淺談雷電防護(hù)與SPD選擇

宮奇?zhèn)? 李銳堅(jiān)

摘 要：電涌保護(hù)器（Surge protection Device）是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，過去常稱為"避雷器"或"過電壓保護(hù)器"英文簡(jiǎn)寫為SPD.電涌保護(hù)器的作用是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)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)?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)不受沖擊而損壞。本文主要概述了雷電的產(chǎn)生、雷電的危害及形式；防護(hù)區(qū)的分類；電氣線路三級(jí)防雷；SPD的選擇以及SPD后備保護(hù)元器件的選擇等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：雷電；防護(hù)；SPD

0 前言

正雷電直擊情況下，由于雷電流有極大峰值和陡度，在它周圍的空間有強(qiáng)大的變化的電磁場(chǎng)，處在這電磁場(chǎng)中的導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)雷電流通過引下線入地時(shí)，在小金屬環(huán)開口處可感應(yīng)出高達(dá)數(shù)千伏的高電壓，足以擊壞附近的電子元器件。而當(dāng)SPD安裝于界面附近的被保護(hù)設(shè)備處時(shí)，至該設(shè)備的線路應(yīng)能承受所發(fā)生的電涌電壓及電流，且線路的金屬保護(hù)層或屏蔽層宜首先在界面處做一次等電位聯(lián)結(jié)，由于弱電系統(tǒng)大量采用了COMS電路，工作電平TTL，極易受到雷擊電磁脈沖的沖擊。輕則造成軟件故障、當(dāng)機(jī)，停工停產(chǎn)。重則造成設(shè)備損壞、生產(chǎn)癱瘓。因此應(yīng)引起各行各業(yè)的高度重視。

1 雷電基本知識(shí)

1.1雷電產(chǎn)生

大氣中的強(qiáng)對(duì)流會(huì)伴隨著電荷分布的變化，大氣電場(chǎng)也會(huì)隨之發(fā)生變化，從而形成雷雨云（專業(yè)稱”積雨云”），雷雨云團(tuán)之間或雷雨云團(tuán)與大地之間就可能發(fā)生劇烈的放電現(xiàn)象，這種強(qiáng)烈的放電就是閃電，又稱雷電或雷擊。

1.2雷電的危害和雷電防護(hù)區(qū)

⑴雷電危害

直擊雷：直擊雷是雷雨云對(duì)大地或建筑物的放電現(xiàn)象。它產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖電流、熾熱的高溫、猛烈的電動(dòng)力損壞放電通道上的建筑物、輸電線、室外電氣、電子設(shè)備，擊死擊傷人員，同時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈的電磁感應(yīng)和電磁輻射，對(duì)周圍的電氣、電子設(shè)備造成損壞或干擾。

雷擊電磁脈沖（LEMP）：雷擊電磁脈沖是由于雷雨云之間和雷雨云與大地之間放電時(shí)，產(chǎn)生的電磁感應(yīng)、電磁輻射以及雷雨云與輸電線靜電感應(yīng)電荷在雷擊放電瞬間泄放，產(chǎn)生的過電壓、過電流通過連接建筑物內(nèi)外的各種金屬管道、電源線、信號(hào)線、電視天線等進(jìn)入室內(nèi)設(shè)備，使用電設(shè)備損害。

⑵雷電防護(hù)區(qū)

直擊雷非防護(hù)區(qū)（LPZOA區(qū)）：本區(qū)內(nèi)的各類物體完全暴露在外部防雷裝置的保護(hù)范圍之外，都可能遭到直接雷擊；本區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)未得到任何屏蔽衰減，屬完全暴露的不設(shè)防區(qū)。

直擊雷防護(hù)區(qū)（LPZOB區(qū)）：本區(qū)的各類物體處在外部防雷裝置保護(hù)范圍之內(nèi)，應(yīng)很少能遭到大于所選滾球半徑的直接雷擊；但本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)未得到任何屏蔽衰減，屬充分暴露的直擊雷防護(hù)區(qū)。

第一屏蔽保護(hù)區(qū)（LPz1區(qū)）：本區(qū)內(nèi)的各類物體不可能遭受直接雷擊，流經(jīng)各類導(dǎo)體的雷電流已經(jīng)分流，比LPZOB區(qū)進(jìn)一步減??；且由于屏蔽措施，本區(qū)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度也已得到了初步的衰減。為了進(jìn)一步減小雷擊電磁脈沖的影響，可設(shè)第二屏蔽保護(hù)區(qū)LPZ2：和第三屏蔽保護(hù)區(qū)LPZ3。

2 典型雷電描述

2.1雷電波形

⑴10/350uS是時(shí)間與電流的曲線，是典型雷電擊穿大地的雷電流曲線，是雷電直接襲擊電力線和避雷針的雷電流曲線。我們一般稱直擊雷波形。

⑵8/20uS是時(shí)間與電流的曲線，是典型雷電擊穿大地（避雷針或臨近接閃物）引起的電磁脈沖感應(yīng)過電壓，這個(gè)感應(yīng)過電壓擊穿、燒毀設(shè)備時(shí)的電流曲線。我們一般稱感應(yīng)雷波形。

2.2直擊雷波形和感應(yīng)雷波形的區(qū)別

⑴標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定的差異性：IEC國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC1024《建筑設(shè)計(jì)防雷規(guī)范》、IEC1312《雷電電磁脈沖防護(hù)》均執(zhí)行10/350uS和8/20uS雷電波形。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11032-2000《交流避雷器》、GB3482-3483-83《電子設(shè)備雷擊實(shí)驗(yàn)、導(dǎo)則》均執(zhí)行8/20uS雷電波形。

