电源电涌保护五篇

2024-09-13

电源电涌保护篇1

当建筑物受到直接雷击或其附近区域发生雷击时,雷电过电压会通过供电电源线路、通信线路等各种途径侵入建筑物内,威胁室内设备的正常工作和安全运行。对于建筑物电源系统的防雷保护问题正在受到普遍关注。GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》及GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》在电涌保护器的安装和选择方面做了若干修改,笔者以实际工程为例,通过对比新旧规范的相关条文内容和综合部分文献的建议,简述了民用建筑电源系统电涌保护装置选择和配置的一般原则和步骤,供大家参考。

2电涌保护装置的基本概念

2.1 电涌保护装置的核心元器件

安装电涌保护装置的目的,在于限制瞬态过电压和分走电涌电流,它至少应含有一个非线性元件。

电涌保护装置的核心元器件主要有以下几种:

旧规范中第六章第四节所有图示对于SPD的画法均表示为充气放电器元件的图例;新规范中则应用了更为通用的标识(SPD)来表示。笔者认为,新规范的这种画法更为严谨,值得设计人员借鉴。

2.2 对电涌保护装置的基本要求[4]

1)电源系统内安装SPD之后,在无电涌发生时,SPD对所在系统正常运行的影响应可忽略不计。

2)电源系统内安装SPD之后,在有电涌发生的情况下,保护装置应具有良好的箝位效果。在设计允许的最大雷电暂态电流作用下,保护装置的箝位电压水平应接近所在系统的最高运行电压。

3)在抑制设计允许的苛刻雷电暂态过电压情况下,保护装置自身应能保证安全,不被损坏。

4)在遇到雷电暂态过电压作用时,保护装置应具有足够快的动作响应速度,应能尽早动作限压和旁路泄流。

5)对保护装置,需要规定其工作环境的温度、湿度和气压等参数范围,保证其正常运行。

6)在系统正常运行时,保护装置中流过的泄漏电流要很小,以减缓保护装置自身的老化,并减小对系统正常运行的影响程度。为此,既要限制保护装置中并联保护元件的稳态泄漏电流值,又要限制保护装置中电源引线端对地之间的寄生电容值。

7)在保护装置中应加装故障报警器和暂态过电压脉冲计数器,以监视保护装置的运行状况,并及时更换故障元件。

2.3 电涌保护装置的多级保护

由于保护装置的非线性特性,用简单办法或分析法不能解决SPD的多级配合问题,一般采用的研究方法是利用仿真的手段进行模拟。曾有文献指出,多级SPD能量配合的效果与SPD本身的箝位电压、通流容量、电涌保护装置之间的线路长度以及冲击源的大小都有密切关系[9]。

3和配置实例建筑物低压配电系统电涌保护器的选择

笔者将以实际工程为例,阐述如何选择和配置建筑物低压配电系统的电涌保护器。

某国际商业中心位于内蒙鄂尔多斯市康巴什新区内,大楼地下2层,地上5层。建筑物为长方形,长217m,宽70m,高23m。鄂尔多斯(东胜)市雷暴日为:Td=34.7(d/a)。大楼已安装有完善的外部防雷设施,并做等电位连接。变电室设置在地下1层,双路10k V电源埋地引入,各弱电机房及消防控制室设置于首层,节日彩灯及景观照明配电盘在屋顶室外落地明装。在工程设计过程中,结合新规范,配置该大楼的SPD应从如下几点加以考虑。

3.1 确定雷电防护等级

首先应考虑其所处建筑物雷电环境、防雷状况和信息系统的重要性,进行雷击危险性分析。

根据GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》附录A,计算可接受的最大年平均雷击次数Nc:

其中电子信息系统计算因子为:

