電涌保護(hù)器在建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

陳 琳

（廈門市氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心， 福建 廈門 361012）

0 引言

為了滿足人們的生活、生產(chǎn)需求，現(xiàn)代建筑的電氣系統(tǒng)越來越健全和完備。不過需要引起關(guān)注和重視的是，在建筑電氣系統(tǒng)的使用和運(yùn)行過程當(dāng)中， 雷擊或是其他外界干擾因素， 可能導(dǎo)致建筑電氣系統(tǒng)回路出現(xiàn)尖峰電流或者電壓，從而引發(fā)電氣系統(tǒng)故障，甚至引起安全事故[1]。為了增強(qiáng)建筑電氣系統(tǒng)的安全性， 就應(yīng)當(dāng)在建筑電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中， 將電涌保護(hù)器的應(yīng)用作為一項(xiàng)關(guān)鍵課題，積極加強(qiáng)研究、探討與實(shí)踐，一方面既要客觀認(rèn)識電涌保護(hù)器的作用效果和工作原理， 了解電涌保護(hù)器的不同分類，另一方面更要正確、合理的選擇與安裝電涌保護(hù)器。確保電涌保護(hù)器的應(yīng)用，能夠切實(shí)增強(qiáng)建筑電氣系統(tǒng)的安全性，保障建筑電氣系統(tǒng)安全。

1 電涌保護(hù)器的作用效果和工作原理

1.1 電涌保護(hù)器的作用效果

最原始的電涌保護(hù)器在19 世紀(jì)末期就已經(jīng)出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)主要被應(yīng)用于架空輸電線路， 可以有效避免雷擊造成的事故。 經(jīng)過百余年的發(fā)展，電涌保護(hù)器在結(jié)構(gòu)、功能等方面，都越來越健全和完善，安全保護(hù)性能也越來越強(qiáng)[2]。 如當(dāng)前的電涌保護(hù)器，一是保護(hù)通流量大，殘壓極低，響應(yīng)時(shí)間快，可以在極端的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)；二是當(dāng)前的電涌保護(hù)器都采用了滅弧技術(shù)，能夠顯著降低火災(zāi)的發(fā)生率；三是內(nèi)置熱保護(hù)，能夠通過溫控的方式，為電路提供安全保護(hù)； 再者是當(dāng)前的電涌保護(hù)器在結(jié)構(gòu)上更加穩(wěn)定、可靠，并且都帶有電源狀態(tài)指示，能夠直觀反映電涌保護(hù)器的工作狀態(tài)[3]。 總之，在各種類型的建筑中，其電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，都可以通過電涌保護(hù)器的應(yīng)用，來增強(qiáng)建筑的安全性，強(qiáng)化建筑電氣系統(tǒng)安全保護(hù)。

1.2 電涌保護(hù)器的工作原理

建筑電氣系統(tǒng)在雷擊下，會(huì)瞬間承受非常高的電流或是電壓，這會(huì)對電氣系統(tǒng)造成破壞，并損壞與電氣系統(tǒng)連接的各種儀器、儀表設(shè)備，甚至引發(fā)火災(zāi)等安全事故。 電涌保護(hù)器能夠在建筑電氣系統(tǒng)受到雷擊的時(shí)候，對電壓進(jìn)行有效的限制，將沖擊電流傳導(dǎo)進(jìn)入地下，從而保證電氣系統(tǒng)免受異常電流、電壓的危害[4]。 其具體的作用原理，主要是通過放電間隙，來為電氣系統(tǒng)提供保護(hù)。 所謂的放電間隙，簡單來說就是在兩根金屬棒之間，拉開一定的距離，其中一根金屬棒與需要保護(hù)的電氣系統(tǒng)或相應(yīng)設(shè)備的零線或相線相互連接，另一根金屬棒直接接地。如果在雷擊或是其他外界因素的作用下， 電氣系統(tǒng)出現(xiàn)了瞬時(shí)過電壓，兩根金屬棒之間的間隙就會(huì)被擊穿，接地的金屬棒，此時(shí)就可以將電壓有效的引入地下， 這樣受保護(hù)的電氣系統(tǒng)或相應(yīng)設(shè)備，就可以免受異常電壓的影響?，F(xiàn)目前電涌保護(hù)器按照其所使用的元件的不同， 可以分為開關(guān)型和與限壓型， 其中開關(guān)型電涌保護(hù)器的組成主要包括了閘流晶體管、氣體放電管與放電間隙，這種電涌保護(hù)器的主要特點(diǎn)，是能夠在不存在電流通關(guān)的情況下，始終保持阻抗。 而在有異常電壓出現(xiàn)的情況下，其阻抗就會(huì)變低。與開關(guān)型電涌保護(hù)器不同， 限壓型電涌保護(hù)器的組成主要包括了抑制二極管及，壓敏電阻。這種類型的電涌保護(hù)器，在出現(xiàn)異常電壓的時(shí)候，能夠逐漸降低阻抗[5]。建筑防雷是現(xiàn)代建筑在設(shè)計(jì)、建設(shè)和使用過程當(dāng)中，必須要關(guān)注和重視的問題， 特別是在建筑電氣系統(tǒng)集成度越來越高的情況下，更需要做好防雷工作。雖然現(xiàn)代建筑都會(huì)普遍性的使用到避雷帶、避雷針，但是其并不能完全保證建筑安全，不少實(shí)際的案例都顯示，在雷擊作用下，即使擁有避雷帶、避雷針的保護(hù)，電氣系統(tǒng)也依然可能受到破壞，容易發(fā)生儀表、設(shè)備等損壞。 面對這樣的情況，就必須要在建筑電氣設(shè)計(jì)中，科學(xué)、合理的應(yīng)用好電涌保護(hù)器，最大限度保障建筑及其電氣系統(tǒng)安全。

