防雷器原理以及在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

李　楠　王　偉　榮　昕　梁國茂

[摘 要]雷電由高能的低頻成份與極具滲透性的高頻成份組成。其可以通過兩種形式致?lián)p設(shè)備。對于電子信息設(shè)備而言，危害主要來自于由雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量所產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌。本文主要淺析防雷器在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用等。

[關(guān)鍵詞]防雷器 電源系統(tǒng) 應(yīng)用

一、雷電防護基本原理

雷電及其它強干擾對通信系統(tǒng)的致?lián)p及由此引起的后果是嚴重的，雷電防護將成為必需。雷電由高能的低頻成份與極具滲透性的高頻成份組成。其主要通過兩種形式，一種是通過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各種耦合方式感應(yīng)到金屬管線或地線產(chǎn)生浪涌致?lián)p設(shè)備。對于電子信息設(shè)備而言，危害主要來自于由雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，通過以下三個通道所產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌。金屬管線通道，如自來水管、電源線、天饋線、信號線、航空障礙燈引線等產(chǎn)生的浪涌；地線通道，地電們反擊；空間通道，電磁小組的輻射能量。

（一）泄放是將雷電與雷電電磁脈沖的能量通過大地泄放，并且應(yīng)符合層次性原則，即盡可能多、盡可能遠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)立的防雷保護區(qū)分層次對雷電能量進行削弱。防雷保護區(qū)又稱電磁兼容分區(qū)，是按人、物和信息系統(tǒng)對雷電及雷電電磁脈沖的感受強度不同把環(huán)境分成的幾個區(qū)域,電磁場衰減和效果取決于整體的屏蔽措施。在現(xiàn)代雷電防護技術(shù)中，防雷區(qū)的設(shè)置具有重要意義，它可以指導(dǎo)我們進行屏蔽、接地、電們連接等技術(shù)措施的實施。

（二）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)象時保持基本相等，這實質(zhì)是基于均壓等電位連接的。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）組成一個電位補償系統(tǒng)，在瞬態(tài)現(xiàn)象存在的極短時間里，這個電位補償系統(tǒng)可以迅速地在被保護系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)所有導(dǎo)電部件之間建立起一個等電位，這些導(dǎo)電部件也包括有源導(dǎo)線。通過這個完備的電位補償系統(tǒng)，使所有導(dǎo)電部件之間不存在顯著的電位差。

二、防雷器的作用及技術(shù)參數(shù)

防雷器又稱等電位連接器、過電壓保護器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷保安器等，用于電源線防護的防雷器稱為電源防雷器。防雷器的主要作用是瞬態(tài)現(xiàn)象時將其兩端的電位保持一致或限制在一個范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)移有源導(dǎo)體上多余能量。

防雷器的一些主要技術(shù)參數(shù)：額定工作電壓、額定工作電流，特批串并式電源防雷器的載流量。通流能力，防雷器轉(zhuǎn)移雷電流的能力，以千安為單位，與波開開式有關(guān)。防雷器在功能上可分為可防直擊雷的防雷器和防感應(yīng)雷的防雷器。可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，如LPZOA區(qū)與LPZ1區(qū)交界處的保護。用10/35μs電流波形測試與表示其通流能力。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，如LPZOB區(qū)與LPX1區(qū)、LPZ1區(qū)交界處的保護。用8/20μs電流波形測試與表示其通流能力響應(yīng)時間，防雷器對瞬態(tài)現(xiàn)象起控制作用所需的時間，與波形性質(zhì)有關(guān)。殘壓，防雷器對瞬態(tài)現(xiàn)象的電壓限制能力，與雷電流幅值及波形性質(zhì)有關(guān)。

三、防雷器的選用

（一）進入建筑物的各種設(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%的雷電流將在整個系統(tǒng)的金屬物質(zhì)內(nèi)進行分配。這個評估模式用于估算在LPAOA區(qū)、LPZOB區(qū)和LPZ1區(qū)交界處作等電位連接的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10/35μs電流波形。在各金屬物質(zhì)中雷電流的分配情況下：各部分雷電流幅值取決于各分配通道有的阻抗與感抗，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、信號線、自來水管、金屬構(gòu)架等金屬管級及其它接地，一般僅以各自的接地電阻值就可以大致估算。

