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「打雷下雨就得把电器插头拔了」的说法到底靠不靠谱?

图片:Yestone 邑石网正版图库

Patrick Zhang,电气工程师 | 微博@老帕聊电气

先说明,以下正文部分会很专业,若觉得无法理解,请直接看本帖的末尾处,我对题主的问题做了解答。


我写过一本书,叫做《低压成套开关设备的原理及其控制技术》(以下简称原理)。在这本书的第 1.7 节“过电压和低压配电网的电涌保护”中,就很好地诠释了题主的问题。以下,我摘要性地给大家介绍一下。

雷电,准确名称是大气过电压。

过电压有两种类型,其一是相线对地的过电压,以及中性线对地的过电压。此类过电压叫做共模过电压;其二是相导体之间的过电压,此类过电压叫做差模过电压。

共模过电压危害线路和电气设备的绝缘,而差模过电压不仅危害线路和电气设备的绝缘,还因为过电压在负载阻抗上产生了过电流,使得线路出现高温发热,可能会损坏电气设备,甚至引起电气火灾。

雷击会产生高压和大电流,会破坏配电网,当然也可能破坏用电设备。

因此,预防雷击要从三方面入手,其一是建筑物的避雷,其二就是抑制和消除过电压,其三就是用电设备自身的防护过电压的能力。

雷击不但会产生过电压,也会出现过电流。强大的过电流,若让它侵入低压配电网,它会严重毁坏配电网和用电设备,也就是题主所说的情况。

我们看图 2:

图 2 中,我们看到了避雷器和避雷针。避雷针的一端直指天空,另一端引至大地。当发生雷击时,强大的电流顺着线路(一般是接地扁钢或者钢筋)返回到大地中。然而,从图中我们看到,避雷器只能消除掉雷击过电流的 50%,剩下那一半就会侵入到配电网中。

该采取何种措施?

解决的办法是加装各类电涌保护器 SPD 元件,对雷电涌流进行削幅、抑制和消除。

SPD 的选配与防雷区域的划分有关,所以我们来弄清楚什么叫做防雷区域。

以下内容摘自《原理》:


2.防雷区域和划分

建筑物遭受雷击是一种常见现象,雷击会给人身和电气设备带来极大的伤害和破坏,所以需要对雷击予以必要的防护。

根据被保护空间可能遭受雷击的严重程度及被保护系统(设备)所要求的电磁环境,将被保护空间划分为若干不同的防雷区域,即 LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZ2、LPZ3、……

(1)LPZ0A

LPZ0A 指本区内各个物体都可能遭受直接雷击,因此各物体都可能导走全部雷电流,同时本区内的电磁场没有衰减。例如屋顶的避雷针就属于 LPZ0A 区域。

(2)LPZ0B

LPZ0B 指本区内各个物体不可能遭受直接雷击,但本区内的电磁场没有衰减。例如避雷针屋顶避雷针附件的避雷带区域。

(3)LPZ1

LPZ1 指本区内各个物体不可能遭受直接雷击,且流经各个导体的电流比 LPZ0B 区域进一步减小。同时,本区内的电磁场可能衰减。例如建筑物内部就是 LPZ1 区域。LPZ1 区域与 LPZ0B 区域的交界面是建筑物的墙体和屋面。由于建筑物构件中的钢筋分流作用,使得 LPZ0B 区域和 LPZ1 区域内的电磁环境有很大区别。

(4)随后的防雷区 LPZ2、 LPZ3、……

随后的防雷区 LPZ2、 LPZ3、……中需要进一步减小所引导的雷电电流和电磁场。一般地,LPZ2 指的是电气设备的外壳,而 LPZ3 指的是电气设备外壳内部区域。


原来,建筑物配电系统分成了至少三个区域。第一个区域是 LPZ0,这里用到的避雷装置就是我们在楼顶上看到的避雷针。

LPZ0 的特点是有可能会遭受直接雷击。避雷针把雷电电流引入到接地扁钢中,由此消除掉约 50%的雷电电流。

接下来就是 LPZ1、LPZ2 和 LPZ3 等区域。这些区域不直接承受雷击,但会受到雷击电磁冲击,只不过序号越大受到的电磁冲击越弱。

按照防雷区域的不同,我们需要安装不同特性的 SPD。那么 SPD 的特性是什么?我们再来看《原理》的描述:


SPD 的特性及分类

电涌属于 EMC 电磁兼容研究的范畴。在电涌模型中电涌从干扰源经过耦合路径传递到感受器设备中。

电涌包括雷电电涌电磁操作脉冲电涌,两者同为干扰源,在低压配电网中产生能量耦合传递到电气设备中。

电涌保护器(surge protective device,SPD)是用于带动系统中限制瞬态过电压并且泄放电涌电流的一种非线性保护器件。电涌保护器又被简称为 SPD,它能够保护电气和电子系统免遭雷电或者操作过电压及涌流的损害。

SPD 专用于低压配电系统和电子信息系统,按所使用的非线性元件特性,电涌保护器分为三类。各类 SPD 曲线见图 1-67:

(1)电压开关型 SPD

电压型 SPD 在无电涌时呈现高阻状态。当出现涌流时,当涌流电压达到一定幅值时,电压型 SPD 突然变为低阻抗,见图 1-67 左图曲线。

电压型 SPD 具有流通量大的特点,适用于 LPZ0 区和 LPZ1 区界面的雷电电涌保护。

(2)限压型 SPD

限压型 SPD 在无电涌时呈现高阻抗状态。当出现涌流时,随着电涌电压和电涌电流的升高,限压型 SPD 的阻抗持续降低,SPD 的特性曲线为水平线。因此限压型 SPD 能够对涌流实现箝位。见图 1-67 的中图曲线。

限压型 SPD 箝位电压比电压开关型 SPD 要低,但流通容量较小,一般用于 LPZ0B 及之后的电涌保护。

(3)混合型 SPD

混合型 SPD 兼有电压开关型 SPD 和限压型 SPD 的特性,见图 1-67 右图曲线。


在《原理》中给出了一张图,叫做 SPD 的冲击分类试验的电流波形图,我们来认识一下:

曲线 1 被称为冲击电流 Iimp,其波头时间为 10μS 而半峰时间为 350μS 。曲线 1 很接近自然雷电放电的电流波形,常用于一级配电系统。所谓一级配电系统,指的就是与电力变压器直接连接的配电系统。

顺便提一下,我们在中学学习时谈到配电系统总是习惯性地认为配电网的电源是发电机,其实对于我们绝大多数人来说,我们生活和工作所配套的配电电源位于配电网末端,它的电源是各种不同容量的电力变压器。

因此,我们要把对电源的理解从发电机转移到电力变压器上来。

SPD 的曲线 3 则用于二级和三级配电的电气电子系统,也即低压配电网的中间层面和配电网末端。别看图 3 中的曲线 3 如此微不足道,但它却是我们日常最常见的 SPD 特性曲线。

在《原理》中对 SPD 的三种冲击分类试验做了简介,以下我也简单描述一下:

SPD 的 1 级分类试验:

用 1.2/50μS 的冲击电压、8/20μS 和 10/350μS 的冲击电流做试验,从而确定 SPD 的标称放电电流 In(8/20μS)和最大冲击电流 Iimp(10/350μS)。通过了 I 级分类试验的 SPD 可用于导入雷电冲击电流的地方,适用于高暴露地点,例如 IPZ0A、LPZ1 区界面。

在这里,1.2/50μS 这个标识的 1.2 指的是冲击波头时间为 1.2 微秒,50μS 指的是冲击电流波形的半峰时间为 50 微秒。

SPD 的 2 级分类试验

用 1.2/50μS 的冲击电压和 8/20μS 的冲击电流做试验,用于确定 SPD 的标称放电电流 In(8/20μS)和最大放电电流 Imax(8/20μS)。

通过了 II 级分类试验的 SPD 可用于较少暴露地点。限压型 SPD 应该进行 II 型分类试验。

SPD 的 3 级分类试验

当 SPD 开路时施加 1.2/50μS 的冲击电压,当 SPD 短路时施加 8/20μS 的冲击电流做试验。其中开路电压峰值与短路电流峰值之比取 2 欧。

电涌保护的安装需要考虑三个方面:

1)低压配电网可能遭受的电涌能量形式及数值大小

2)电气设备承受电涌冲击的能力

3)如何实现让电涌能量降低到电气设备能够承受的范围之内

低压配电系统的保护对象是低压配电网中的各类配电设备和用电设备。按照国家标准 GB/T16935.1-2008《低压系统内设备的绝缘配合》,低压配电系统各类设备的额定冲击电压耐受值见下表:

注意表中的系统标称电压 230/400V 一行,I 类到 IV 类设备的冲击耐压分别是:1.5kV、2.5 kV、4kV 和 6kV。表中的附注做了说明,我们看到家用电器属于 II 类过电压类别。

在我的书中给了一张图,我们来了解一下:

图 5 的最高处,就是户外的避雷设备,其实就是避雷针,避雷针下方左侧我们能看到一个符号,它就是 SPD 的符号,请注意到它的箭头方向。

图 5 的左侧是电力变压器,它的下方蓝绿色的区域就是一级配电系统,我们看到一级配电系统配套了 SPD 装置。

从一级配电往右,我们看到了绿色的二级配电系统,它相当于办公楼的配电设备,或者小区的动力配电箱,工厂企业的车间级配电设备。我们也看到二级配电设备配套了 SPD 装置。

最右侧蓝色的区域,就是终端三级配电设备了,它相当于我们家里的配电箱,或者写字楼各个房间的配电箱,企业中安装在最终用电设备的控制箱等等。我们也看到了 SPD 装置。

安装在三处的 SPD 装置,它们的级别不同。如何选配它们的级别?我留给知友们自己思考吧。

在《原理》中,对如何设置电涌保护器 SPD 的原则做了说明,如下:

1)电涌保护器的电压保护水平应与被保护设备的冲击耐压水平相配合。

2)在两个防雷区的交接面处,应设置相应级别的电涌保护器。在 LPZ0 区和 LPZ1 区的界面处设置 I 级分类试验的 SPD,其它界面设置 II 级分类或者 III 级分类的 SPD。

3)在同一级防雷区中,考虑到雷电过电压的行波过程,要设置一处或多处电涌保护

我们可以看出,在低压配电网中同一个电压等级下电气设备的冲击电压耐受值不尽相同,因此电涌保护要采取分散和多级的布局形式。

另外,SPD 一旦失效后,会把相线与地线直接连接起来。因此,SPD 需要与熔断器配合使用。

图 6 中 SPD 的接法有点讲究。在《原理》中,把这些接法做了归纳,如下:

表中所列的 3+1 模式是不完全差模与共模混合的模式,在低压配电系统中得到广泛的应用。

再往下,就应当讨论 SPD 的原理了。限于知识深度和篇幅,我们就免了吧。大家若有兴趣,可以参考我的书《低压成套开关设备的原理及其控制技术》,以及各类 SPD 厂家提供的技术样本。


我深信,以上这些内容已经把大家给绕进去了,能懂得和运用的人应当不多,毕竟电气知识非常专业。

前天我和机械工业出版社的编辑在讨论有关电气的科普书时,编辑们告诉我,电气知识不可能科学普及,因为它的门槛很高,只能写成专业书。我的看法与编辑们不尽相同,毕竟我正在践行中,让实践来证明吧。

那么,题主的问题该如何解答?我们看看题主的问题,如下:

1)多少年关于防雷教育里总有这一条,然而几次“试险”都安然无恙。雷雨天闪电真的会影响电力设施么???

2)打雷闪电时在家可以用电脑上网吗?

3)打雷的时候用热水器会不会被电死?

4)同 2

解答:

问题 1 的解答:雷雨天当然会影响到电力设施工作的稳定性。正因为系统中配套了各种级别的电涌保护器 SPD,所以在配电网末端,一般情况下我们感觉不到雷电的冲击。

有一个认识误区,我顺便讲解一下。

雷电的电击是不可能避开的。要知道,天上两朵云之间的放电通道在数百米至十几千米之间不等,这么大的空气间隙都能击穿,我们完全做不到雷电隔离。

因此,防雷的关键不是隔离,而是引导。只要把雷电冲击电压和冲击电流引导到大地去,而不对配电网和用电设备产生危害,我们的目的就达到了。

认识到这一点很重要,它能帮助我们认识和理解 SPD 电涌保护器的工作原理。

问题 2 的解答:是的,当然可以用电脑上网,一般来说不会有影响。

不过,对于农村住家,由于配电网配套的 SPD 电涌保护器不是很完善,如果雷击就发生在头顶上,我建议还是把家中的总开关拉掉为好。

问题 3 的解答:热水器最要紧的不是雷击,而是要有良好的接地和等电位联结,这才是关键!

热水器一旦发生漏电,洗澡的人身安全就会出现大问题。所以,热水器回路不但要配套断路器,还要配套漏电保护器。至于 SPD,就免了吧。

问题 4 的解答:同问题 2。

在我以往写过的文章中,有若干系列文章,如下:

Patrick Zhang:浅谈接地 8——避雷与接地之 1

Patrick Zhang:浅谈接地 9——避雷与接地之 2

这两篇文章其实就是以上内容的细化,供需要的朋友参考。

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