C1为信息系统所在建筑物材料结构因子,取1,表示屋顶和主体结构均为钢筋混凝土材料。

C2为信息系统重要程度因子,取3,为集成化程度较高的低电压微电流的设备。

C3为电子信息系统设备耐冲击类型和抗冲击过电压能力因子,取1,表示相当弱。

C4为电子信息系统设备所在雷电防护区(LPZ)的因子,取0.5,表示设备在LPZ2或更高层雷电防护区内。

C5为电子信息系统发生雷击事故的后果因子,取1,表示信息系统业务原则上不允许中断,但在中断后无严重后果。

C6为区域雷暴等级因子,取1,为中雷区。

根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》附录A,计算建筑物和入户设施年预计雷击次数:

建筑物等效面积Ae为0.065km2。(参考GB50057-2010,A.0.3中第1种情况)

建筑物年预计雷击次数N1=k NgAe=0.225次/a。

本工程输入入户设施条件为:

电源线路类型为高压埋地电源电缆(至现场变电所),长度为1 000m。

信号线路类型为埋地信号线,长度为1 000m。

埋地引入电缆计算截收面积时的等效宽度为500m。

电源线缆入户设施的截收面积A‘e1为0.050km2。

信号线缆入户设施的截收面积A‘e2为1.000km2。

入户设施年预计雷击次数

则建筑物和入户设施年预计雷击次数N=N1+N2=3.869次/a。

由于本工程为年预计雷击次数大于0.05次/a的人员密集的公共建筑物,因此该工程为第二类防雷建筑物。

将N和Nc进行比较,N>Nc,因此本工程电子信息系统设备应安装雷电防护装置。其防雷装置的拦截效率E=1-Nc/N=0.98002。根据GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》4.2.4条进行雷击风险评估,本工程电子信息系统雷电防护等级为A级。

上述计算过程需提示大家注意以下几点改变:

(1)新防雷规范中,建筑物年预计雷击次数的计算方法向IEC标准看齐。对于Ng的计算公式做了改变。目前为Ng=0.1×Td。

(2)由于周围建筑物的高低远近各不同,准确计算很复杂,新规范考虑了对扩大宽度的影响,细化了建筑物等效面积的计算方法。

(3)新规范GB50343-2012更改了可接受的最大年平均雷击次数Nc的计算公式,计算结果显示,Nc值增大后,将导致拦截效率E降低,有些工程雷电防护等级也会因此降低。

(4)上述评估结果还应根据电子信息系统重要性、使用性质和价值所确定的雷电防护等级进行比较,取其中较高者作为最终评估结果。

(5)从划分防雷类别的阈值更改可以看出,新规范比旧规范的要求高,在年雷暴日小于116天的全国大部分城市及地区(气象资料显示除海南省及大理市以外),新规范算出的雷击大地年平均密度比旧规范大。因此,针对阈值和计算公式的变化,对于各种工程(特别是扩、改建工程)要重新计算确定建筑物防雷等级,避免经验主义错误的发生。

3.2 SPD的选择和配置

1)SPD的级位配置

根据上一节的分析和相关规范的要求,SPD的级位配置应遵循如下原则:

户外线路进入建筑物处,即LPZ0A或LPZ0B进入LPZ1区,所安装的电涌保护器应按《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010第4章的规定确定。本工程为高压引入,楼内设变电室,参考新规范第4.3.8条,在变压器高压侧装设避雷器;在低压侧的配电屏上,本工程既无外线引出,也没有室外路灯等设备引出,因此在母线上装设Ⅱ级试验的电涌保护器即可。

靠近需要保护的设备处,即LPZ2和更高区的界面处,当需要安装电涌保护器时,对电气系统宜选用Ⅱ或Ⅲ级试验的电涌保护器,对电子系统宜按具体情况确定。

另外,前后级的安装距离电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10m,限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m,否则应在其间串联解耦电感。当浪涌保护器具有能量自动配合功能时,其上下级之间的线路长度不受限制[1]。

