建筑物低壓電源線路雷電過電壓保護(hù)

彭文偉　楊紅新

[摘要]為了避免電源線路對(duì)雷電的感應(yīng)和傳輸特性，時(shí)常引發(fā)雷擊過電壓侵入建筑物室內(nèi)，損壞電氣設(shè)備，乃至人員傷亡事故，通常是在電源線路上安裝電源避雷器，然而由于一些技術(shù)人員對(duì)避雷器特性認(rèn)識(shí)欠缺，造成后續(xù)設(shè)備或系統(tǒng)仍遭受雷擊的現(xiàn)象。本文根據(jù)國家相關(guān)防雷技術(shù)規(guī)范介紹在電源線路上裝設(shè)電涌保護(hù)器的基本原則。

[關(guān)鍵詞]SPD；絕緣配合；電涌電壓

0引言

預(yù)防電源線路感應(yīng)雷擊電磁脈沖損壞系統(tǒng)設(shè)備，常用的措施是按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057-2010）《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB 50343-2012）在建筑物低壓電源線路上安裝電涌保護(hù)器將雷電過電壓限制到保護(hù)對(duì)象能夠承受的范圍，從而保障設(shè)備或系統(tǒng)安全運(yùn)行。然而，一些技術(shù)人員對(duì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及電涌保護(hù)器學(xué)習(xí)了解不夠，時(shí)常造成安裝了電涌保護(hù)器但未起到有效的保護(hù)作用，為此，本文根據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹電源線路上裝設(shè)電涌保護(hù)器的基本原則。

1電涌保護(hù)器（SPD）

電涌保護(hù)器，又稱過電壓保護(hù)器，目的在于限制瞬態(tài)過電壓和分走電涌電流。它至少包含有一非線性元件。它可以是單個(gè)非線性元件加工成的保護(hù)模塊，可以是由多個(gè)非線性元件的組合，也可以是線性元件和非線性元件的多功能集合體，將過電壓限制到指定的水平，或者為系統(tǒng)提供等電位，又稱“保持器”。

電源線路SPD，根據(jù)用途，有用于暴露環(huán)境孤立建筑物引入電源線路的直擊雷電過電壓防護(hù)，有用于城鎮(zhèn)建筑群低壓電力線的感應(yīng)過電壓防護(hù)。防過電流裝置，有可恢復(fù)和不可恢復(fù)兩種。220/380V電源線路雷擊過電壓防護(hù)的SPD，屬可恢復(fù)類型。

2SPD的選用

SPD有電壓開關(guān)型、限壓型和由這兩種組件的組合型。電壓開關(guān)型SPD，有時(shí)又稱為“短路開關(guān)型”或“克羅巴型”SPD，通常采用放電間隙、充氣放電管、閘流管和三端雙向可控硅元件組成這類SPD組件，當(dāng)無電涌出現(xiàn)時(shí)為高阻抗，當(dāng)出現(xiàn)電涌時(shí)突變?yōu)榈妥杩?。限壓型SPD在無電涌電流出現(xiàn)時(shí)為高阻抗，隨著電涌電流或電壓的增加，阻抗跟著連續(xù)變小，內(nèi)部元件通常為壓敏電阻、抑制二極管。有時(shí)稱這類SPD為“箝壓型”SPD。組合型可以顯示電壓開關(guān)型或限壓型或兩者都有的特性，這決定于所加電壓的特性。

