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
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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。