淺析如何合理選用電源電涌保護(hù)器

李柏堅(jiān)

摘 要：為了保護(hù)智能化電子設(shè)備和保證用電安全，將電涌保護(hù)器大范圍投入使用具有一定的必要性和緊迫性。在發(fā)生雷擊時(shí)，電涌保護(hù)器能夠確保供電線路的電壓處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，有效預(yù)防雷電電流對(duì)電子設(shè)備的沖擊和損壞，因此，電涌保護(hù)器成為保護(hù)自動(dòng)化設(shè)備免受雷擊的不二之選。但是目前，在電涌保護(hù)器的選擇上還存在一定的誤區(qū)，尋求科學(xué)的方法來(lái)選擇電涌保護(hù)器勢(shì)在必行。

關(guān)鍵詞：電涌保護(hù)器；電壓保護(hù)水平；限壓型SPD；組合型SPD

中圖分類(lèi)號(hào)：TM863 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.093

電涌保護(hù)器，簡(jiǎn)稱(chēng)“SPD”，是一種限制電壓浪涌的高科技設(shè)備。電涌保護(hù)器對(duì)電子設(shè)備的保護(hù)效果遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的接閃桿或避雷網(wǎng)好得多。自然氣候本身多變，時(shí)常出現(xiàn)雷暴、強(qiáng)降水、暴雪等惡劣天氣；而社會(huì)環(huán)境也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定的沖擊，比如磁暴干擾、大功率工業(yè)設(shè)備電源開(kāi)關(guān)時(shí)的干擾、無(wú)線電波、核爆炸等。這些自然因素和非自然因素都有可能使電源線產(chǎn)生浪涌電壓，為了限制這種強(qiáng)浪涌，電涌保護(hù)器應(yīng)運(yùn)而生。電涌保護(hù)器能夠保證供電電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、安全，避免因意外事故造成不必要的損失。本文主要從電涌保護(hù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理、電涌保護(hù)器的分類(lèi)和技術(shù)參數(shù)、電壓保護(hù)水平和能量承受能力的確定、不同電涌保護(hù)器的功能和缺點(diǎn)、電涌保護(hù)器的正確選擇五個(gè)方面加以闡述，具體情況如下。

1 電涌保護(hù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

電涌保護(hù)器中至少有一個(gè)非線性元件。該類(lèi)元件一般由壓敏電阻、放電管和其他元件組成，在正常情況下呈開(kāi)路狀態(tài)，漏電電流非常低，因此，安裝于電網(wǎng)中能夠保證不發(fā)生短路，從而保證供電電路的正常運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，雷電電流沿供電線路流經(jīng)電涌保護(hù)器，如果雷電電壓幅值超過(guò)電涌保護(hù)器的工作閥值，電涌保護(hù)器會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，導(dǎo)通的速度堪比光速。在此過(guò)程中，雷電電流通過(guò)SPD迅速流入大地。在浪涌過(guò)后，電壓處于工作閥值以下時(shí)，電涌保護(hù)器又會(huì)迅速恢復(fù)到高電阻狀態(tài)。這樣，不僅可以保證供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還可以保護(hù)線路上的電子設(shè)備，最大限度地削弱雷電電流對(duì)電子設(shè)備的沖擊。

完整的保護(hù)電路一般由多級(jí)SPD并聯(lián)組成，每級(jí)均要根據(jù)設(shè)計(jì)要求選取工作閥值不同的SPD，這樣才能使流經(jīng)線路中的

雷電電流逐級(jí)減小，最后達(dá)到安全值。

2 電涌保護(hù)器的分類(lèi)和技術(shù)參數(shù)

按照不同的用途，電涌保護(hù)器可以分為兩大類(lèi)，即用于電氣系統(tǒng)的電源電涌保護(hù)器和用于電子信息系統(tǒng)的信號(hào)電涌保護(hù)器。從工作原理和用途來(lái)劃分，電源電涌保護(hù)器可分為三類(lèi)，即克羅巴型電涌保護(hù)器（電壓開(kāi)關(guān)型）、箝壓型電涌保護(hù)器（限壓型）和組合型電涌保護(hù)器。