因此,本工程电源系统SPD的配置情况为:在变压器高压侧装设避雷器;在变压器低压母线上配置第一级SPD;在重要的设备电源端口处或信息机房配电箱配置第二级SPD(例如消防控制中心,网络机房等电子设备机房的配电箱);为处在LPZ0A区的配电盘配置第一级SPD(例如景观照明配电盘等);考虑前后级的安装距离,在楼层总配电箱或每个防火分区总配电箱处设置第二级SPD。

2)SPD的类型选择

变压器低压侧的SPD选择金属氧化物电涌保护器。第一级原则上可选用限压型、开关型或混合型SPD,本工程选择以金属氧化物非线性压敏电阻为核心元件的限压型电涌保护器。其余各级也均选用了压敏电阻为核心元件的限压型电涌保护器。值得注意的是,有些工程的TT系统当SPD安装于进户处剩余电流保护器的电源侧时,会采用“3+1”的接入方式(SPD接于L-N,N-G),其中中性线对保护地的电涌保护器选择以气体放电间隙为核心元件的限压型电涌保护器为宜。

3)SPD的接入模式

SPD按接法分可分为共模接法和差模接法两种:接在相线之间或相线与N线之间称为差模接法,即所谓横向保护;接在相线与PE线之间及N线与PE线之间称为共模接法,即所谓纵向保护。在TN接地型式中,一般情况下电涌保护装置只需做共模接法,但在TN-S接地型式的起始位置,N线与PE线之间无需接入电涌保护装置(参见GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》图J.1.2-5),在第三级上的特别重要设备的电源接口,需做差模接入,即增加接于相线与N线之间的电涌保护装置,即采取全模式防护,也就是L-N,L-G,N-G的全部防护。在TT系统中,当电涌保护装置安装于剩余电流保护器的负荷侧,可作上述共模接法(参见GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》图J.1.2-1),当电涌保护装置安装于剩余电流保护器的电源侧,且为中性点接地系统时,电涌保护装置应采用差模接法(“3+1”接法),即三个相线对中性线各接一个电涌保护装置,中性线对保护PE线再接一个电涌保护装置(参见GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》图J.1.2-2)。在IT系统中,电涌保护装置只做共模接法(参见GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》图J.1.2-4)。

4)SPD的最大放电电流选择

根据国家标准GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》附录C及新规范附录F的规定,第二类防雷建筑物的首次雷击电流幅值为150k A。

在IEC61312-1:1995《雷电电磁脉冲的防护》及新国标中雷电流分配的有关条文中假定,全部雷电流的50%流入建筑物防雷装置的接地装置中。另外50%雷电流按1/3比例分配于引入建筑物的电力电缆上(假定建筑物引入水管、电力电缆和信息线缆),电缆按3芯计,见图2,则流入每芯电缆的雷电流为:

第一级按照承受90%左右的雷击能量考虑,I=8.33×0.9=7.5 k A

第二级按照承受10%左右的雷击能量考虑,I=8.33×0.1=0.833 k A

第三级按照承受5%左右的雷击能量考虑,I=8.33×0.05=0.417 k A

按照IEEE PC63.41.2/D4规定10/350μs与8/20μs的换算关系为1:10,即一个In为20 k A(8/20μs)的II级分类产品,可替代Iimp为2 k A(10/350μs)的I级分类产品。

因此,推算出电涌保护器最大放电电流为:

第一级:I=7.5 k A(10/350μs)或I=75 k A(8/20μs)

第二级:I=8.33 k A(8/20μs)

第三级:I=4.17 k A(8/20μs)

依据新防雷规范要求,本工程在母线上装设Ⅱ级试验的电涌保护器即可,且景观照明配电盘等,依据新规范第4.5.4条的要求,装设Ⅱ级试验的电涌保护器也可。所以,本工程第一级SPD,既可选择标称放电电流In=20 k A(10/350μs)的,也可选择In=80 k A(8/20μs)的SPD。

第二级:I=8.33 k A(8/20μs),本工程依据GB50343-2012表5.4.3-3的要求,选择标称放电电流In=40 k A(8/20μs)的SPD。

