源线对地的超电压不能因此而消失，即使同时采用能量转换措施，也不可能彻底消除电源线对地的高电压。这个高电压对在机房中工作的人员来说还是危险的，所以免地线防雷器对人身的安全没有什么贡献，这是需要引起人们的高度重视的。所以免地线防雷器只适合于无人靠近的，而且没有埋设地线条件的场合。