低压系统中雷电流的分布-第二部分
借助商业网络分析软件对瞬态电流和电压的分布进行仿真模拟，这种方法在几年前已被认知。早在2002年的前标准 DIN V VDE 0185-4及附录中所列的专业文献中，图1所示的雷电流分布建模及计算的基本方法已进行了详细描述。
图2展示了本文第一部分所描述的孤立建筑物的等效电路，此建筑物直接由低压变压器供电。如本文第一部分所述，在附录1的第一个例子中描述了在首次正极性冲击电流下低压系统中雷电流的分布。图3展示了简化系统中每个雷电流的时序图。由此可得出与电涌保护器相关的重要参数，如：电流峰值 t ipeak，冲击电荷 Q 或雷电流陡度di/dt。
系统内电流分布受到低压系统中感应的电流变化di/dt以及容性接地系统的影响。然而由于返回的电流变化较小，因而接地电阻对电流分布的影响很大。在电流上升阶段，一部分雷电流流向建筑物的接地系统，在回流的电流回路中，在电源线和本地接地装置之间，雷电流在两个具有相同冲击阻抗的接地装置中几乎是均匀分布的。
图2 – 在将出版的 DIN EN 62305-4 附录1图2 （etz8、2012，第一部分）中， 雷电流分布简化模型的等效电路
后续雷电流的分布
对于首次正极性冲击电流的特性的描述，也适用于具有一定陡度的后续电流。图4展示了后续冲击电流下设备中雷电流的分布，其时间参数为1/200 μs，峰值为25kA。
然而，典型的冲击电流的陡度很大，在低压设备和本地接地装置之间雷电流的分布并不是均匀的。在电流上升期间，流向建筑物接地装置的雷电流可达到总电流的90%。在回流的电流回路中，由于两接地装置的冲击接地电阻相同，雷电流在此几乎是均匀分布的。
通过电涌保护器流进低压设备中的雷电流，其上升电流的剧降意味着，对于通过电涌保护器连接导线的电压下降，后续雷电流的电流陡度不必考虑。
I级电涌保护器，采用能量较大的10/350µs冲击电流进行测试，也能泄放后续冲击电流引起的雷电流。采用首次负极性冲击电流及后续冲击电流对电涌保护器进行额外的测试是不必要的。关于后续冲击电流分布和电涌保护器负荷的研究和判定也适用于负极性首次冲击电流。
这些理论推导的、对低压装置中部分雷电流的计算机模拟仿真，将陡峭的雷电流做了扁平化处理，通过触发雷电流的测量得到证实。图5展示触发雷击事件的图片，这是在巴西卡舒埃拉-保利斯塔（Cachoeira Paulista）防雷研究工作站的发射天线杆上拍摄到的。图5的比较显示，计算机模拟的雷电流分布达到的足够的精度，可用于对雷电分布的评估中。
图3 – 根据即将出版的DIN EN 62305-4 附录1， 首次正极性冲击电流下雷电流的分布
图4 – 根据即将出版的 DIN EN 62305-4 附录1， 后续冲击电流下雷电流的分布
持续雷电流的分布
奥地利阿尔迪（Aldis）雷电研究小组的测量表明，尤其是在冬季的雷雨天，可能出现持续雷电流，依据DIN EN 62305-1 （VDE 0185-305-1）, 其最大电荷可超过 300 As。图6 展示了带有405AS电荷的持续电流，它发生在2007年1月。
在附页1中对两种系统在持续电流作用下雷电流的分布进行了评估：一种是中线直接接地的设备，例如：TN-C系统，另一种是中线通过电涌保护器非直接接地的设备，例如：TN-S系统。
结果总结如下：在附录1中确定，对中线直接接地的用电设备，电涌保护器中的持续电流可以不考虑。对中线通过电涌保护器非直接接地的设备，依赖于雷击电流的高度以及所涉及建筑物的接地电阻，部分雷电流将通过电涌保护器流向低压系统。在此假定：常规I级电涌保护器按照防雷保护等级，其每条保护路径雷电泄放能力为25kA 至50kA 10/350， 能够毫无损坏地泄放持续雷电流。
图5
–雷电触发事件中，在发射天线杆上雷电流的分布
电缆阻抗和长度对雷电流分布的影响
电缆阻抗随着电缆长度的增加而增加，由此，部分雷电流至电源线的时间也相应地被延长，较大一部分雷电流通过火线直接进入所述建筑物的接地系统。由于在冲击电流回流回路中电流陡度较低，雷电流按照在低压系统和接地系统欧姆阻抗的关系进行分配。
对于中线直接接地，例如：在建筑物入口处的低压用电设备，中线的有效阻抗比火线中的要低。通过中线反复多次接地，低压供电的总阻抗也得到减低。由此， 流向低压设备的部分雷电流比例增大。其中由于N-线的低阻抗，在低压电缆中电流的分布是不平衡的。
并联用电系统
至今所举例子都是假定孤立的建筑物由一个低压变压器供电。然而，在实践中常常是多个并列连接的用电系统由一个共同的变压器供电。
通过并联连接多个用电系统，使低压电网中的接地电阻比所述建筑物的接地电阻小，这样，流入低压用电系统的雷电流相应地增加。图7中所示为附录1中的实例，其中85%的总雷电流通过所述建筑物的电涌保护器流入低压装置中。
图6 – 冬季雷暴发生时，叠加冲击电流的持续电流，总电荷约405 As
图7- 根据DIN EN 62305-4即将发布的附页1，多个设备并联时所述建筑物中雷电流的分布
图8 – 根据即将出版的 DIN EN 62305-4 附录1， 邻近建筑物的雷电流分布
在所涉建筑物中电涌保护器雷电流承载能力很少取决于网络拓扑结构。在附录1中明确指出，对于多个用电系统并联时所述建筑物升高的部分雷电流，根据防雷保护等级, I级电涌保护器每条保护路径中Iimp为25kA至50kA，它可以毫无损坏地泄放。
附录1中还包含了下列有关建筑物内部分雷电流的陈述：坐落在设备附近的建筑物，其遭受直接雷击的风险增大。图8示出了这样一个安装的例子。
由此得出以下结论：直接雷击设备邻近的建筑物也会出现雷击电流增大的情形。然而，所余部分雷电流的最大值及其能量比建筑物直接遭受雷击要小的多， 因此，依赖于防雷保护等级，优化使用的I级电涌保护器，以其每条保护路径12.5kA Iimp的泄放能力，足以保护相应的设备。
通常， 在建筑物内除了低压设备外，还有其它的金属安装系统，如：电话和数据线，金属管道系统，水管或天然气管道等。这些额外的导电装置同样可传导雷电流，并相应地降低流入低压线中的部分雷电流。 另外还应注意，这些金属管道可被塑料管替代，则它们就不再具备传导部分雷电流的能力。
总结
有效电涌保护的首要前提是：针对电涌保护器在各个安装处的冲击电流，正确选择具有相应泄放能力的电涌保护装置。关于DIN EN 62305第4部分，在附页1中证实，经10/350波形测试的相应I级电涌保护器，在各种应用及雷电威胁的情形下，甚至遭到直接雷击，通常仍能确保低压设备的安全。附录1中所描述的基本实例，可针对特殊应用精确估计雷电流的分布。