第三级:I=4.17 k A(8/20μs),本工程依据GB50343-2012表5.4.3-3的要求,选择标称放电电流In=5k A(8/20μs)的SPD。

GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中,选择SPD标称放电电流参数的要求做了改变(详见表5.4.3-3)。本工程的上述选择,满足新规范的相关技术要求。

值得注意的一点是,SPD的分级和分类试验并不是一个概念。选择时既要依据不同安装位置确定分级,又要考虑分类试验进行选择。建筑物内分级一般按照如下要求确定:在直击雷非防护区(LPZ0A)或直击雷防护区(LPZ0B)与第一防护区(LPZ1)交界处应安装第一级保护;第一防护区之后的各分区(含LPZ1区)交界处应依次安装第二、第三级等SPD[1]。分类试验的概念则与安装位置无关。T1(I级分类试验)指用标称放电电流In、1.2/50μs冲击电压和10/350μs冲击电流Iimp做的试验,对应为电压开关型SPD。T2(Ⅱ级分类试验)用标称放电电流In、1.2/50μs冲击电压和8/20μs最大放电电流Imax做的试验,对应为限压型SPD。T3(Ⅲ级分类试验)用混合波(1.2/50μs和8/20μs)做的试验,对应为组合型SPD。举个实例解释一下上述概念,比如SPD保护固定建筑物上的节日彩灯等设备和线路时,设备位于室外LPZOB区,应为第一级SPD,但依据规范要求,选择Ⅱ级分类试验的SPD即可。若此建筑恰好为低压电源引入,配电柜进线处的第一级SPD又应选择I级分类试验的SPD,那么此工程中的第一级SPD,并不是一种产品。

(5)SPD的上端短路保护器件及其连接线选择

各级电涌保护应接在相应的断路器、熔断器的负载端。建筑物内负载一般为连续供电负载,需在SPD上端安装短路保护器件。当SPD被烧毁造成配电系统短路时,安装在SPD上端的断路器或熔断器应动作或熔断,切除SPD,即切除了配电系统的接地故障点。因此,SPD的连线规格应满足此处短路电流热稳定的要求。

SPD的连接线目前规范说法不一。目前主要有以下两种说法。

一是参考《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012第6.5.1条要求:

SPD标称放电电流较大,要求连接线截面积也相应加大,这样可减小引线电感量,从而减小其动态阻抗。上述截面仅为推荐值,是从防雷工程实践经验中总结的。

二是参考新《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010中表5.1.2的要求:

上表主要来源于IEC标准,规定在导体满足热效应且不受机械损伤的情况下可采用较小的截面。

6)其他技术要求

(1)最大持续工作电压

依据新规范的要求,电涌保护器的最大持续运行电压不应小于附录表J.1.1所规定的最小值。

本工程为TN-S系统,Uc不应小于1.15U0(U0是低压系统相线对中性线的标称电压,在220/380V三相系统中,U0=220V)。

(2)保护电压水平

保护电压水平(残压)应小于设备的耐受电压,可按照《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010中第6.4.4条进行选择。

(3)SPD的响应时间

从SPD的两端施加压敏电压到其箝位电压的时间,称作响应时间。在遇到雷电暂态过电压作用时,保护装置应具有足够短的动作响应时间,以便尽早动作限压和旁路泄流。一般来讲,对第一级要求不大于100ns,对第二级(中间级)要求不大于50ns,对第三级(末级)要求不大于25ns。

4 结束语

在进行建筑工程防雷设计时,设计师应针对建筑物的特点进行雷电防护规划。正常情况下,简单而草率的把SPD装在各种线路中,并不意味着进行了最优保护。只有综合考虑到了系统中所有过电压的可能,并在保护措施上有所侧重,通过正确的选择,合理的布局以及正确的安装才能达到预期的保护效果。

