浪涌保護(hù)器在民用建筑電氣設(shè)計中的應(yīng)用分析

遼寧創(chuàng)拓建設(shè)工程管理有限公司 趙海猛

1 引言

浪涌又被稱作突波，可以在極短時間內(nèi)產(chǎn)生劇烈脈沖，引發(fā)電阻燒斷、PN結(jié)電容擊穿等故障問題，短路、電源切換等均是浪涌現(xiàn)象常見誘因，其中雷擊導(dǎo)致的浪涌危害最大、牽涉范圍最廣，過電壓影響半徑可達(dá)到1.5～2km，電壓漲幅、傳輸距離均相當(dāng)可觀，對用電設(shè)備安全性能、使用壽命等均造成了較大威脅，有必要從實踐角度出發(fā)，對民用建筑浪涌保護(hù)器設(shè)計、應(yīng)用渠道進(jìn)行優(yōu)化探究。

2 浪涌保護(hù)器工作原理

浪涌保護(hù)器是民用建筑中極為關(guān)鍵的防雷安全裝置，保護(hù)對象主要為電力線、信號傳輸線等，能夠在科學(xué)的運行機(jī)制下，對竄入的瞬時過電壓進(jìn)行處理，并將其限制在設(shè)備能夠承受的范圍內(nèi)，或者將其泄流入大地，防止過度沖擊之下，設(shè)備受損或加速老化。其內(nèi)部元件主要有以下幾種。

一是放電間隙，通常暴露在空氣之中，具體形式為兩根間隔開來的金屬棒，分別連接保護(hù)對象、接地線（PE），若電路中出現(xiàn)瞬時過電壓，間隙會直接被擊穿，并將部分電荷送入大地，避免線路電壓升高。該種放電間隙裝置中，金屬棒的距離是可以自由調(diào)節(jié)的，靈活性好且結(jié)構(gòu)簡單，但滅弧性能稍弱。

二是氣體放電管，常見材質(zhì)為玻璃或陶瓷管，內(nèi)部充有一定體積的惰性氣體，并且裝有一對冷陰板，為提升觸發(fā)效率，部分放電管中還加入了助觸發(fā)劑，二極型、三極型均是常見種類，選擇時需要綜合考察直流放電電壓Udc、極間電容等參數(shù)。

三是壓敏電阻，本質(zhì)是一個金屬氧化物半導(dǎo)體，以ZnO為主要成分，當(dāng)其兩端電壓發(fā)生改變，達(dá)到預(yù)設(shè)數(shù)值之后，電阻對電壓的敏感性會直線上升[1]。其優(yōu)點在于非線性特征較好，殘壓低且通流容量較大，在選擇時要綜合考慮被保護(hù)設(shè)備耐受電壓。

四是抑制二極管，具備箝位限壓功能，相應(yīng)速度較快，通常被用于多級保護(hù)電路的最末幾級保護(hù)元件。

3 浪涌保護(hù)器類別及功能分析

3.1 開關(guān)型SPD

開關(guān)型SPD屬于間隙放電型器件，正常情況下呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，當(dāng)電涌電壓出現(xiàn)時，阻抗會瞬間降低，對浪涌電流進(jìn)行分流，達(dá)成設(shè)備防護(hù)目標(biāo)。從原理上看，開關(guān)型SPD又可細(xì)分為兩種。首先是空氣間隙SPD，放電通道內(nèi)涂有產(chǎn)氣物質(zhì)，當(dāng)過電壓作用于線路，產(chǎn)生過電流并經(jīng)過該通道時，電弧產(chǎn)生的高溫會影響產(chǎn)氣物質(zhì)，生成大量未電離氣體，并沿著放電通道形成氣流，熄滅等離子電弧。近年來，伴隨科技手段的進(jìn)步，磁吹滅弧空氣間隙SPD、多間隙串聯(lián)空氣間隙SPD等裝置也逐漸進(jìn)入市場，為開關(guān)型SPD的發(fā)展提供了強(qiáng)大助力。其次是氣體放電管SPD，主要利用放電間隙原理，借助局部產(chǎn)生的氣體膨脹形成對流結(jié)構(gòu)，促進(jìn)帶電粒子的螺旋運動，有單間隙、多間隙串聯(lián)之分。整體上講，開關(guān)型SPD的雷電泄放能力較強(qiáng)，在泄放能量方面有著較高的適用性，電流、電壓呈現(xiàn)出不連續(xù)特征。