（二）在電力線架空引入，并且電力線可能被直擊雷擊中時，進入建筑物內(nèi)保護區(qū)的雷電流取決于外引線路、防雷器放電支路和用戶側(cè)線路的阻抗和感抗。如內(nèi)外兩端阻抗一致，則電力線被分配到一半的直擊雷電流。在這種情況下必須采用具有防直擊雷功能的防雷器。

（三）后續(xù)的評估模式用于評估LPZ1區(qū)以后防護區(qū)交界處的雷電流分配情況。由于用戶側(cè)絕緣阻抗遠遠大于防雷器放電支路與外引線路的阻抗，進入后續(xù)防雷區(qū)的雷電流將減少，在數(shù)值上不需特別估算。后續(xù)防雷區(qū)防雷器的選擇應(yīng)考慮各級之間的能量分配和電壓配合，在許多因素難以確定時，采用串并式電源防雷器是個好的選擇。不但可以按常規(guī)進行應(yīng)用，也適合保護區(qū)難以區(qū)別的場所。

（四）影響電子線雷電流分配的其它因素：變壓器端接地電阻降低將使電子線中分配電流增大。供電線纜的長度的增加將使電力線中分配電流減少，并使幾要導(dǎo)線中有平衡的電流分配。供電線纜并接多用戶將降低有效阻抗，導(dǎo)致分配電流增大，在連成網(wǎng)狀的供電狀態(tài)下，雷臨時性流主要流入電力線，這是多數(shù)雷損發(fā)生在電力線處的原因。

四、防雷器的安裝

（一）電源線應(yīng)實現(xiàn)多級防護，多級防護是以各防雷區(qū)為層次，對雷電能量的逐級減弱（能量分配），使各級限制電壓相互配合，最終使過電壓值限制在設(shè)備絕緣強度之內(nèi)（電壓配合）。在下列情況下，多級防護成為必須，某一級防雷器失效或防雷器某一路失效。防雷器的殘壓不配合設(shè)備絕緣強度，線纜在建筑物內(nèi)長度較長時。

（二）幾乎所有情況下的線纜防護，至少應(yīng)分成兩級以上，同一級防雷器還可能包含多級保護（如串并式防雷器）。為了達到有效的保護，可在各防雷區(qū)界面處設(shè)置相應(yīng)的防雷器，防雷器可針對單個電子設(shè)備，或一個裝有多個電子設(shè)備的空間，所有穿過通常具有空間屏蔽的防雷區(qū)的導(dǎo)線，在穿過防雷區(qū)界面同時接有防雷器。另外，防雷器的保護范圍是有限的，一般防雷器與設(shè)備線路距離超過10m以后將使防護效果劣化，這是因為防雷器和需要保護的設(shè)備之間的電纜上有反射造成的振蕩電壓，其幅值與線路長度、負載阻抗成正比。

（三）在某些極端情況下，裝上防雷器反而會增加設(shè)備損壞的可能，必須杜絕；這類情況發(fā)生。防雷器保護幾條線，其中一條線上的防雷器失效或響應(yīng)速度過慢。這可能使共模干擾轉(zhuǎn)化為差模干擾而損壞設(shè)備。這要求必須實施多級防護及注意防雷器的維護。不考慮防雷保護區(qū)、能量配合及電壓分配而隨便安裝防雷器，比如僅僅在設(shè)備前端裝設(shè)一只防雷器，由于沒有前級保護，強大的雷電流將被吸引到設(shè)備前端，致使防雷器殘壓超過設(shè)備絕緣強度。這要求防雷器必須按層次性原則安裝。

（四）在另外的一些情況下，錯誤的安裝將使設(shè)備得不到有效保護。過長的防雷器連接線、防雷器工作時，連接線上由感抗引起的電壓將極高，加在設(shè)備上的仍會危險電壓。解決這個問題的方法是采用短的連接線，也要以采用兩要以上分開的連接線以分擔(dān)磁場強度，減少壓降，單線加粗連接線是沒有什么效果的。必要時可通過改變被保護線的布線，使其靠近等電位連接排（接地點）以減少連接線長度。

參考文獻

[1]周紹敏主編：《電工基礎(chǔ)》，高等教育出版社，1998年第三版

[2]李中發(fā)主編：《電工技術(shù)》，中國水利水電出版社，2005年第一版