2 電涌保護(hù)器的不同分類

2.1 一級電涌保護(hù)器

從實(shí)際的情況來看， 電涌保護(hù)器可以分為不同的種類，而且分類依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不一，分類方式也各不相同。 如除了可以按照其不同的構(gòu)造分類之外， 還可以按照不同的等級對其進(jìn)行分類。一級電涌保護(hù)器多為密封式電涌保護(hù)器，另外在三相五線和三相四線的系統(tǒng)當(dāng)中，也較為常用。應(yīng)當(dāng)注意的一個(gè)問題是，只有在一級電涌保護(hù)器的橋接件處在整體供電區(qū)域內(nèi)，才能夠起到真正有效的保護(hù)作用[6]。 同時(shí)，一級電涌保護(hù)器與二級電涌保護(hù)器之間的距離，不少少于10m。從外形和尺寸上來看，一級電涌保護(hù)器與標(biāo)準(zhǔn)的電涌保護(hù)器并沒有明顯的差異，而且相較而言，一級電涌保護(hù)器的橋接方式更加便捷，所以應(yīng)用也較為高效。

2.2 二級電涌保護(hù)器

在經(jīng)過了一級電涌保護(hù)器之后， 還會(huì)有殘余的電涌電壓存在，此時(shí)就需要二級電涌保護(hù)器繼續(xù)發(fā)揮作用，將殘余的電涌電壓控制到1500V 到2000V， 并對第一防護(hù)區(qū)和第二防護(hù)區(qū)進(jìn)行電位連接。如果二級保護(hù)為分配電柜線路輸出的電涌保護(hù)器，需要采用的電涌保護(hù)器類型應(yīng)當(dāng)為限壓型，雷電流容量至少需要達(dá)到20kA。 其安裝位置，應(yīng)當(dāng)位于重要或敏感的用電設(shè)備的分路配電處。 這樣一來， 二級電涌保護(hù)器便可以對殘余電涌能量起到很好的吸收作用，有效抑制瞬態(tài)過電壓。二級電涌保護(hù)器需要采用C 類保護(hù)器，進(jìn)行包括中—地、相—地和相—中在內(nèi)的全保護(hù)，響應(yīng)啟動(dòng)的時(shí)間，要小于25ns。

2.3 三級電涌保護(hù)器

如果說一級電涌保護(hù)器是為了保護(hù)整體， 二級電涌保護(hù)器是為了保護(hù)局部， 那么三級電涌保護(hù)器就是為了保護(hù)具體的電氣系統(tǒng)設(shè)備。 三級電涌保護(hù)器一般情況下都位于設(shè)備的前端， 其能夠直接將異常電壓降到1000V一下，從而防止設(shè)備應(yīng)異常高電壓受到損壞。