在工程中应用多级SPD进行保护,能够很好地把过电压钳制到设备可以承受的范围,最大限度地减少雷电带来的灾害。考虑在设计过程中方便应用,大部分工程可通过上文几个步骤进行SPD的选择和配置,理论上应能很好地满足在设计中遇到的各方面要求。当然,对于一个较为复杂的电源系统进行设计时,则需要采用一些专门的计算机软件,对电源系统网络中的雷电暂态过程进行数值模拟,从而确定保护装置的个数、位置和各保护装置保护特性之间的配合关系,以选择最佳的防雷保护方案。

通过本文的综述,希望有助于设计人员在工作中有效、可靠的选择电涌保护装置。由于时间紧张、水平有限,本文可能还存在着一些问题,有待于在今后的实践中进一步研究和完善。

摘要：GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》及GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》分别于2011年10月1日和2012年12月1日开始正式实施,两本规范在安装和选择电涌保护器的要求方面做了若干修改。笔者对比新旧规范的相关条文内容,综合了部分文献的建议,以实际工程为例,简述民用建筑电源系统电涌保护装置选择和配置的一般原则和步骤。

关键词：电涌保护器,电源系统,雷击风险评估,国家规范,民用建筑

参考文献

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[6]李清泉.低压系统电涌保护装置配合的研究[D].西安:西安交通大学.2003.

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[8]周泽存等.高电压技术[M].北京:中国电力出版社,2007.

[9]方磊,罗洁,陈校等.低压配电系统中SPD的安装和保护配合的研究[D].北京市建筑设计研究院.2008.

电源电涌保护篇2

雷电是伴有闪电与雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的自然放电现象。其强大的电流、巨大的声响以及猛烈的冲击波等物理效应瞬间产生巨大的破坏作用。雷电的发生常会导致人员伤亡、击坏建筑物, 使建筑物内的供配电系统、通信系统及电子信息系统遭受损害、中断, 甚至引发火灾爆炸事故。

1 建筑物内雷电的引入及防范措施

建筑物内雷电的引入途径有以下三种:1) 直击雷直接击中金属导管或金属导线, 雷电会以波的形式沿金属导管或金属导线箱两边传播而引入建筑物内;2) 来自雷电感应 (包括电磁感应与静电感应) 的电压脉冲, 以波的形式沿着导线传入建筑物内;3) 由于直击雷的闪电在建筑物附件, 通过地网入大地时, 在地网上会产生高达几百伏的高电位, 这种高电位通过动力系统的接地线、零线、金属导管等以波的形式传入建筑物内。

直击雷和雷击电磁脉冲的危害程度不同, 侵害渠道不同, 因而其防范的措施也不同。防直击雷主要采用避雷针、避雷网、避雷带等传统的接闪装置, 只要按规范要求合理设计安装, 便可对直击雷进行有效地防护, 但是无论多么完善的接闪装置, 对雷击电磁脉冲产生的感应过电压和电涌电流都无能为力, 而电涌保护器的研制, 使这个问题得到了很好的解决。

2 电涌保护器简介

1) 电涌保护器 (Surge Protection Device) 是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置。电涌保护器的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而损坏。电涌保护器是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置, 过去常称为“避雷器”或“过电压保护器”英文简写为SPD。

2) 电涌保护器的基本元器件及其工作原理。放电间隙又称保护间隙:它一般由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成, 其中一根金属棒与所需保护设备的电源相线L1或零线 (N) 相连, 另一根金属棒与接地线 (PE) 相连接, 当瞬时过电压袭来时, 间隙被击穿, 把一部分过电压的电荷引入大地, 避免了被保护设备上的电压升高。这种放电间隙的两金属棒之间的距离可按需要调整, 结构较简单, 其缺点是灭弧性能差。改进型的放电间隙为角型间隙, 它的灭弧功能较前者为好, 它是靠回路的电动力F作用以及热气流的上升作用而使电弧熄灭的。

