引言

雷電災(zāi)害是最嚴(yán)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(cái)產(chǎn)損失不計(jì)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(guò)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(lái)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(hù)問(wèn)題顯得十分重要。

隨著相關(guān)設(shè)備對(duì)防雷要求的日益嚴(yán)格,安裝浪涌保護(hù)器(Surge Protection Device, SPD)抑制線路上的浪涌和瞬時(shí)過(guò)電壓、泄放線路上的過(guò)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(guò)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(guò)SPD間接連接,使金屬體、設(shè)備線路與大地形成一個(gè)有條件的等電位體,將因雷擊和其他浪涌引起的內(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(hù)建筑物內(nèi)人員和設(shè)備的安全。

雷電的特點(diǎn)是電壓上升非?？?10μs以內(nèi)),峰值電壓高(數(shù)萬(wàn)至數(shù)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(hù)器的分類

SPD是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置,其作用是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過(guò)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)?qiáng)大的雷電流泄流入地,保護(hù)被保護(hù)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(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(xiàn)高阻抗,一旦響應(yīng)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),也被稱為“短路開(kāi)關(guān)型SPD”。

(2)限壓型SPD。當(dāng)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(qiáng)烈非線性,有時(shí)被稱為“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

按其用途分類, SPD可以分為電源線路SPD和信號(hào)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(guò)分級(jí)泄放的方法,將雷擊能量逐步泄放到大地。在直擊雷非防護(hù)區(qū)(LPZ0A)或在直擊雷防護(hù)區(qū)(LPZ0B)與第一防護(hù)區(qū)(LPZ1)交界處,安裝通過(guò)Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器或限壓型浪涌保護(hù)器作為第一級(jí)保護(hù),對(duì)直擊雷電流進(jìn)行泄放,或者當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時(shí),將傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放。在第一防護(hù)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(hù)器,作為二、三級(jí)或更高等級(jí)保護(hù)。第二級(jí)保護(hù)器是針對(duì)前級(jí)保護(hù)器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護(hù)設(shè)備,在前級(jí)發(fā)生較大雷擊能量吸收時(shí),仍有一部分對(duì)設(shè)備或第三級(jí)保護(hù)器而言是相當(dāng)巨大的能量,會(huì)傳導(dǎo)過(guò)來(lái),需要第二級(jí)保護(hù)器進(jìn)一步吸收。同時(shí),經(jīng)過(guò)第一級(jí)防雷器的傳輸線路也會(huì)感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射。當(dāng)線路足夠長(zhǎng)時(shí),感應(yīng)雷的能量就變得足夠大,需要第二級(jí)保護(hù)器進(jìn)一步對(duì)雷擊能量實(shí)施泄放。第三級(jí)保護(hù)器對(duì)通過(guò)第二級(jí)保護(hù)器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐壓等級(jí),假如兩級(jí)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(jí)保護(hù);假如設(shè)備的耐壓水平較低,可能需要四級(jí)甚至更多級(jí)的保護(hù)。

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(biāo)稱放電電流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(hù)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(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(hù)級(jí)別SPD類型波形/μs通流/kA安裝位置保護(hù)水平Up/kV第一級(jí)電壓開(kāi)關(guān)型10/350 >15總配電處<2. 5第一級(jí)限壓型8/20 60總配電處<2. 5第二級(jí)限壓型8/20 20~40分配電處(樓層配電處) <1. 8第三級(jí)限壓型8/20 5~10設(shè)備前端(機(jī)房配電處) <1. 2按照規(guī)范要求,電源第一級(jí)SPD安裝在建筑物電氣裝置的電源進(jìn)線處。一般情況下,應(yīng)選擇電壓開(kāi)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(jìn)入,則可以選用限壓型SPD。電壓開(kāi)關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度不宜小于10 m,限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度不宜小于5 m。如果小于規(guī)定的長(zhǎng)度,則應(yīng)在兩級(jí)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(hù)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(guò)0. 5 m。