⑵根據(jù)理論計(jì)算，同等雷擊電流作用下，10/350uS和8/20uS雷電焦耳能量之比為17.5（比如：一個(gè)8/20uS雷電流10KA其雷電焦耳為1000J，那么，一個(gè)10/350uS雷電流10KA其雷電焦耳近似為17500J），10/350uS和8/20uS雷電焦耳能量是有本質(zhì)上的區(qū)別。

⑶2000年10月1日，國(guó)家頒布了GB50057-2000《建筑設(shè)計(jì)防雷規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，第一次強(qiáng)制要求必須執(zhí)行10/350uS雷電波形，這是我國(guó)與國(guó)際接軌的第一個(gè)雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

3 電源線路SPD的選擇要求

3.1 SPD的選擇

⑴保護(hù)系統(tǒng)中安裝SPD的數(shù)量，依據(jù)雷電防護(hù)區(qū)概念的要求，被保護(hù)設(shè)備的抗擾能力和雷電防護(hù)分級(jí)而定。

⑵在LPZ0區(qū)與LPZ1區(qū)交界處應(yīng)安裝Ⅰ級(jí)分類實(shí)驗(yàn)的SPD或限壓型SPD作為第一級(jí)保護(hù)；在LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)交界處應(yīng)安裝限壓型SPD作為第二級(jí)保護(hù)；在住宅配電箱輸出端應(yīng)安裝限壓型SPD作為第三級(jí)保護(hù)。

⑶SPD連接導(dǎo)線應(yīng)短而直，其長(zhǎng)度不宜大于0.5m。如果電網(wǎng)中有幾個(gè)浪涌保護(hù)器，它們將會(huì)互相影響，并聯(lián)的保護(hù)器之間必須達(dá)到能量的配合才能確保被保護(hù)線路的安全。配合的效果是：當(dāng)由雷電形成一個(gè)浪涌過電壓時(shí)，電涌保護(hù)器（B級(jí)）將可靠地響應(yīng)，帶走高能量的電流，以保護(hù)由于過載而損壞其它浪涌保護(hù)器（C級(jí)或D級(jí)）。當(dāng)SPD具有能量自動(dòng)配合功能時(shí)，線路長(zhǎng)度不受上述規(guī)定限制。為防止SPD老化造成短路，SPD安裝線路上應(yīng)有過電流保護(hù)裝置，宜選用有劣化顯示功能的SPD。

⑷在電源總配電柜輸出端應(yīng)安裝標(biāo)稱放電電流In≥15KA（10/350μs波形）的開關(guān)型浪涌保護(hù)器；也可安裝標(biāo)稱放電電流In≥80KA（8/20μs波形）的限壓型SPD作為一級(jí)防護(hù)。

⑸在分配電柜輸出端應(yīng)安裝標(biāo)稱放電電流In≥40KA（8/20μs波形）的限壓型SPD作為二級(jí)防護(hù)。

⑹在住宅終端配電箱輸出端應(yīng)安裝標(biāo)稱放電電流In≥20KA（8/20μs波形）限壓型SPD作為三級(jí)防護(hù)。

⑺在配電箱輸出端也可安裝混合型或串聯(lián)型SPD，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足設(shè)備要求。

3.2 SPD后備保護(hù)元件的選擇

基于電氣安全原因，并聯(lián)安裝在市電電源的SPD，為防止其失效后造成故障短路，必需在SDP前安裝短路保護(hù)器件。SPD的后備保護(hù)有熔斷器、斷路器和漏電斷路器三種。

在國(guó)內(nèi)外公司SPD的樣本中，對(duì)SPD后備保護(hù)的推薦方案比較亂，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可遵循。國(guó)內(nèi)某公司使用手冊(cè)中推薦的熔斷器規(guī)格如下：

第一級(jí)SPD為開關(guān)型15kA，10/350，斷路器為63A；

第二級(jí)SPD為限壓型40kA，8/20，斷路器為32A；

第三級(jí)SPD為限壓型10kA，8/20，斷路器為16A。

斷路器選擇C脫扣曲線

4 弱電系統(tǒng)SPD選擇中應(yīng)注意的問題

首先要弄清楚測(cè)量和控制系統(tǒng)（或電信系統(tǒng)）是否受電涌威脅，還是也受到首次雷擊分流的威脅；共模保護(hù)還是差模保護(hù)；是否先用帶去耦電路的SPD；頻率特性的選擇；SPD的標(biāo)稱通流In；SPD的標(biāo)稱耐壓Un選擇；線/線或線/低電壓的選擇；SPD的串聯(lián)阻抗數(shù)據(jù)的選擇；SPD的配合特性的選擇；選擇單級(jí)還是多級(jí)保護(hù)。

SPD安裝位置原則上應(yīng)安裝在各防雷區(qū)界面處，并宜靠近建筑入口及被保護(hù)設(shè)備安裝，當(dāng)SPD安裝于界面附近的被保護(hù)設(shè)備處時(shí)，至該設(shè)備的線路應(yīng)承受所發(fā)生的電涌電壓及電流，在線路的金屬保護(hù)層或屏蔽層宜在界面處做一次等電位聯(lián)結(jié)。

SPD的使用安裝應(yīng)對(duì)低壓電器線路和設(shè)備起到電涌保護(hù)作用，同時(shí)不應(yīng)因SPD的安裝造成低壓電器系統(tǒng)故障和事故。

5 結(jié)論

電涌保護(hù)器的電路根據(jù)不同需要，有不同的形式，其基本元器件就是上面介紹的幾種，一個(gè)技術(shù)精通的防雷產(chǎn)品研究工作者，可設(shè)計(jì)出五花八門的電路，好似一盒積木可搭出不同的結(jié)構(gòu)圖案。研制出既有效又性能價(jià)格比好的產(chǎn)品，是防雷工作者的重任。