浪涌保护器在防雷技术中的应用

引言

雷电灾害是最严重的自然灾害之一,全世界每年因雷电灾害造成的人员伤亡、财产损失不计其数。随着电子、微电子集成化设备的大量应用,雷电过电压和雷击电磁脉冲所造成的系统和设备的损坏越来越多。因此,尽快解决建筑物和电子信息系统雷电灾害防护问题显得十分重要。

随着相关设备对防雷要求的日益严格,安装浪涌保护器(Surge Protection Device, SPD)抑制线路上的浪涌和瞬时过电压、泄放线路上的过电流成为现代防雷技术的重要环节之一。

1　雷电的特性

防雷包括外部防雷和内部防雷。外部防雷以避雷针(带、网、线)、引下线、接地装置为主,其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭,将可能击中建筑物的雷电通过避雷针(带、网、线)、引下线等泄放入大地。内部防雷包括防雷电感应、线路浪涌、地电位反击、雷电波入侵以及电磁与静电感应的措施。其基本方法是采用等电位联结,包括直接连接和通过SPD间接连接,使金属体、设备线路与大地形成一个有条件的等电位体,将因雷击和其他浪涌引起的内部设施分流和感应的雷电流或浪涌电流泄放入大地,从而保护建筑物内人员和设备的安全。

雷电的特点是电压上升非常快(10μs以内),峰值电压高(数万至数百万伏),电流大(几十至几百千安),维持时间较短(几十至几百微秒),传输速度快(以光速传播),能量非常巨大,是浪涌电压中最具破坏力的一种。

2　浪涌保护器的分类

SPD是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置,其作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内,或将强大的雷电流泄流入地,保护被保护的设备或系统不受冲击。

2. 1　按工作原理分类

按其工作原理分类, SPD可以分为电压开关型、限压型及组合型。

(1)电压开关型SPD。在没有瞬时过电压时呈现高阻抗,一旦响应雷电瞬时过电压,其阻抗就突变为低阻抗,允许雷电流通过,也被称为“短路开关型SPD”。

(2)限压型SPD。当没有瞬时过电压时,为高阻抗,但随电涌电流和电压的增加,其阻抗会不断减小,其电流电压特性为强烈非线性,有时被称为“钳压型SPD”。

(3)组合型SPD。由电压开关型组件和限压型组件组合而成,可以显示为电压开关型或限压型或两者兼有的特性,这决定于所加电压的特性。

2. 2　按用途分类

按其用途分类, SPD可以分为电源线路SPD和信号线路SPD两种。

2. 2. 1　电源线路SPD

由于雷击的能量是非常巨大的,需要通过分级泄放的方法,将雷击能量逐步泄放到大地。在直击雷非防护区(LPZ0A)或在直击雷防护区(LPZ0B)与第一防护区(LPZ1)交界处,安装通过Ⅰ级分类试验的浪涌保护器或限压型浪涌保护器作为第一级保护,对直击雷电流进行泄放,或者当电源传输线路遭受直接雷击时,将传导的巨大能量进行泄放。在第一防护区之后的各分区(包含LPZ1区)交界处安装限压型浪涌保护器,作为二、三级或更高等级保护。第二级保护器是针对前级保护器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备,在前级发生较大雷击能量吸收时,仍有一部分对设备或第三级保护器而言是相当巨大的能量,会传导过来,需要第二级保护器进一步吸收。同时,经过第一级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射。当线路足够长时,感应雷的能量就变得足够大,需要第二级保护器进一步对雷击能量实施泄放。第三级保护器对通过第二级保护器的残余雷击能量进行保护。根据被保护设备的耐压等级,假如两级防雷就可以做到限制电压低于设备的耐压水平,就只需要做两级保护;假如设备的耐压水平较低,可能需要四级甚至更多级的保护。