3 建筑電氣設(shè)計(jì)中電涌保護(hù)器的選擇

3.1 電涌保護(hù)器選型

在前文當(dāng)中已經(jīng)提到， 電涌保護(hù)器可以分為不同的類型，這些不同類型的電涌保護(hù)器，在實(shí)際的使用時(shí)，有著不同的功能特點(diǎn)，正確的選型，才能保證電涌保護(hù)器發(fā)揮出應(yīng)有的保護(hù)作用。實(shí)踐當(dāng)中，必須要正確的選擇電涌保護(hù)器，才能確保其發(fā)揮出應(yīng)有的作用。應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的建筑結(jié)構(gòu)、空間位置，選擇具有相應(yīng)參數(shù)和功能的電涌保護(hù)器，提高建筑和電涌保護(hù)器的匹配度。 如首先是需要做好對建筑的環(huán)境分析工作， 根據(jù)環(huán)境情況選擇電涌保護(hù)器。 影響電涌保護(hù)器選型的因素多，如系統(tǒng)要素、安全控件系數(shù)，以及雷電保護(hù)器等級等。需要對各方面的因素進(jìn)行綜合考慮，科學(xué)、系統(tǒng)的進(jìn)行分析，才能滿足實(shí)際需求。作為技術(shù)人員，需要尤為注意端部引線感應(yīng)電壓，避免對保護(hù)器的有效電壓造成影響。除此之外，還需要對保護(hù)器端部電線的長度，進(jìn)行合理的控制，做到截面最小化。

3.2 電涌保護(hù)器選擇

不同的建筑由于其高度、結(jié)構(gòu)、功能的不同，所以其對于防雷保護(hù)的需求也不同，對于這樣的情況，應(yīng)合理選擇電涌保護(hù)器，針對性的滿足建筑防雷需求。在直擊雷非防護(hù)區(qū)（LPZ0A）或在直擊雷防護(hù)區(qū)（LPZ0B）與第一防護(hù)區(qū)（LPZ1）交界處，安裝通過一級分類試驗(yàn)的電涌保護(hù)器或限壓型電涌保護(hù)器作為第一級保護(hù)， 對直擊雷電流進(jìn)行泄放，或當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時(shí)，將傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放[7]。 在第一防護(hù)區(qū)之后的各分區(qū)（包含LPZ1區(qū)）交界處安裝限壓型電涌保護(hù)器，作為二、三級或更高等級保護(hù)。通過一級保護(hù)器之后，還會(huì)存在殘余電壓，依然具有安全危害， 二級保護(hù)器則是針對殘余電壓的保護(hù)設(shè)備，同時(shí)其還可以防護(hù)區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊。也就是說，如果在一級保護(hù)器之后，能量不能被完全吸收，可能對用電設(shè)備或三級保護(hù)造成安全危害， 就必須要使用到二級保護(hù)。 同時(shí)， 經(jīng)過第一級防雷器的傳輸線路也會(huì)感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射。在線路的長度較長的情況下，感應(yīng)雷能量也就會(huì)相應(yīng)增大，此時(shí)必須要在二級電涌保護(hù)器的作用下，對能量進(jìn)行安全的泄放。 通過二級電涌保護(hù)器的殘余能量會(huì)降到更低， 通過三級電涌保護(hù)器可以完成進(jìn)一步的安全保護(hù)[8]。 按照用電設(shè)備的耐壓等級，如果二級防雷就能夠?qū)㈦妷嚎刂圃谀蛪旱燃壷畠?nèi)，就可以不用三級防護(hù)。相應(yīng)的，如果用電設(shè)備的耐壓等級低，就需要三級、四級甚至是更多的安全保護(hù)。

3.3 通流容量的選擇

電涌保護(hù)器的通流容量參數(shù)， 指的是它能夠吸收的最大能量， 也就是其可以承受的最大能量。 如果能量過大，超過了其通流容量參數(shù)，那么電涌保護(hù)器就會(huì)失去應(yīng)有的保護(hù)作用，發(fā)生損壞、引發(fā)事故。在實(shí)際的工程當(dāng)中，沒有辦法采用數(shù)據(jù)化的方式對能量進(jìn)行表示， 可以利用波形電路幅值，來表示通流容量，如此便可以了解其能夠承受的最大能量。電涌保護(hù)器的通流容量各有差異，在不同的情況下，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇[9]。 意思應(yīng)當(dāng)合理的選擇通流容量的電涌保護(hù)器， 而是需要進(jìn)行合理的分區(qū)，對于LPZ1、LPZ0 交界處的保護(hù)器，可以使用分類試驗(yàn)產(chǎn)品。 在供配電系統(tǒng)中，靠近電源側(cè)電涌保護(hù)器，通流量應(yīng)當(dāng)高于負(fù)荷側(cè)。

