防雷器在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：敘述防雷器的原理、選用及安裝方法。

關(guān)鍵詞：雷電防護(hù)防雷器選用安裝

　1雷電防護(hù)基本原理

雷電及其它強(qiáng)干擾對(duì)電子信息系統(tǒng)的致?lián)p及由此引起的后果是嚴(yán)重的，雷電防護(hù)將成為必需。事實(shí)上，雷電防護(hù)是除雷電之外，也是其它諸如開(kāi)關(guān)操作脈沖、靜電放電等電磁強(qiáng)干擾防護(hù)的共同要求。雷電與雷電電磁脈沖作為一種功率巨大的強(qiáng)干擾源，其破壞作用極其明顯，需作為主要的防護(hù)對(duì)象。

　　雷電是一種破壞性極大的強(qiáng)干擾源，由高能的低頻成分與極具滲透性的高頻成分組成。其主要通過(guò)兩種形式：一種是通過(guò)金屬管線或地線直接傳導(dǎo)雷電致?lián)p設(shè)備；一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以電阻性、電容性、電感性及電磁場(chǎng)等耦合方式感應(yīng)到金屬管線或地線產(chǎn)生浪涌致?lián)p設(shè)備（絕大部分雷損由這種感應(yīng)而引起）。這樣，對(duì)于電子信息設(shè)備而言，危害主要來(lái)自由于雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，通過(guò)以下3個(gè)通道所產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌：

S金屬管線通道：如自來(lái)水管、電源線、天饋線、信號(hào)線等產(chǎn)生的浪涌;

S地線通道：地電位反擊;

S空間通道：電磁波的輻射能量。

其中金屬管線通道的浪涌和地線通道的地電位反擊是電子信息系統(tǒng)致?lián)p的主要原因，而由電力線引起的雷損是通過(guò)金屬管線通道中最常見(jiàn)的致?lián)p形式，所以對(duì)于電源系統(tǒng)需作為防護(hù)的重點(diǎn)。

由于雷電無(wú)孔不入地侵襲電子信息系統(tǒng)，雷電防護(hù)將是一個(gè)系統(tǒng)工程。雷電防護(hù)的中心內(nèi)容是泄放和均衡。

泄放是將雷電與雷電電磁脈沖的能量通過(guò)大地泄放，并且應(yīng)符合層次性原則，即盡可能多、盡可能遠(yuǎn)地將多余能量在引入通信系統(tǒng)之前泄放入地；層次性就是按照所設(shè)立的防雷保護(hù)區(qū)分層次對(duì)雷電能量進(jìn)行削弱。防雷保護(hù)區(qū)又稱(chēng)電磁兼容分區(qū)，是按人、物和信息系統(tǒng)對(duì)雷電及雷電電磁脈沖的感受強(qiáng)度不同把環(huán)境分成幾個(gè)區(qū)域：

（1）LPZOA區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭到直接雷擊，因此各物體都可能導(dǎo)走全部雷電流，本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)沒(méi)有衰減；

（2）LPZOB區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，但本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)沒(méi)有衰減；

（3）LPZ1區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，流往各導(dǎo)體的電流比LPZOB區(qū)進(jìn)一步減少，電磁場(chǎng)衰減的效果取決于整體的屏蔽措施。

（4）后續(xù)的防雷區(qū)（LPZ2區(qū)等）：如果需要進(jìn)一步減少所導(dǎo)引的電流和電磁場(chǎng)，就應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū)，按照需要保護(hù)的系統(tǒng)所要求的環(huán)境區(qū)選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。

設(shè)置防雷保護(hù)區(qū)是為了避免因高能耦合而損壞設(shè)備，而序號(hào)更高的防雷區(qū)是為了防止信息失真和信息丟失而設(shè)置的。保護(hù)區(qū)序號(hào)越高，預(yù)期的干擾能量和干擾電壓越低。在現(xiàn)代雷電防護(hù)技術(shù)中，防雷區(qū)的設(shè)置具有重要意義，它可以指導(dǎo)我們進(jìn)行屏蔽、接地、等電位連接等技術(shù)措施的實(shí)施。

均衡就是保持系統(tǒng)各部分不產(chǎn)生足以致?lián)p的電位差，即系統(tǒng)所在環(huán)境及系統(tǒng)本身所有金屬導(dǎo)電體的電位在瞬態(tài)現(xiàn)象時(shí)保持基本相等，其實(shí)質(zhì)就是均壓等電位連接的實(shí)施。由可靠的接地系統(tǒng)、等電位連接用的金屬導(dǎo)線和等電位連接器（防雷器）組成一個(gè)電位補(bǔ)償系統(tǒng)，在瞬態(tài)現(xiàn)象存在的極短時(shí)間里，這個(gè)電位補(bǔ)償系統(tǒng)可以迅速地在被保護(hù)系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)所有導(dǎo)電部件之間建立起一個(gè)等電位，這些導(dǎo)電部件也包括有源導(dǎo)線。通過(guò)這個(gè)完備的電位補(bǔ)償系統(tǒng)，可以在極短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)等電位區(qū)域，這個(gè)區(qū)域相對(duì)于遠(yuǎn)處可能存在數(shù)十千伏的電位差。重要的是：在需要保護(hù)的系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)部，所有導(dǎo)電部件之間不存在顯著的電位差。