3 电涌保护器的基本分类及主要技术参数

电涌保护器按工作原理分为限压型电涌保护器、电压开关型电涌保护器及组合型电涌保护器。1) 限压型电涌保护器也可叫做“嵌压型”电涌保护器, 它通常采用压敏电阻或抑制二极管作为其组件。当电涌出现时为高阻抗, 随着电涌电流与电压的增加, 阻抗连续变小。限压型电涌保护器具有连续的电流与电压特性。限压型电涌保护器具有无间隙、响应快、无续流的优点;但其缺点是寄生电容较大。2) 电压开关型电涌保护器也叫“克罗巴型”电涌保护器, 它通常采用放电间隙或充气放电管作为其组件。当出现电涌电压时由高阻抗突变为低阻抗, 无电涌出现时保持为高阻抗。电压开关型电涌保护器具有流通量大, 寄生电容小的优点;但其缺点是响应慢、时延长、有工频续流。3) 组合型电涌保护器是限压型与电压开关型元件组合而成, 这种组合形式可获得不同需求的特性, 非常灵敏具有优越性。电涌保护器按强弱电分为:电气系统的电涌保护器和电子系统的电涌保护器;电涌保护器按照实验类型可分为:Ⅰ级分类实验的电涌保护器、Ⅱ级分类实验的电涌保护器和Ⅲ级分类实验的电涌保护器。

电涌保护器的主要技术参数有:1) 冲击电流Iimp;2) 标称放大电流In;3) 电压保护水平Up;4) 最大持续运行电压Uc。对各个参数的选择原则详见GB 50057-2010建筑物防雷设计规范, 在此不详述。

4 电涌保护器在建筑电气设计中的选择

1) 选型设计原则:电涌保护器的选择主要从功能的实用性和参数的合理性等方面综合考虑来选择。功能的实用性是指根据建筑物的重要性、所处的地理位置及环境特点以及安装部位来选择功能实用的电涌保护器, 以达到安全可靠、维护便捷、降低运行成本的目的。参数的合理性是指根据建筑物所处的雷电保护区域范围、系统特性以及安装部位选择电涌保护器的各个最佳电气性能参数。同时在选择电涌保护器时应考虑其两端引线的感应电压下降, 对电涌保护器有效电压水平的影响。在工程上应尽量缩短电涌保护器两端的连线长度, 应满足最小截面的要求。

2) 电源电涌保护器的选择。电源电涌保护器的选择和安装与防雷区密切相关。在LPZ1与LPZo B区域的交界处, 应安装Ⅰ级试验的电涌保护器。对于二类及以上的防雷建筑物, 应选用电压保护水平值不大于2.5 k V的电涌保护器;当冲击电流不确定时, 其取值不应小于12.5 k A;对于三类防雷建筑物的冲击电流的选择依据GB 50057-2010建筑物防雷设计规范中4.2.4-6与4.2.4-7公式计算。在LPZ1与LPZ2和更高区需要安装电涌保护器时, 应选用Ⅱ级或Ⅲ级试验的电涌保护器。同时注意:Ⅱ级试验的电涌保护器标称放电电流不应小于5 k A;Ⅲ级试验的电涌保护器标称放电电流不应小于3 k A, 在低压配电系统中TN接地形式系统的电涌保护器的保护模式有“3+1”和“4+0”。“3+1”保护模式的SPD接线是指在各相线与中性线之间安装3个限压型SPD, 然后在中性线与接地PE线之间安装一个开关型SPD;“4+0”保护模式的SPD接线是指在各相线、中性线与接地PE线之间安装4个限压型SPD。

3) 电子系统信号电涌保护器的选择。由于弱电信号电平不断趋向于低压化, 使电子系统更容易受到过电压的侵害, 故电涌保护器在电子系统中的使用就显得越来越重要。信号电涌保护器的选择主要考虑的参数有:工作电压、工作频率、通流容量、接口标准、接地情况及连接情况等。当电子系统的进线采用光缆时:一类防雷的短路电流应选用100 A, 二类防雷的短路电流应选用75 A, 三类防雷的短路电流应选用50 A;当电子系统的进线采用金属线, 且其短路电流无法确定时:一类防雷的短路电流应选用2.0 k A, 二类防雷的短路电流应选用1.5 k A, 三类防雷的短路电流应选用1.0 k A。