電源電涌保護(hù)器的主要技術(shù)參數(shù)有以下五個(gè)：①最大持續(xù)工作電壓Uc，即允許持續(xù)施加于SPD端子間的最大電壓有效值（交流方均根電壓或直流電壓），其值與SPD的額定電壓值相同。此外，Uc不應(yīng)低于線路中可能出現(xiàn)的最大連續(xù)運(yùn)行電壓。②SPD的試驗(yàn)級(jí)別。SPD試驗(yàn)分為I級(jí)試驗(yàn)、II級(jí)試驗(yàn)和III級(jí)試驗(yàn)。I級(jí)試驗(yàn)是對(duì)I類(lèi)SPD進(jìn)行的標(biāo)稱(chēng)放電電流（In）、1.2/50 μs沖擊電壓和10/350 μs最大沖擊電流（Iimp）試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)為電壓開(kāi)關(guān)型SPD；II級(jí)試驗(yàn)是對(duì)II類(lèi)SPD進(jìn)行的標(biāo)稱(chēng)放電電流（In）、1.2/50 μs沖擊電壓和8/20 μs波形最大放電電流（Imax）試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)為限壓型SPD；III級(jí)試驗(yàn)是對(duì)III類(lèi)SPD進(jìn)行的復(fù)合波（1.2/50 μs和8/20 μs）試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)為組合型SPD。③標(biāo)稱(chēng)放電電流In（額定放電電流），即流過(guò)SPD8/20 μs波形的放電電流峰值（kA）。④最大放電電流Imax，即通過(guò)SPD8/20 μs電流波的峰值電流。⑤電壓保護(hù)水平Up，是表征SPD限制接線端子間電壓的性能參數(shù)。對(duì)于電壓開(kāi)關(guān)型SPD來(lái)說(shuō)，Up是指規(guī)定陡度下的最大放電電壓；對(duì)于電壓限制型SPD來(lái)說(shuō)，Up是指規(guī)定電流波形下的最大殘壓。Up值可從優(yōu)先值列表中選擇。需要注意的是，Up值應(yīng)大于實(shí)測(cè)限制電壓。實(shí)測(cè)限制電壓是指對(duì)SPD施加規(guī)定波形和幅值的沖擊電壓時(shí)，在其接線端子間測(cè)得的最大電壓峰值。電源電涌保護(hù)器的這五個(gè)技術(shù)參數(shù)是相關(guān)人員在進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)選取SPD的重要依據(jù)。

3 電壓保護(hù)水平和能量承受能力的確定

電涌保護(hù)器電壓保護(hù)水平和能量承受能力的確定對(duì)于電涌保護(hù)器的選取非常重要。對(duì)于不同的電涌保護(hù)器，這兩項(xiàng)值可能不同。這就意味著電涌保護(hù)器的類(lèi)型不同，其用途或適用場(chǎng)合也不同。電涌保護(hù)器電壓保護(hù)水平和能量承受能力確定的具體步驟如下。

電涌保護(hù)器電壓保護(hù)水平確定的主要依據(jù)是電涌保護(hù)器的耐受力，同時(shí)參照絕緣沖擊耐受水平和電涌抗擾度。一般情況下，電涌保護(hù)器電壓保護(hù)水平參數(shù)由電涌保護(hù)器的制造商提供。表1所示為不同電器的耐壓能力。

對(duì)于電涌保護(hù)器能量承受能力的測(cè)算，一般需要根據(jù)雷電電流參數(shù)來(lái)估算分流值。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010），我國(guó)的建筑物根據(jù)其使用性質(zhì)、安全性等分為三類(lèi)：第一類(lèi)為普通民宅，即發(fā)生事故的可能性較小的建筑物；第二類(lèi)為處于危險(xiǎn)環(huán)境中的建筑物；第三類(lèi)為儲(chǔ)藏炸藥、火藥等危險(xiǎn)物品的建筑物，即爆炸時(shí)會(huì)造成大量人員傷亡的建筑物。