2.1SPD的主要特性

電壓開關(guān)型SPD：具有持續(xù)耐雷能力強(qiáng)，通流量大，點(diǎn)火電壓高，但存在響應(yīng)時(shí)間長，工頻續(xù)流的缺點(diǎn)。放電間隙、充氣放電管是最堅(jiān)固耐用的開關(guān)器件，它能承受持續(xù)時(shí)間為數(shù)百微妙，電流為數(shù)十千安或以上的瞬態(tài)雷電流波，以及電力故障時(shí)持續(xù)承受1s以上數(shù)安培交流電流。充氣放電管的氣體（惰性氣體）對(duì)雷電壓的擊穿靈敏度有所改善，雷擊過電壓的陡度（du/dt）越大，響應(yīng)時(shí)間越快。充氣放電管、閘流管等產(chǎn)品的靈敏度較放電間隙又有所改善，它們的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到100ns等級(jí)。續(xù)流特點(diǎn)，對(duì)不允許有交流續(xù)流的用戶，不得將這類器件單獨(dú)并聯(lián)在電源線上，為了能夠及時(shí)斷開工頻續(xù)流和起到滅弧，一定要有切斷續(xù)流裝置。一般可在電源回路或設(shè)備的回路接人普通電阻器，或者在放電管的分路接入氧化鋅壓敏電阻（MOV），這類器件工作偏差大，只能用作粗保護(hù)。

限壓型SPD：產(chǎn)品元件主要是氧化鋅壓敏電阻（MOV）。它具有通流量大，反映速度快、啟動(dòng)靈敏，無間隙通斷雷電流控制，無工頻續(xù)流等特點(diǎn)。它的材料是直徑為幾十微米的氧化鋅晶粒被其他金屬氧化物所形成的晶界層所包圍，它的極好的非線性特性就是由晶界層決定的。氧化物晶粒導(dǎo)電性良好，電阻率一般為0.003Ω·m。而晶界層的電阻率高達(dá)10～10Ω·m。當(dāng)晶界層上的電場(chǎng)強(qiáng)度比較低時(shí)，只有少量電子由于熱發(fā)射可以穿過晶界層的勢(shì)壘，故呈現(xiàn)很大的電阻。當(dāng)晶界層上的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，出現(xiàn)隧道效應(yīng)，大量電子穿過晶界層，電阻值大大降低；成品的氧化鋅壓敏電阻可以看成是由無數(shù)個(gè)小型PN結(jié)并聯(lián)組成的，從而具有大量級(jí)的通流能力。通常MOV單片耐流能力可達(dá)20kA（8/20us，兩次），僅次于放電管；響應(yīng)時(shí)間達(dá)到20 ns等級(jí)。缺點(diǎn)是極間電容大（可達(dá)1 000PF），有不同程度的微弱漏流。漏流的不穩(wěn)定，長期接人電路中會(huì)因漏電流加大導(dǎo)致升溫而燒壞。

2.2主要參數(shù)

Ipeak：SPD使用在LPZOA區(qū)或LPZOB區(qū)與LPZl區(qū)界面，有直擊雷保護(hù)，Ipeak=I÷2÷n。無直擊雷保護(hù)，Ipeak=I÷n。后續(xù)安裝的SPD通流量與上述計(jì)算方法相同，但I(xiàn)應(yīng)為首次以后的雷電流參量。電纜內(nèi)各芯線的電流按Ipeak÷m選取。（I-首次雷擊電流相應(yīng)參量，n-管、線的數(shù)量，m-電纜內(nèi)芯線根數(shù)）。對(duì)有屏蔽層的線路Ipeak按上述計(jì)算電流的30%選取。

Up：SPD的保護(hù)水平應(yīng)與保護(hù)對(duì)象的耐沖擊電壓相匹配。當(dāng)無法獲得電力線路、設(shè)備的耐沖擊電壓值時(shí)按下列值選取：

Uc：SPD的最大連續(xù)工作電壓，應(yīng)符合如下規(guī)定：

TT系統(tǒng)，SPD安裝在剩余電流保護(hù)器負(fù)荷側(cè)，Uc不應(yīng)小于1.55U0；而SPD安裝在剩余電流保護(hù)器的電源側(cè)，則Uc不應(yīng)小于1.15%.

TN系統(tǒng)，Uc不應(yīng)小于1.15%.

