低壓系統中雷電流的分布-第二部分
借助商業網絡分析軟件對瞬態電流和電壓的分布進行仿真模擬，這種方法在幾年前已被認知。早在2002年的前標準 DIN V VDE 0185-4及附錄中所列的專業文獻中，圖1所示的雷電流分布建模及計算的基本方法已進行了詳細描述。
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的第一個例子中描述了在首次正極性沖擊電流下低壓系統中雷電流的分布。圖3展示了簡化系統中每個雷電流的時序圖。由此可得出與電涌保護器相關的重要參數，如：電流峰值 t ipeak，沖擊電荷 Q 或雷電流陡度di/dt。
系統內電流分布受到低壓系統中感應的電流變化di/dt以及容性接地系統的影響。然而由于返回的電流變化較小，因而接地電阻對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，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
后續雷電流的分布
對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電流。圖4展示了后續沖擊電流下設備中雷電流的分布，其時間參數為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。
通過電涌保護器流進低壓設備中的雷電流，其上升電流的劇降意味著，對于通過電涌保護器連接導線的電壓下降，后續雷電流的電流陡度不必考慮。
I級電涌保護器，采用能量較大的10/350μs沖擊電流進行測試，也能泄放后續沖擊電流引起的雷電流。采用首次負極性沖擊電流及后續沖擊電流對電涌保護器進行額外的測試是不必要的。關于后續沖擊電流分布和電涌保護器負荷的研究和判定也適用于負極性首次沖擊電流。
這些理論推導的、對低壓裝置中部分雷電流的計算機模擬仿真，將陡峭的雷電流做了扁平化處理，通過觸發雷電流的測量得到證實。圖5展示觸發雷擊事件的圖片，這是在巴西卡舒埃拉-保利斯塔（Cachoeira Paulista）防雷研究工作站的發射天線桿上拍攝到的。圖5的比較顯示，計算機模擬的雷電流分布達到的足夠的精度，可用于對雷電分布的評估中。
圖3 – 根據即將出版的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 – 根據即將出版的 DIN EN 62305-4 附錄1， 后續沖擊電流下雷電流的分布
持續雷電流的分布
奧地利阿爾迪（Aldis）雷電研究小組的測量表明，尤其是在冬季的雷雨天，可能出現持續雷電流，依據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電荷的持續電流，它發生在2007年1月。
在附頁1中對兩種系統在持續電流作用下雷電流的分布進行了評估：一種是中線直接接地的設備，例如：TN-C系統，另一種是中線通過電涌保護器非直接接地的設備，例如：TN-S系統。
結果總結如下：在附錄1中確定，對中線直接接地的用電設備，電涌保護器中的持續電流可以不考慮。對中線通過電涌保護器非直接接地的設備，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器流向低壓系統。在此假定：常規I級電涌保護器按照防雷保護等級，其每條保護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雷電流。
圖5
–雷電觸發事件中，在發射天線桿上雷電流的分布
電纜阻抗和長度對雷電流分布的影響
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間也相應地被延長，較大一部分雷電流通過火線直接進入所述建筑物的接地系統。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和接地系統歐姆阻抗的關系進行分配。
對于中線直接接地，例如：在建筑物入口處的低壓用電設備，中線的有效阻抗比火線中的要低。通過中線反復多次接地，低壓供電的總阻抗也得到減低。由此， 流向低壓設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。
并聯用電系統
至今所舉例子都是假定孤立的建筑物由一個低壓變壓器供電。然而，在實踐中常常是多個并列連接的用電系統由一個共同的變壓器供電。
通過并聯連接多個用電系統，使低壓電網中的接地電阻比所述建筑物的接地電阻小，這樣，流入低壓用電系統的雷電流相應地增加。圖7中所示為附錄1中的實例，其中85%的總雷電流通過所述建筑物的電涌保護器流入低壓裝置中。
圖6 – 冬季雷暴發生時，疊加沖擊電流的持續電流，總電荷約405 As
圖7- 根據DIN EN 62305-4即將發布的附頁1，多個設備并聯時所述建筑物中雷電流的分布
圖8 – 根據即將出版的 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器雷電流承載能力很少取決于網絡拓撲結構。在附錄1中明確指出，對于多個用電系統并聯時所述建筑物升高的部分雷電流，根據防雷保護等級, I級電涌保護器每條保護路徑中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建筑物內部分雷電流的陳述：坐落在設備附近的建筑物，其遭受直接雷擊的風險增大。圖8示出了這樣一個安裝的例子。
由此得出以下結論：直接雷擊設備鄰近的建筑物也會出現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，依賴于防雷保護等級，優化使用的I級電涌保護器，以其每條保護路徑12.5kA Iimp的泄放能力，足以保護相應的設備。
通常， 在建筑物內除了低壓設備外，還有其它的金屬安裝系統，如：電話和數據線，金屬管道系統，水管或天然氣管道等。這些額外的導電裝置同樣可傳導雷電流，并相應地降低流入低壓線中的部分雷電流。 另外還應注意，這些金屬管道可被塑料管替代，則它們就不再具備傳導部分雷電流的能力。
總結
有效電涌保護的首要前提是：針對電涌保護器在各個安裝處的沖擊電流，正確選擇具有相應泄放能力的電涌保護裝置。關于DIN EN 62305第4部分，在附頁1中證實，經10/350波形測試的相應I級電涌保護器，在各種應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備的安全。附錄1中所描述的基本實例，可針對特殊應用精確估計雷電流的分布。