3.2 限壓型SPD

限壓型SPD在電子、電氣設(shè)備中應(yīng)用相對廣泛，裝置整體以ZnO壓敏電阻為核心，并配備脫離器提升安全性能，在無電涌狀態(tài)下，SPD表現(xiàn)出高阻抗?fàn)顟B(tài)，當(dāng)電涌電流上升時，其內(nèi)部阻抗會連續(xù)變小，與開關(guān)型SPD相比，其泄放雷電能量的能力相對較弱，但對過電壓有著較好的抑制效果。由于綜合性能優(yōu)良，限壓型SPD的使用頻率要相對較高，但同時也要謹(jǐn)防短路、爆炸以及自燃等事故。導(dǎo)致SPD故障的因素較多，最為常見的主要有以下兩種：首先是部件老化失效，多體現(xiàn)在壓敏電阻老化，在長期、高負(fù)荷運行過程中，壓敏電阻的漏電流會逐漸增加，并且集中流入薄弱點，病害發(fā)展到一定程度之后，薄弱點短路孔出現(xiàn)，最終在熱崩潰作用下，發(fā)生擊穿損壞。其次是暫態(tài)過電壓破壞，主要出現(xiàn)于電網(wǎng)故障、電源波動場景之中，當(dāng)過電壓長時間作用于SPD時，流經(jīng)的工頻電流會在瞬間增大，使壓敏電阻面臨擊穿風(fēng)險，進(jìn)而導(dǎo)致更大的工頻電流進(jìn)入，導(dǎo)致局部高熱、起弧問題[2]，設(shè)計時要多加關(guān)注和分析。

3.3 組合型SPD

組合型SPD融合了上述兩種裝置的組件，一級保護(hù)器主要泄放雷電流，二級保護(hù)器進(jìn)一步處理，降低線路電壓，對敏感設(shè)備具有較好的防護(hù)效果。應(yīng)用環(huán)節(jié)要注意分析以下幾個要點。

一是氣體放電管、壓敏電阻之間的配合程度，可以在復(fù)合波發(fā)生器的幫助下，開展系統(tǒng)沖擊試驗，過程中要遵循高低配合規(guī)律，探尋最適用參數(shù)組。

二是線路中的退耦元件，在一、二級器件之間加入該種元件，可以延緩雷電波傳輸速率，為防護(hù)爭取更多時間，在電流一定的前提下，線路波阻抗提高，還能影響線路內(nèi)部電壓，加速一級SPD的開啟。

三是組合型SPD過電壓幅值，在該種設(shè)備裝置中，氣體放電管泄放能力直接影響總體效率，而該能力與過電壓幅值息息相關(guān)，在過電壓幅值較小時，僅有壓敏電阻進(jìn)入工作狀態(tài)，但伴隨幅值的提升，放電管泄放能量也會隨之增加，可以通過試驗確定最佳過電壓幅值。

4 浪涌保護(hù)器在民用建筑中的設(shè)計要點

4.1 雷擊保護(hù)區(qū)劃分

合理的防雷區(qū)劃分是浪涌保護(hù)器設(shè)計的前提所在，其基本思路是對過電壓進(jìn)行逐級處理，防止其損傷終端設(shè)備，劃分過程中主要面對整個建筑內(nèi)部空間，將空間細(xì)分為幾個防雷分區(qū)（LPZs），在分區(qū)界限上放置防雷器。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，防雷分區(qū)主要有以下幾種。

一是LPZ0A區(qū)，通常位于建筑外部，并且不在保護(hù)裝置作用范圍之內(nèi)，受到直擊雷災(zāi)害的概率較大，雷電脈沖也不會受到削減。

二是LPZ0B區(qū)，同樣位于建筑外部，受到專用裝置庇護(hù)，雷電脈沖未削弱，但不會遭受大于設(shè)計滾球半徑的直接雷擊。

三是LPZ1區(qū)，區(qū)內(nèi)不存在直接雷擊風(fēng)險，進(jìn)入線路的電流明顯減小，電磁場強(qiáng)度也相應(yīng)下降，但降幅受到屏蔽措施的制約。

