浪涌保護器在防雷技術(shù)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。隨著(zhù)電子、微電子集成化設備的大量應用,雷電過(guò)電壓和雷擊電磁脈沖所造成的系統和設備的損壞越來(lái)越多。因此,盡快解決建筑物和電子信息系統雷電災害防護問(wèn)題顯得十分重要。

　　隨著(zhù)相關(guān)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(xiàn)路上的浪涌和瞬時(shí)過(guò)電壓、泄放線(xiàn)路上的過(guò)電流成為現代防雷技術(shù)的重要環(huán)節之一。

　　1　雷電的特性

　　防雷包括外部防雷和內部防雷。外部防雷以避雷針(帶、網(wǎng)、線(xiàn))、引下線(xiàn)、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(guò)避雷針(帶、網(wǎng)、線(xiàn))、引下線(xiàn)等泄放入大地。內部防雷包括防雷電感應、線(xiàn)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(guò)SPD間接連接,使金屬體、設備線(xiàn)路與大地形成一個(gè)有條件的等電位體,將因雷擊和其他浪涌引起的內部設施分流和感應的雷電流或浪涌電流泄放入大地,從而保護建筑物內人員和設備的安全。

　　雷電的特點(diǎn)是電壓上升非?？?10μs以?xún)?,峰值電壓高(數萬(wàn)至數百萬(wàn)伏),電流大(幾十至幾百千安),維持時(shí)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(lèi)

　　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(xiàn)、信號傳輸線(xiàn)的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內,或將強大的雷電流泄流入地,保護被保護的設備或系統不受沖擊。

　　2. 1　按工作原理分類(lèi)

　　按其工作原理分類(lèi), SPD可以分為電壓開(kāi)關(guān)型、限壓型及組合型。

　　(1)電壓開(kāi)關(guān)型SPD。在沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)呈現高阻抗,一旦響應雷電瞬時(shí)過(guò)電壓,其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?允許雷電流通過(guò),也被稱(chēng)為“短路開(kāi)關(guān)型SPD”。

　　(2)限壓型SPD。當沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí),為高阻抗,但隨電涌電流和電壓的增加,其阻抗會(huì )不斷減小,其電流電壓特性為強烈非線(xiàn)性,有時(shí)被稱(chēng)為“鉗壓型SPD”。

　　(3)組合型SPD。由電壓開(kāi)關(guān)型組件和限壓型組件組合而成,可以顯示為電壓開(kāi)關(guān)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(lèi)

　　按其用途分類(lèi), SPD可以分為電源線(xiàn)路SPD和信號線(xiàn)路SPD兩種。

　　2. 2. 1　電源線(xiàn)路SPD

　　由于雷擊的能量是非常巨大的,需要通過(guò)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(LPZ0A)或在直擊雷防護區(LPZ0B)與第一防護區(LPZ1)交界處,安裝通過(guò)Ⅰ級分類(lèi)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(jìn)行泄放,或者當電源傳輸線(xiàn)路遭受直接雷擊時(shí),將傳導的巨大能量進(jìn)行泄放。在第一防護區之后的各分區(包含LPZ1區)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內感應雷擊的防護設備,在前級發(fā)生較大雷擊能量吸收時(shí),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(huì )傳導過(guò)來(lái),需要第二級保護器進(jìn)一步吸收。同時(shí),經(jīng)過(guò)第一級防雷器的傳輸線(xiàn)路也會(huì )感應雷擊電磁脈沖輻射。當線(xiàn)路足夠長(cháng)時(shí),感應雷的能量就變得足夠大,需要第二級保護器進(jìn)一步對雷擊能量實(shí)施泄放。第三級保護器對通過(guò)第二級保護器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護。根據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(chēng)放電電流In是指流過(guò)SPD、8/20μs電流波的峰值電流。

　　(3)最大放電電流Imax又稱(chēng)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)最大持續耐壓Uc(rms)指可連續施加在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(xiàn)端子間的電壓特性參數,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(kāi)關(guān)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(xiàn)路的SPD參數選擇如表1所示。

表1　電源線(xiàn)路SPD參數選擇

　　防護級別SPD類(lèi)型波形/μs通流/kA安裝位置保護水平Up/kV第一級電壓開(kāi)關(guān)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按照規范要求,電源第一級SPD安裝在建筑物電氣裝置的電源進(jìn)線(xiàn)處。一般情況下,應選擇電壓開(kāi)關(guān)型SPD,但如果該處電源線(xiàn)路全部有良好的屏蔽(如穿金屬管、埋地)進(jìn)入,則可以選用限壓型SPD。電壓開(kāi)關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線(xiàn)路長(cháng)度不宜小于10 m,限壓型SPD之間的線(xiàn)路長(cháng)度不宜小于5 m。如果小于規定的長(cháng)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(xiàn)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(xiàn)應最短,一般不超過(guò)0. 5 m。