4 建筑電涌保護(hù)器的安裝

4.1 建筑電涌保護(hù)器安裝的基本要求

在建筑電氣設(shè)計(jì)中， 對于電涌保護(hù)器的安裝也應(yīng)當(dāng)給出明確的規(guī)范。 如首先需要明確建筑電涌保護(hù)器安裝的基本要求， 第一是如果電涌保護(hù)器被設(shè)計(jì)在總配電箱火終端配電箱中， 應(yīng)當(dāng)對其具體的安裝位置加以合理的控制。 一般情況下，需要位于進(jìn)入室內(nèi)斷路器的電源側(cè)，防止對電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，造成異常影響。而且需要將插座回路上的電涌保護(hù)器設(shè)在插座回路開關(guān)的負(fù)載側(cè)；第二是考慮到電氣設(shè)備的過電壓會(huì)影響到其正常使用，要想解決這一問題， 就需要保證電涌保護(hù)器的接地引線不短于0.5m；第三是要想切實(shí)、有效的防止雷電殘壓帶來的危害和影響，應(yīng)當(dāng)細(xì)致做好兩個(gè)方面的工作，首先是在總進(jìn)戶處信息線與PE 線間增設(shè)電涌保護(hù)器。其次是電子設(shè)備的信息線與PE 線間需要適配電涌保護(hù)器（耐壓25V、涌流1kA）。 在兩個(gè)區(qū)域的電涌保護(hù)器的聯(lián)合作用下抑制進(jìn)入電子設(shè)備的雷電殘壓， 盡可能減小對電子設(shè)備的干擾；第四是需要注意對線路感應(yīng)電壓進(jìn)行維持，使其保持穩(wěn)定，盡量避免外界帶來的干擾，被保護(hù)的電氣設(shè)備與一級電涌保護(hù)器之間的距離， 不能超過30m 沒如果超過了這個(gè)距離，就應(yīng)當(dāng)考慮安裝二級電涌保護(hù)器。第五是兩級電涌保護(hù)器相互之間的距離，應(yīng)當(dāng)在10m 以上，如果其二者之間的距離過近，就可能產(chǎn)生相互影響。如一級保護(hù)器在發(fā)生動(dòng)作的時(shí)候，可能致使二級保護(hù)器出現(xiàn)失誤動(dòng)作，難以起到最好的保護(hù)效果。

4.2 建筑電涌保護(hù)器安裝流程

在實(shí)際的建筑電涌保護(hù)器安裝過程當(dāng)中， 需要首先對電壓進(jìn)行準(zhǔn)確的確認(rèn)，明確配電系統(tǒng)的工作電壓，確認(rèn)系統(tǒng)工作電壓在電涌保護(hù)器的最大工作電壓之內(nèi)。 而且需要進(jìn)行現(xiàn)場測試，如果安裝點(diǎn)的電壓值偏高，超過了電涌保護(hù)器的最大工作電壓，就不具備安裝條件，不能進(jìn)行安裝。確認(rèn)符合安裝條件之后，便可以將電涌保護(hù)器接入系統(tǒng)當(dāng)中，對于連接線的長短，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行合理控制，在保證正常安裝的情況下，應(yīng)當(dāng)盡可能的縮短連接線，避免連接線過長，確實(shí)過長的連接線，需要使用工具剪去，再向配電系統(tǒng)接點(diǎn)處接入電涌保護(hù)器，裝置的黃綠色地線、藍(lán)色中線、黃綠紅色火線均要連接至指定位置，按照“黃綠色地線連接配電系統(tǒng)的母線地線、 藍(lán)色中線連接配電系統(tǒng)的母線中線、黃綠紅色火線連接配電系統(tǒng)的火線”的對應(yīng)關(guān)系將各線路連接到位。安裝完成之后，進(jìn)行全面的檢查，保證電涌保護(hù)器能夠正常的工作。

5 結(jié)束語

為了保障建筑安全， 在現(xiàn)代建筑的電氣設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)重視并切實(shí)應(yīng)用好電涌保護(hù)器。通過電涌保護(hù)器保證建筑在受到雷擊，或是發(fā)生其他意外情況的時(shí)候，可以快速導(dǎo)通分流，防止建筑電氣系統(tǒng)發(fā)生故障，避免電氣系統(tǒng)設(shè)備損壞，預(yù)防安全事故發(fā)生。