四是LPZ2～n區(qū)，該類防雷區(qū)又被稱為后續(xù)防雷區(qū)，其設(shè)定應(yīng)以實踐狀況為準(zhǔn)，可以滿足進(jìn)一步降低竄入電流、電磁場強(qiáng)度的需求。需要注意的是，防雷分區(qū)僅為理論參考，實踐環(huán)節(jié)需要配套安裝等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)[3]，裝設(shè)防雷器等，為分區(qū)理論的生效奠定穩(wěn)固基礎(chǔ)。

4.2 SPD選擇

4.2.1 持續(xù)運行電壓選擇

最大持續(xù)運行電壓簡稱UC，是浪涌保護(hù)器設(shè)計階段應(yīng)當(dāng)重點關(guān)注的參數(shù)，這主要是由于SPD只能限制瞬態(tài)過電壓，該種電壓盡管峰值較高，但持續(xù)時間較短，通常以微秒、毫秒計量，相應(yīng)的能量也極為有限，發(fā)生的概率并不算大。但與此同時，電網(wǎng)中還存在暫態(tài)過電壓，這種情況多由電網(wǎng)故障、運行異常等引發(fā)，與瞬態(tài)過電壓相比，其電壓值相對較低，但持續(xù)時間可達(dá)幾秒，容易給SPD帶來負(fù)擔(dān)，限壓型SPD對該種問題反應(yīng)尤為敏感，嚴(yán)重時甚至?xí)矶搪贰⒈L(fēng)險，對于間隙電壓開關(guān)型SPD來說，雖然不存在老化問題，但暫態(tài)過電壓仍舊會導(dǎo)致線路擊穿等問題，SPD無法自動熄弧，最終可能導(dǎo)致爆炸。

由于暫態(tài)過電壓UT在主要受到最大持續(xù)運行電壓UCS限制，因此實踐設(shè)計環(huán)節(jié)，要結(jié)合UCS具體數(shù)值進(jìn)行分析，UC可以適當(dāng)大于UCS，以TT交流供電系統(tǒng)為例，設(shè)備相線對地線最高持續(xù)故障電壓為220V×1.55，即340V，那么在電流不穩(wěn)定的情況下，OVR電源防雷器UC應(yīng)當(dāng)選擇385V模塊。UC過低時可能加速SPD老化，甚至引發(fā)爆炸事故，但需要注意的是，該參數(shù)過高也會帶來一定的安全風(fēng)險，導(dǎo)致保護(hù)元件瞬態(tài)動作電壓抬高，降低SPD保護(hù)性能，因此要結(jié)合實際情況分析，將UC值控制在最佳范圍之內(nèi)。

4.2.2 保護(hù)水平選擇

對于浪涌保護(hù)器來說，保護(hù)水平的高低與殘壓UP息息相關(guān)，而UP與UC之間又存在一定相關(guān)性，選擇環(huán)節(jié)要準(zhǔn)確把握，比如在壓敏電阻防雷器中，二者應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，選用設(shè)備的殘壓越低，那么最大持續(xù)工作電壓也要越低，實踐中可開展雷電流沖擊試驗，借助較小電流殘壓值，間接推算大電流殘壓值。同時，考慮到SPD主要功能為設(shè)備防護(hù)，因此其保護(hù)水平還應(yīng)當(dāng)?shù)陀跊_擊耐壓Ush，而高于線路最大電壓Usmax，即滿足不等式Usmax＜UP＜Ush。實踐中發(fā)現(xiàn)，Usmax＜UP的條件一般比較好滿足，但UP＜Ush的條件卻會受多重因素影響，比如配電設(shè)備種類、用電設(shè)備規(guī)格等，靈活性較高且實現(xiàn)難度較大，這里列舉集中較為常見的設(shè)備類型。

首先是Ⅰ類耐沖擊過電壓設(shè)備，其保護(hù)水平相對較低，耐沖擊電壓額定值通常在1.5V以下，民用建筑中電視、計算機(jī)等均屬于該種類別，要加強(qiáng)關(guān)注和分析；其次是Ⅱ類耐沖擊過電壓設(shè)備，通常由固定式配電裝置供電，常見的有洗衣機(jī)、電冰箱等，其保護(hù)水平一般，耐沖擊電壓額定參考值可取2.5V；Ⅲ類則主要位于配電線路、最后分支線路上，保護(hù)水平相對較高，比如插頭、配電柜等，設(shè)計環(huán)節(jié)耐沖擊電壓額定參考值可設(shè)置為4V；最后是Ⅳ類設(shè)備，通常位于電源端，整體的保護(hù)水平很高，過流保護(hù)電器等均屬于該種類別，設(shè)計時Ush可取6V的參考值。