4 不同電涌保護(hù)器的功能和優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 電壓開(kāi)關(guān)型SPD

在沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)，電壓開(kāi)關(guān)型SPD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?，并允許雷電電流通過(guò)。因此，電壓開(kāi)關(guān)型SPD也被稱(chēng)為“短路開(kāi)關(guān)型SPD”，一般用于第一級(jí)。

4.2 限壓型SPD

在沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)，限壓型SPD呈現(xiàn)高阻抗；但隨著電涌電流和電壓的增加，其阻抗不斷降低。限壓型SPD的電流、電壓特性為強(qiáng)烈非線性，一般用于第二級(jí)。

4.3 組合型SPD

組合型SPD由電壓開(kāi)關(guān)型組件和限壓型組件組成，兼具電壓開(kāi)關(guān)型SPD和限壓型SPD的特性，這主要決定于所加電壓的特性。當(dāng)安裝受條件限制時(shí)，用于第一級(jí)。

表2所示為三種SPD的優(yōu)缺點(diǎn)比較情況。

5 電涌保護(hù)器的正確選擇

電源SPD的選擇應(yīng)綜合考慮安裝位置的氣象因素、建（構(gòu)）筑物所處的環(huán)境、電源引入線的安裝類(lèi)型和防雷系統(tǒng)的接地情況。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，第一、二類(lèi)防雷建筑物應(yīng)在電源引入的總配電箱處裝設(shè)Ⅰ分類(lèi)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器，且電涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平值應(yīng)≤2.5 kV。當(dāng)?shù)谝槐Ｗo(hù)模式的沖擊電流值無(wú)法確定時(shí)，應(yīng)取≥12.5 kA。第三類(lèi)防雷建筑物的要求與第一、二類(lèi)基本一致，只是沒(méi)有明確規(guī)定沖擊電流值的大小，在無(wú)法確定沖擊電流值時(shí)，給出了與第一、二類(lèi)防雷建筑物相同的沖擊電流計(jì)算公式。我們也可以將規(guī)范中對(duì)電涌保護(hù)器的要求理解為：在總配電箱處安裝Ⅰ級(jí)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器，且其電壓保護(hù)水平值應(yīng)不大于2.5 kV，沖擊電流值應(yīng)不小于12.5 kA。

一級(jí)SPD確定后，再確定二級(jí)SPD……N級(jí)SPD的通流量主要由一級(jí)SPD的適配和雷電逐級(jí)衰減原理計(jì)算確定，也可跟據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)或GB 50343—2004規(guī)范確定。

在SPD安裝方面，接線方式應(yīng)優(yōu)先采用V形凱文接法。在采用T形接法連接時(shí)，兩端引線長(zhǎng)度不宜超過(guò)0.5 m；連接SPD的材料宜采用多股銅導(dǎo)線，導(dǎo)線截面積要求：Ⅰ級(jí)試驗(yàn)≥6 mm2，Ⅱ級(jí)試驗(yàn)≥2.5 mm2，Ⅲ級(jí)試驗(yàn)≥1.5 mm2，并保證有良好的接地條件。

SPD在運(yùn)行期間會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間工作或處于惡劣環(huán)境中而老化，也可能因遭受雷擊而導(dǎo)致性能下降，因此，需要定期檢測(cè)。如果檢測(cè)結(jié)果表明SPD已劣化或失效，應(yīng)及時(shí)更換。

6 結(jié)束語(yǔ)

電涌保護(hù)器除按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選擇和安裝外，更重要的是綜合考慮當(dāng)?shù)氐臍庀?、地理、環(huán)境等因素。在安裝完成投入使用后，應(yīng)定期檢查SPD的運(yùn)行情況。只有保證SPD正常工作，才能達(dá)到良好的防護(hù)效果，這對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)和個(gè)體住戶(hù)來(lái)說(shuō)非常重要。

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〔編輯：劉曉芳〕