雷電防護(hù)系統(tǒng)由3部分組成，各部分各施其責(zé)，不存在替代性。

S外部防護(hù)：由接閃器、引下線、接地體組成，可將絕大部分雷電能量直接導(dǎo)入地下泄放。

S過(guò)渡防護(hù)：由合理的屏蔽、接地、布線組成，可減少或阻塞通過(guò)各入侵通道引入的感應(yīng)。

S內(nèi)部防護(hù)：由均壓等電位連接、過(guò)電壓保護(hù)組成，可均衡系統(tǒng)電位，限制過(guò)電壓幅值。

2防雷器

防雷器又稱(chēng)等電位連接器、過(guò)電壓保護(hù)器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷保安器等，用于電源線防護(hù)的防雷器稱(chēng)為電源防雷器。鑒于目前的雷電致?lián)p特點(diǎn)，基于防雷器的防護(hù)方案是最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠的雷電防護(hù)解決方案。防雷器的主要作用是瞬態(tài)現(xiàn)象時(shí)將其兩端的電位保持一致或限制在一個(gè)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)移有源導(dǎo)體上多余能量。防雷器的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)均壓等電位連接的重要手段。防雷器的一些主要技術(shù)參數(shù)：

S額定工作電壓：指允許長(zhǎng)期加在防雷器上的電壓；

S額定工作電流：特指串并式電源防雷器的載流量；

S通流能力：防雷器轉(zhuǎn)移雷電流的能力，以kA為單位，與波形形式有關(guān)。

防雷器在功能上分為防直擊雷的防雷器和防感應(yīng)雷的防雷器。

防直擊雷的防雷器通常用于可能被直擊雷擊中的線路保護(hù)，如LPZOA區(qū)與LPZ1區(qū)交界處的保護(hù)。用10/350μs電流波形測(cè)試，表示其通流能力。防感應(yīng)雷的防雷器通常用于不可能被直擊雷擊中的線路保護(hù)，如LPZOB區(qū)與LPZ1區(qū)、LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)交界處的保護(hù)。用8/20μs電流波形測(cè)試，表示其通流能力。

10/350μs電流波形與8/20μs電流波形在計(jì)算上能量比例為200：1，但實(shí)際上比例約為5：1左右，即通流能力為20kA（8/20μs）的防雷器可以承受4kA（10/350μs）的直擊雷電流。所以通流能力必須考慮雷電性質(zhì)和形式，在很多應(yīng)用中可以通用。

S響應(yīng)時(shí)間：防雷器對(duì)瞬態(tài)現(xiàn)象起控制作用所需的時(shí)間，與波形性質(zhì)有關(guān)。響應(yīng)時(shí)間是防雷器的一個(gè)重要參數(shù)。

S殘壓（限制電壓）：防雷器對(duì)瞬態(tài)現(xiàn)象的電壓限制能力，與雷電流輻值及波形性質(zhì)有關(guān)。一般通過(guò)雷電流越小，殘壓就越低。在末級(jí)保護(hù)里，殘壓必須低于設(shè)備絕緣強(qiáng)度。

3防雷器的選用

為了使防雷器的防護(hù)能力取得理想的效果，應(yīng)注重“在合適的地方合理地裝設(shè)合適的防雷器”，防雷器的選擇十分重要。

（1）進(jìn)入建筑物的各種設(shè)施之間的雷電流分配情況如下：約有50％的雷電流經(jīng)外部防雷裝置泄放入地，另有50％的雷電流將在整個(gè)系統(tǒng)的金屬物質(zhì)內(nèi)進(jìn)行分配。整個(gè)過(guò)程中絕大部分能量在LPZOA區(qū)、LPZOB區(qū)和LPZ1區(qū)交界處轉(zhuǎn)移。這個(gè)評(píng)估模式用于估算在LPZOA區(qū)、LPZOB區(qū)和LPZ1區(qū)交界處作等電位連接的等電位連接器、防雷器的通流能力和金屬導(dǎo)線的規(guī)格。該處的雷電流為10/350μs電流波形。在各金屬物質(zhì)中雷電流的分配情況如下：各部分雷電流幅值取決于各分配通道的阻抗與感抗，分配通道是指可能被分配到雷電流的金屬物質(zhì)，如電力線、信號(hào)線、自來(lái)水管、金屬構(gòu)架等金屬管線及其它接地，一般僅以各自的接地電阻值就可以大致估算。在不能確定的情況下，可以認(rèn)為接地電阻相等，即各金屬管線平均分配電流。

（2）在電力線架空引入，并且沒(méi)有處在防直擊雷保護(hù)裝置保護(hù)之下，電力線可能被直擊雷擊中時(shí)，電力線上的雷電流將增大。進(jìn)入建筑物內(nèi)保護(hù)區(qū)的雷電流取決于外引線路、防雷器放電支路和用戶(hù)側(cè)線路的阻抗。如內(nèi)外兩端阻抗一致，則電力線被分配到一半的雷擊電流。在這種情況下必須采用具有防直擊雷功能的防雷器。