4.2.3 通流容量選擇

通流容量是SPD設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)之一，主要描述設(shè)備可重復(fù)施加規(guī)定波形脈沖電流的額定最大值，在該值范圍之內(nèi)避雷器不會發(fā)生失效問題。設(shè)計環(huán)節(jié)可選的SPD規(guī)格較為多樣，通流容量也存在較大差異，但本質(zhì)上是有規(guī)律可循的，一般來說供配電系統(tǒng)中，靠近電源側(cè)的SPD通流容量應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提升，保證大于負(fù)荷側(cè)SPD，對于安裝在LPZ1及LPZ0交界處的SPD來說，則要盡量選擇Ⅰ級分類產(chǎn)品[4]，提升設(shè)備實用性和安全性。同時，該參數(shù)的選擇與雷擊侵入方式也有較大關(guān)聯(lián)，設(shè)計環(huán)節(jié)推薦采用最嚴(yán)重條件開展試驗。

在第一級SPD通流容量確定過程中，要注意區(qū)分原始雷電流，其主要經(jīng)由接地裝置分泄，總占比可達(dá)50%左右，其余50%則通過三種管線入地，電源線作為其中關(guān)鍵部分，至少裝設(shè)三條相線，原始雷電流被分割，每相SPD電流僅占1/18。在民用建筑物中，還應(yīng)適當(dāng)減少分流到SPD的雷電流量，比如在屏蔽電纜首端芯線部位做處理，科學(xué)并聯(lián)SPD，當(dāng)SPD進(jìn)入工作環(huán)節(jié)后，芯線與屏蔽近似等電位聯(lián)結(jié)，并在集膚作用影響下，使大量雷電流進(jìn)入屏蔽層，SPD芯線分流可減少30%以上，起到延長使用壽命的目的。

4.2.4 報警功能選擇

作為降低雷電災(zāi)害損失、保護(hù)用電設(shè)備安全的重要裝置，防雷器的穩(wěn)定性直接影響民用建筑運行情況，因此在實際設(shè)計環(huán)節(jié)，通常會增設(shè)監(jiān)測、報警裝置進(jìn)行全天候、實時化的數(shù)據(jù)采集，從而提升檢修維護(hù)效率，保障SPD的正常運行。報警功能的選擇要立足于建筑實際需求，對于有人值守環(huán)境，可以采用聲光報警裝置，當(dāng)SPD出現(xiàn)異常時及時通過燈光閃爍、發(fā)出聲響引起值守者注意，加快檢修速度；遙信報警裝置則更適用于無人值守環(huán)境，可以實時采集SPD設(shè)備溫度等信息，并通過通信系統(tǒng)上傳至控制終端，方便管理者查看；遙信帶電壓檢測報警裝置同樣可適應(yīng)無人值守環(huán)境，監(jiān)測對象主要為SPD電源、線路等，可及時報告失電、缺相情況。當(dāng)前，伴隨科技手段的進(jìn)步，SPD裝置還可與云計算技術(shù)相結(jié)合，將電磁、電涌等參數(shù)上傳到微信小程序、網(wǎng)頁等平臺，即裝即用較為便捷，同時還能夠依據(jù)參數(shù)內(nèi)容適當(dāng)調(diào)節(jié)SPD保護(hù)等級，通過動作次數(shù)的累加等，判斷設(shè)備老化程度，做到全壽命期管理，使用安全性更有保障。

4.3 SPD后備保護(hù)

從安全角度考量，任何并聯(lián)于建筑電氣中的設(shè)備器件均應(yīng)當(dāng)進(jìn)行短路防護(hù)，防護(hù)方式主要為裝設(shè)斷路器、熔斷器等保護(hù)器件，SPD設(shè)備同樣不能例外。其中，斷路器作為后備保護(hù)器件時，內(nèi)部主要為電磁脫扣結(jié)構(gòu)，遭受同等沖擊放電電流時，保護(hù)水平UP會相對偏高，粗略估算可以高出1.1至1.25倍。其優(yōu)點在于故障斷開后，無需進(jìn)行額外的器件更換操作，若將斷路器與智能設(shè)備相連接，還能滿足信號遠(yuǎn)程傳送、設(shè)備遠(yuǎn)程控制需求，體現(xiàn)系統(tǒng)自動化優(yōu)勢，但這種結(jié)構(gòu)會在一定程度上增加成本支出，相應(yīng)的分?jǐn)嗄芰σ膊⒉焕硐搿?/p>

