淺談雷電防護與SPD選擇

1、    淺談雷電防護與spd選擇    宮奇?zhèn)?李銳堅摘 要：電涌保護器（surge protection device）是電子設(shè)備雷電防護中不可缺少的一種裝置，過去常稱為"避雷器"或"過電壓保護器"英文簡寫為spd.電涌保護器的作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)姶蟮睦纂娏餍沽魅氲?，保護被保護的設(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；防護區(qū)的分類；電氣線路三級防雷；spd的選擇以及spd后備保護元器件的選擇等內(nèi)容。關(guān)鍵詞：雷電；防護；

2、spd0 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大的變化的電磁場，處在這電磁場中的導(dǎo)體會感應(yīng)出較大的電動勢。當(dāng)雷電流通過引下線入地時，在小金屬環(huán)開口處可感應(yīng)出高達數(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設(shè)備處時，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，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1.1雷電產(chǎn)生大氣中的強對流會伴

3、隨著電荷分布的變化，大氣電場也會隨之發(fā)生變化，從而形成雷雨云（專業(yè)稱”積雨云”），雷雨云團之間或雷雨云團與大地之間就可能發(fā)生劇烈的放電現(xiàn)象，這種強烈的放電就是閃電，又稱雷電或雷擊。1.2雷電的危害和雷電防護區(qū)雷電危害直擊雷：直擊雷是雷雨云對大地或建筑物的放電現(xiàn)象。它產(chǎn)生強大的脈沖電流、熾熱的高溫、猛烈的電動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，同時產(chǎn)生的強烈的電磁感應(yīng)和電磁輻射，對周圍的電氣、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，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

4、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、信號線、電視天線等進入室內(nèi)設(shè)備，使用電設(shè)備損害。雷電防護區(qū)直擊雷非防護區(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范圍之外，都可能遭到直接雷擊；本區(qū)內(nèi)的電磁場未得到任何屏蔽衰減，屬完全暴露的不設(shè)防區(qū)。直擊雷防護區(qū)（lpzob區(qū)）：本區(qū)的各類物體處在外部防雷裝置保護范圍之內(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)電磁場未得到任何屏蔽衰減，屬充分暴露的直擊雷防護區(qū)。第一屏蔽保護區(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)進一步減小；且由于屏蔽措施，本

5、區(qū)的電磁場強度也已得到了初步的衰減。為了進一步減小雷擊電磁脈沖的影響，可設(shè)第二屏蔽保護區(qū)lpz2：和第三屏蔽保護區(qū)lpz3。2 典型雷電描述2.1雷電波形10/350us是時間與電流的曲線，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。8/20us是時間與電流的曲線，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，這個感應(yīng)過電壓擊穿、燒毀設(shè)備時的電流曲線。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)別標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定的差異性：iec國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)iec1024建筑設(shè)計防雷規(guī)范、iec1312雷電電磁脈沖防護均執(zhí)行10/

6、350us和8/20us雷電波形。國家標(biāo)準(zhǔn)gb11032-2000交流避雷器、gb3482-3483-83電子設(shè)備雷擊實驗、導(dǎo)則均執(zhí)行8/20us雷電波形。根據(jù)理論計算，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8/20us雷電流10ka其雷電焦耳為1000j，那么，一個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。2000年10月1日，國家頒布了gb50057-2000建筑設(shè)計防雷規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，第一次強制要求必須執(zhí)行10/350us雷電波形，這是我國與國際接軌的第一個雷電防護

7、標(biāo)準(zhǔn)3 電源線路spd的選擇要求3.1 spd的選擇保護系統(tǒng)中安裝spd的數(shù)量，依據(jù)雷電防護區(qū)概念的要求，被保護設(shè)備的抗擾能力和雷電防護分級而定。在lpz0區(qū)與lpz1區(qū)交界處應(yīng)安裝級分類實驗的spd或限壓型spd作為第一級保護；在lpz1區(qū)與lpz2區(qū)交界處應(yīng)安裝限壓型spd作為第二級保護；在住宅配電箱輸出端應(yīng)安裝限壓型spd作為第三級保護。spd連接導(dǎo)線應(yīng)短而直，其長度不宜大于0.5m。如果電網(wǎng)中有幾個浪涌保護器，它們將會互相影響，并聯(lián)的保護器之間必須達到能量的配合才能確保被保護線路的安全。配合的效果是：當(dāng)由雷電形成一個浪涌過電壓時，電涌保護器（b級）將可靠地響應(yīng)，帶走高能量的電流，以保護

8、由于過載而損壞其它浪涌保護器（c級或d級）。當(dāng)spd具有能量自動配合功能時，線路長度不受上述規(guī)定限制。為防止spd老化造成短路，spd安裝線路上應(yīng)有過電流保護裝置，宜選用有劣化顯示功能的spd。在電源總配電柜輸出端應(yīng)安裝標(biāo)稱放電電流in15ka（10/350s波形）的開關(guān)型浪涌保護器；也可安裝標(biāo)稱放電電流in80ka（8/20s波形）的限壓型spd作為一級防護。在分配電柜輸出端應(yīng)安裝標(biāo)稱放電電流in40ka（8/20s波形）的限壓型spd作為二級防護。在住宅終端配電箱輸出端應(yīng)安裝標(biāo)稱放電電流in20ka（8/20s波形）限壓型spd作為三級防護。在配電箱輸出端也可安裝混合型或串聯(lián)型spd，其技

9、術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足設(shè)備要求。3.2 spd后備保護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前安裝短路保護器件。spd的后備保護有熔斷器、斷路器和漏電斷路器三種。在國內(nèi)外公司spd的樣本中，對spd后備保護的推薦方案比較亂，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可遵循。國內(nèi)某公司使用手冊中推薦的熔斷器規(guī)格如下：第一級spd為開關(guān)型15ka，10/350，斷路器為63a；第二級spd為限壓型40ka，8/20，斷路器為32a；第三級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；共模保護還是差模保護；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；選擇單級還是多級保護。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設(shè)備安裝，當(dāng)spd安裝于界面附近的被保護設(shè)備處時，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)對低壓電器線路和設(shè)備起到電涌保