IT系統(tǒng)，SPD安裝在剩余電流保護(hù)器負(fù)荷側(cè)，Uc不應(yīng)小于1.15U（U為線間電壓）。

220/380V三相系統(tǒng)中，Un=220V。系數(shù)1.15中0.1考慮系統(tǒng)的電壓偏差（即規(guī)定允許的10%電壓波動(dòng)），0.05考慮電涌保護(hù)器的老化。Uc值與產(chǎn)品的使用壽命、電壓保護(hù)水平有關(guān)。Uc選高了，壽命長了，但電壓保護(hù)水平，即SPD的殘壓也相應(yīng)提高，要綜合考慮。

3SPD的設(shè)置原則

3.1防雷區(qū)劃分

圖1為防雷區(qū)劃分示意圖。

LPZOA區(qū)：本區(qū)域內(nèi)的各物體都可能遭到直接雷擊和導(dǎo)走全部雷電流；本區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度沒有衰減。

LPZOB區(qū)：本區(qū)域內(nèi)的各物體不可能遭到大于所選滾球半徑對(duì)應(yīng)的雷電流直接雷擊，但本區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度沒有衰減。

LPZ1區(qū)：本區(qū)域內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，流經(jīng)各導(dǎo)體的電流比LPZOB區(qū)更?。槐緟^(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度可能衰減，這取決于屏蔽措施。

IPZn+1后續(xù)防雷區(qū)：當(dāng)需要進(jìn)一步減小流入的電流和電磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)增設(shè)后續(xù)防雷區(qū)，并按照需要保護(hù)的對(duì)象所要求的環(huán)境區(qū)選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。

將一具有直擊雷防護(hù)的建筑物劃分成不同防雷區(qū)的電力線、信號(hào)線等電位連接原則：

LPZOA區(qū)與LPZOB區(qū)之間無界面。

各區(qū)交界處是等電位連接位置；防雷區(qū)的數(shù)越高電磁場(chǎng)強(qiáng)度越小。

建筑物內(nèi)電磁場(chǎng)受到如窗戶這樣的洞的影響和金屬導(dǎo)體（如等電位連接帶、電纜屏蔽層、管子）上電流的影響以及電纜路徑的影響。

3.2SPD安裝要求

LVZOA或LPZOB與LPZl區(qū)交界處的SPD。應(yīng)選用符合I級(jí)分類產(chǎn)品，器件的試驗(yàn)波形應(yīng)為10/350us沖擊電流波形。用于后續(xù)界面的SPD應(yīng)選用符合Ⅱ級(jí)或Ⅲ級(jí)分類產(chǎn)品，試驗(yàn)波形一般為8/20us沖擊電流波形。

同一線路多處裝設(shè)SPD，限壓型SPD之間間隔的線路長度應(yīng)≥5m；電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間間隔的線路長度應(yīng)≥10m。

因接線存在電感，SPD接線后的最大電涌電壓比SPD標(biāo)稱的限制電壓高，不利于與保護(hù)對(duì)象允許的最大承受力協(xié)調(diào)。為了降低電涌電壓，對(duì)SPD的接線有以下要求：

①兩端的接線盡量做到短、直；②多余聯(lián)結(jié)接線不得采用纏繞方式；③接地線盡量不與被保護(hù)線近距離平行敷設(shè)、高位敷設(shè)，以免再次感應(yīng)對(duì)已經(jīng)作了限壓保護(hù)的線路；④保護(hù)要求較高的設(shè)備，SPD的接地線、后續(xù)的電源線，宜采取屏蔽措施。

4結(jié)語

電源線路按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)安裝電涌保護(hù)器能有效預(yù)防電源線路雷擊電磁脈沖的危害，技術(shù)人員熟悉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、電涌保護(hù)器技術(shù)參數(shù)以及電子信息系統(tǒng)設(shè)備性能是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)正確安裝電涌保護(hù)器也是使安裝的電涌保護(hù)器正常運(yùn)行所不可忽略的。