浪涌保護器在防雷技術中的應用

引言

　　雷電災害是最嚴重的自然災害之一,全世界每年因雷電災害造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失不計其數(shù)。隨著電子、微電子集成化設備的大量應用,雷電過電壓和雷擊電磁脈沖所造成的系統(tǒng)和設備的損壞越來越多。因此,盡快解決建筑物和電子信息系統(tǒng)雷電災害防護問題顯得十分重要。

　　隨著相關設備對防雷要求的日益嚴格,安裝浪涌保護器(Surge Protection Device, SPD)抑制線路上的浪涌和瞬時過電壓、泄放線路上的過電流成為現(xiàn)代防雷技術的重要環(huán)節(jié)之一。

　　1　雷電的特性

　　防雷包括外部防雷和內(nèi)部防雷。外部防雷以避雷針(帶、網(wǎng)、線)、引下線、接地裝置為主,其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲,將可能擊中建筑物的雷電通過避雷針(帶、網(wǎng)、線)、引下線等泄放入大地。內(nèi)部防雷包括防雷電感應、線路浪涌、地電位反擊、雷電波入侵以及電磁與靜電感應的措施。其基本方法是采用等電位聯(lián)結,包括直接連接和通過SPD間接連接,使金屬體、設備線路與大地形成一個有條件的等電位體,將因雷擊和其他浪涌引起的內(nèi)部設施分流和感應的雷電流或浪涌電流泄放入大地,從而保護建筑物內(nèi)人員和設備的安全。

　　雷電的特點是電壓上升非?？?10μs以內(nèi)),峰值電壓高(數(shù)萬至數(shù)百萬伏),電流大(幾十至幾百千安),維持時間較短(幾十至幾百微秒),傳輸速度快(以光速傳播),能量非常巨大,是浪涌電壓中最具破壞力的一種。

　　2　浪涌保護器的分類

　　SPD是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置,其作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi),或將強大的雷電流泄流入地,保護被保護的設備或系統(tǒng)不受沖擊。

　　2. 1　按工作原理分類

　　按其工作原理分類, SPD可以分為電壓開關型、限壓型及組合型。

　　(1)電壓開關型SPD。在沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)高阻抗,一旦響應雷電瞬時過電壓,其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?允許雷電流通過,也被稱為“短路開關型SPD”。

　　(2)限壓型SPD。當沒有瞬時過電壓時,為高阻抗,但隨電涌電流和電壓的增加,其阻抗會不斷減小,其電流電壓特性為強烈非線性,有時被稱為“鉗壓型SPD”。

　　(3)組合型SPD。由電壓開關型組件和限壓型組件組合而成,可以顯示為電壓開關型或限壓型或兩者兼有的特性,這決定于所加電壓的特性。

　　2. 2　按用途分類

　　按其用途分類, SPD可以分為電源線路SPD和信號線路SPD兩種。

　　2. 2. 1　電源線路SPD

　　由于雷擊的能量是非常巨大的,需要通過分級泄放的方法,將雷擊能量逐步泄放到大地。在直擊雷非防護區(qū)(LPZ0A)或在直擊雷防護區(qū)(LPZ0B)與第一防護區(qū)(LPZ1)交界處,安裝通過Ⅰ級分類試驗的浪涌保護器或限壓型浪涌保護器作為第一級保護,對直擊雷電流進行泄放,或者當電源傳輸線路遭受直接雷擊時,將傳導的巨大能量進行泄放。在第一防護區(qū)之后的各分區(qū)(包含LPZ1區(qū))交界處安裝限壓型浪涌保護器,作為二、三級或更高等級保護。第二級保護器是針對前級保護器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應雷擊的防護設備,在前級發(fā)生較大雷擊能量吸收時,仍有一部分對設備或第三級保護器而言是相當巨大的能量,會傳導過來,需要第二級保護器進一步吸收。同時,經(jīng)過第一級防雷器的傳輸線路也會感應雷擊電磁脈沖輻射。當線路足夠長時,感應雷的能量就變得足夠大,需要第二級保護器進一步對雷擊能量實施泄放。第三級保護器對通過第二級保護器的殘余雷擊能量進行保護。根據(jù)被保護設備的耐壓等級,假如兩級防雷就可以做到限制電壓低于設備的耐壓水平,就只需要做兩級保護;假如設備的耐壓水平較低,可能需要四級甚至更多級的保護。

　　選擇SPD,首先需要了解一些參數(shù)及其工作原理。

　　(1) 10/350μs波是模擬直擊雷的波形,波形能量大; 8/20μs波是模擬雷電感應和雷電傳導的波形。

　　(2)標稱放電電流In是指流過SPD、8/20μs電流波的峰值電流。

　　(3)最大放電電流Imax又稱為最大通流量,指使用8/20μs電流波沖擊SPD一次能承受的最大放電電流。

　　(4)最大持續(xù)耐壓Uc(rms)指可連續(xù)施加在SPD上的最大交流電壓有效值或直流電壓。

　　(5)殘壓Ur指在額定放電電流In下的殘壓值。

　　(6)保護電壓Up表征SPD限制接線端子間的電壓特性參數(shù),其值可從優(yōu)選值的列表中選取,應大于限制電壓的最高值。

　　(7)電壓開關型SPD主要泄放的是10/350μs電流波,限壓型SPD主要泄放的是8/20μs電流波。

　　電源線路的SPD參數(shù)選擇如表1所示。

表1　電源線路SPD參數(shù)選擇

　　防護級別SPD類型波形/μs通流/kA安裝位置保護水平Up/kV第一級電壓開關型10/350 >15總配電處2. 5第一級限壓型8/20 60總配電處2. 5第二級限壓型8/20 20~40分配電處(樓層配電處) 1. 8第三級限壓型8/20 5~10設備前端(機房配電處) 1. 2按照規(guī)范要求,電源第一級SPD安裝在建筑物電氣裝置的電源進線處。一般情況下,應選擇電壓開關型SPD,但如果該處電源線路全部有良好的屏蔽(如穿金屬管、埋地)進入,則可以選用限壓型SPD。電壓開關型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于10 m,限壓型SPD之間的線路長度不宜小于5 m。如果小于規(guī)定的長度,則應在兩級SPD之間串聯(lián)加裝去耦電感。由于SPD的最大浪涌電壓為其保護電壓Up+UL(SPD兩端引線的感應電壓),因此為使SPD最大的電涌電壓足夠低,其兩端的引線應最短,一般不超過0. 5 m。