选择SPD,首先需要了解一些参数及其工作原理。

(1) 10/350μs波是模拟直击雷的波形,波形能量大; 8/20μs波是模拟雷电感应和雷电传导的波形。

(2)标称放电电流In是指流过SPD、8/20μs电流波的峰值电流。

(3)最大放电电流Imax又称为最大通流量,指使用8/20μs电流波冲击SPD一次能承受的最大放电电流。

(4)最大持续耐压Uc(rms)指可连续施加在SPD上的最大交流电压有效值或直流电压。

(5)残压Ur指在额定放电电流In下的残压值。

(6)保护电压Up表征SPD限制接线端子间的电压特性参数,其值可从优选值的列表中选取,应大于限制电压的最高值。

(7)电压开关型SPD主要泄放的是10/350μs电流波,限压型SPD主要泄放的是8/20μs电流波。

电源线路的SPD参数选择如表1所示。

表1　电源线路SPD参数选择

　　防护级别SPD类型波形/μs通流/kA安装位置保护水平Up/kV第一级电压开关型10/350 >15总配电处2. 5第一级限压型8/20 60总配电处2. 5第二级限压型8/20 20~40分配电处(楼层配电处) 1. 8第三级限压型8/20 5~10设备前端(机房配电处) 1. 2按照规范要求,电源第一级SPD安装在建筑物电气装置的电源进线处。一般情况下,应选择电压开关型SPD,但如果该处电源线路全部有良好的屏蔽(如穿金属管、埋地)进入,则可以选用限压型SPD。电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10 m,限压型SPD之间的线路长度不宜小于5 m。如果小于规定的长度,则应在两级SPD之间串联加装去耦电感。由于SPD的最大浪涌电压为其保护电压Up+UL(SPD两端引线的感应电压),因此为使SPD最大的电涌电压足够低,其两端的引线应最短,一般不超过0. 5 m。[p] SPD安装在线路中,当有过电压或过电流出现时, SPD将对地导通,实现对地分流,从而达到间接等电位的目的。对于不同的接地系统, SPD的接线方法不一样,一般有对地法和N-PE法两种保护,如图1所示。除TT系统SPD安装在剩余电流保护器的电源侧必须用N-PE法以外,一般均使用对地法。

图1　SPD接线图

2. 2. 2　信号线路SPD

随着信息系统的广泛应用,由于网络线路多,电子设备的耐压水平低,雷击对信息系统的危害越来越大。雷电对信息系统的危害主要是雷击电磁脉冲造成的,包括沿线路传导的雷电过电压波、雷电流在接地线产生的高电位反击、雷击电磁场的静电感应和电磁感应。对电磁脉冲的防护措施有拦截、分流、等电位联结、屏蔽、接地、合理布线等。在信号线路上安装SPD是信息系统防电磁脉冲的一个重要措施,它可以同时起到拦截、分流、等电位联结的作用。信号线路SPD应连接在被保护设备的信号端口上。其输出端与被保护设备的端口相连,有串接和并接之分(见图2),一般是串联安装在信号线路上。因此,在选择信号SPD时,应选用插入损耗较小的SPD。

图2　信号SPD的安装连接

限压型电涌保护器产品的核心元件为氧化锌压敏电阻(MOV)。其失效后电涌保护器有可能出现两类故障状况,一类是热击穿造成L-N/PE线间接地短路,其电流值可使后备过电流保护元件动作;另一类是由于接地故障电流小,过流保护元件不动作,MOV因发热起火,因此必须在位于电涌保护器外部的前端装设后备保护元件。其作用是当电涌保护器不能切断工频短路电流时,过电流保护电器动作,把电涌保护器从并联线路中断开,使电涌保护器不会引起过热而导致火灾、爆炸等事故,同时可保证电源的持续供电。

正确、合理地选用后备保护元件,直接关系到系统及电涌保护器的安全性和可靠性。后备保护元件与SPD配合后,应可保护在额定电涌电流作用时后备保护元件不动作,保证电涌电流的正常泄放,同时其作用在支路上的残压Ur低于用电设备的保护水平Up,以保证系统及用电设备安全。

目前多数SPD产品选择熔断器、微型断路器做其后备保护,其额定电流的选择可参照表2。

表2　额定电流

　　4　结　语

SPD的应用范围主要是电子信息系统中低压供配电系统的电源保护和电子信息系统的信号传输线路保护。前者是为了抑制由电源线路进入的雷击电磁脉冲干扰,后者是为了抑制由信号线路进入的雷击电磁脉冲干扰。两者的保护对象都是电子信息系统的设备、器件。由于这些设备、器件主要是微电子结构,在相同雷击电磁脉冲下,比供配电设备要脆弱得多,在较小的过电压下很容易将微电子结构的设备、器件损坏。