浪涌保護器在防雷技術(shù)中的應(yīng)用 - 全文

　　引言

　　雷電災(zāi)害是最嚴重的自然災(zāi)害之一,全世界每年因雷電災(zāi)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(shè)備的大量應(yīng)用,雷電過電壓和雷擊電磁脈沖所造成的系統(tǒng)和設(shè)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(zāi)害防護問題顯得十分重要。

　　隨著相關(guān)設(shè)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(shù)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(yīng)、線路浪涌、地電位反擊、雷電波入侵以及電磁與靜電感應(yīng)的措施。其基本方法是采用等電位聯(lián)結(jié),包括直接連接和通過SPD間接連接,使金屬體、設(shè)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(shè)施分流和感應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi),或?qū)姶蟮睦纂娏餍沽魅氲?保護被保護的設(shè)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(guān)型、限壓型及組合型。

　　(1)電壓開關(guān)型SPD。在沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)高阻抗,一旦響應(yīng)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(guān)型SPD”。

　　(2)限壓型SPD。當(dāng)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(guān)型組件和限壓型組件組合而成,可以顯示為電壓開關(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

　　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(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時,將傳導(dǎo)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(yīng)雷擊的防護設(shè)備,在前級發(fā)生較大雷擊能量吸收時,仍有一部分對設(shè)備或第三級保護器而言是相當(dāng)巨大的能量,會傳導(dǎo)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(yīng)雷擊電磁脈沖輻射。當(dāng)線路足夠長時,感應(yīng)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(shè)備的耐壓等級,假如兩級防雷就可以做到限制電壓低于設(shè)備的耐壓水平,就只需要做兩級保護;假如設(shè)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(yīng)和雷電傳導(dǎo)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(yīng)大于限制電壓的最高值。

　　(7)電壓開關(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

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　　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(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(shè)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(yīng)選擇電壓開關(guān)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(guān)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(yīng)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(yīng)電壓),因此為使SPD最大的電涌電壓足夠低,其兩端的引線應(yīng)最短,一般不超過0. 5 m。

　　SPD安裝在線路中,當(dāng)有過電壓或過電流出現(xiàn)時, SPD將對地導(dǎo)通,實現(xiàn)對地分流,從而達到間接等電位的目的。對于不同的接地系統(tǒng), SPD的接線方法不一樣,一般有對地法和N-PE法兩種保護,如圖1所示。除TT系統(tǒng)SPD安裝在剩余電流保護器的電源側(cè)必須用N-PE法以外,一般均使用對地法。

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圖1　SPD接線圖

　　2. 2. 2　信號線路SPD

　　隨著信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,由于網(wǎng)絡(luò)線路多,電子設(shè)備的耐壓水平低,雷擊對信息系統(tǒng)的危害越來越大。雷電對信息系統(tǒng)的危害主要是雷擊電磁脈沖造成的,包括沿線路傳導(dǎo)的雷電過電壓波、雷電流在接地線產(chǎn)生的高電位反擊、雷擊電磁場的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。對電磁脈沖的防護措施有攔截、分流、等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、接地、合理布線等。在信號線路上安裝SPD是信息系統(tǒng)防電磁脈沖的一個重要措施,它可以同時起到攔截、分流、等電位聯(lián)結(jié)的作用。信號線路SPD應(yīng)連接在被保護設(shè)備的信號端口上。其輸出端與被保護設(shè)備的端口相連,有串接和并接之分(見圖2),一般是串聯(lián)安裝在信號線路上。因此,在選擇信號SPD時,應(yīng)選用插入損耗較小的SPD。

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圖2　信號SPD的安裝連接

　　限壓型電涌保護器產(chǎn)品的核心元件為氧化鋅壓敏電阻(MOV)。其失效后電涌保護器有可能出現(xiàn)兩類故障狀況,一類是熱擊穿造成L-N/PE線間接地短路,其電流值可使后備過電流保護元件動作;另一類是由于接地故障電流小,過流保護元件不動作,MOV因發(fā)熱起火,因此必須在位于電涌保護器外部的前端裝設(shè)后備保護元件。其作用是當(dāng)電涌保護器不能切斷工頻短路電流時,過電流保護電器動作,把電涌保護器從并聯(lián)線路中斷開,使電涌保護器不會引起過熱而導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等事故,同時可保證電源的持續(xù)供電。

　　正確、合理地選用后備保護元件,直接關(guān)系到系統(tǒng)及電涌保護器的安全性和可靠性。后備保護元件與SPD配合后,應(yīng)可保護在額定電涌電流作用時后備保護元件不動作,保證電涌電流的正常泄放,同時其作用在支路上的殘壓Ur低于用電設(shè)備的保護水平Up,以保證系統(tǒng)及用電設(shè)備安全。

　　目前多數(shù)SPD產(chǎn)品選擇熔斷器、微型斷路器做其后備保護,其額定電流的選擇可參照表2。

表2　額定電流

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　　4　結(jié)　語

　　SPD的應(yīng)用范圍主要是電子信息系統(tǒng)中低壓供配電系統(tǒng)的電源保護和電子信息系統(tǒng)的信號傳輸線路保護。前者是為了抑制由電源線路進入的雷擊電磁脈沖干擾,后者是為了抑制由信號線路進入的雷擊電磁脈沖干擾。兩者的保護對象都是電子信息系統(tǒng)的設(shè)備、器件。由于這些設(shè)備、器件主要是微電子結(jié)構(gòu),在相同雷擊電磁脈沖下,比供配電設(shè)備要脆弱得多,在較小的過電壓下很容易將微電子結(jié)構(gòu)的設(shè)備、器件損壞。

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