而應(yīng)用熔斷器裝置時，后備保護(hù)系統(tǒng)的分?jǐn)嗄芰鄳?yīng)提升，控制成本的同時，還能減小設(shè)備體積，為電氣布局創(chuàng)造便利，缺點是其熔絲熔斷后，很難及時發(fā)出動作信號，不利于熔體的及時更換，可能影響到保護(hù)可靠性。綜合分析二者性能后，本文認(rèn)為對于民用建筑低壓配電系統(tǒng)來說，SPD后備保護(hù)應(yīng)當(dāng)分情況而定，前級保護(hù)采用斷路器適用性更佳，后級保護(hù)則可搭配熔斷器，實踐時還應(yīng)開展必要的試驗、調(diào)試工作，爭取在協(xié)調(diào)統(tǒng)一的關(guān)系之中，增強(qiáng)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

4.4 通信線防雷器選擇

通信線同樣是浪涌保護(hù)的重點對象，通?？煞譃槿N類別，首先是基本防護(hù)級別，SPD裝設(shè)在LPZ0至LPZ2區(qū)之間、線纜進(jìn)戶處，可以及時泄放雷電電流，起到一級保護(hù)的作用；其次是綜合保護(hù)級別，裝設(shè)于設(shè)備前端，可以適當(dāng)臨近線纜入戶處，從理論空間上講，位于LPZ0至LPZ3區(qū)間；最后是精細(xì)保護(hù)級別，SPD安裝于LPZ1至LPZ3區(qū)間，可以起到限制浪涌過電壓的作用，注意應(yīng)與基本防護(hù)級別之間空出5m及以上的距離，裝設(shè)在設(shè)備側(cè)為佳。

對于通信線來說，防雷器一般以串聯(lián)方式安裝，因此設(shè)計環(huán)節(jié)還要考慮匹配性問題，可從如下三個層面入手：一是電壓等級選擇，要合理把控SPD最高工作電壓，在確定數(shù)據(jù)線工作電壓的基礎(chǔ)上開展分析，通常要大于后者1.2倍左右，比如模擬電話線額定電壓一般在90V以下，100Mb/s以太網(wǎng)線通常在5V以下，那么防雷器最高工作電壓也要據(jù)此調(diào)整，分別選擇180V、6.5V即可，但是現(xiàn)實工作環(huán)節(jié)由于設(shè)備供應(yīng)商不同，相應(yīng)的通信線工作電壓也可能出現(xiàn)較大差異，要結(jié)合實際情況進(jìn)行考量。

二是速率選擇，作為數(shù)據(jù)傳送的主要通道，通信線還涉及到傳輸速率問題，當(dāng)SPD串聯(lián)安裝于信號線之上時，其支持速率應(yīng)當(dāng)以信號線為標(biāo)準(zhǔn)，不能小于系統(tǒng)本身速率，否則將對通信效果產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致通信中斷、誤碼率提升等問題，影響民用建筑通信使用體驗。

三是接口類型的選擇，考慮到串聯(lián)結(jié)構(gòu)對匹配性要求較高，因此為匹配阻抗、保持最小電阻，SPD、通信線路之間，還應(yīng)選擇一致的接口類型，若采用的線路為RJSD類型接口，還應(yīng)關(guān)注線對配合問題，若二者之間為同軸接口關(guān)系，則要注意公母配合[5]。

5 結(jié)論

綜上所述，浪涌保護(hù)器綜合性能優(yōu)良，能夠在壓敏電阻、放電氣體管等的配合下，降低瞬時過電壓危害，防止雷擊導(dǎo)致的設(shè)備損壞問題，應(yīng)用時要加強(qiáng)類別分析，根據(jù)實際需求選擇適用性較高、經(jīng)濟(jì)性能較好的裝置，同時提前規(guī)劃防雷分區(qū)，科學(xué)選擇持續(xù)運行電壓、通流容量等設(shè)備參數(shù)，靈活設(shè)計報警功能、后備保護(hù)裝置等，為民用建筑SPD系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運行奠定扎實基礎(chǔ)。