电源电涌保护篇3

关键词：电涌保护器；SPD；雷电反击；雷电感应；现代建设

中图分类号：TU856　　　　　文献标识码：A　　　　　文章编号：1009-2374（2012）26-0093-03

1　概述

在信息化带动工业化的引导下，各类信息设备、计算机、精密仪器等的应用越来越广泛。而此类精密电子产品具有工作电压低、耐压性差、高敏感性、抗干扰能力差等特点，因而在受到外界电流脉冲，尤其是雷电产生的影响下，极易受到损害。因此，防雷电保护在现代建设项目中显得尤为重要。

SPD全称是Surge Protective Device，也称为电涌保护器，是限制雷电反击、雷电感应和过压而产生顺势电压并释放电流的重要器件。作为雷电保护设备体系中的重要组成部分，SPD已经广泛应用在电力、交通、机场等各个行业。

2　电涌保护器的工作原理及分类

电涌保护器是电子设备防止雷电保护中重要的组成部分，是用于限制瞬态过电压和泄放浪涌电流的装置，它至少应包含一个非线性元件。电涌保护器并联在被保护设备两端。泄放浪涌电流、限制浪涌电压都是通过其非线性元件完成的。

2.1　工作原理

电涌保护器的类型可以根据其包含的非线性基本元器件的不同分类，通常电涌保护器的基本元件有放电间隙、气体放电管、压敏电阻和抑制二极管等。

2.1.1　放电间隙。一般由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成，其中一根金属棒与所保护设备的电源线相连接，另一根金属棒与接地线相连接。当瞬时过电压进入线路后，两根金属棒之间产生高电位差，使间隙被击穿。从而把过电压的电荷引入接地线，达到了保护设备的作用。这种放电间隙的金属棒之间的距离可以根据需要调节且结构简单。

2.1.2　气体放电管。由相互离开的一对冷阴极板封装在充有惰性气体的玻璃管或陶瓷管内组成。通常为了提高放电管的敏感度，也可在放电管内充入助触发剂。

2.1.3　压敏电阻。主要成分是以金属氧化物半导体非线性电阻为主，当作用在两端的电压达到触发电压数值后，电阻对电压变得十分敏感。其特点是通留容量大，对瞬时过电压响应时间快。

2.1.4　抑制二极管。抑制二极管主要是钳制限压功能，工作在反向击穿区。由于抑制二极管的钳制电压低并且反应速度快，所以经常应用在多级保护电路的末端保护元件。

2.2　分类和特性

SPD从工作原理和性能上可以分为电压限制型、电压开关型、组合型。

2.2.1　电压限制型。电压限制型SPD的核心保护元件为各种非线性电阻性元件，具有连续的伏安特性，随着电流增加电阻连续地减小。在无电涌出现时SPD表现为高阻抗，随着电涌电流和电压的增加，阻抗连续减小，使其两端电压基本保持不变。此类SPD通常采用压敏电阻、抑制二极管为主要组件。

2.2.2　电压开关型。电压开关型SPD的核心保护元件为各种开关型器件，如开放的空气间隙、气体放电管、晶闸管等。开关器件也是非线性元件，但其伏安特性不连续，在电压较小时基本为开路状态，当电压达到一定数值时，电阻突然降低，两端成为导通状态。

2.2.3　组合型。组合型SPD是由电压开关型元件和电压限制型元件组合而成的，串联或者并联共同发挥作用。组合型SPD也具有非线性特性，但是不连续，有时候表现为电压开关特性，有时是电压限制型特性。

电压限制型SPD具有反应速度快的特点，但其电压保护水平不高，有延缓老化现象。电压开关型SPD电压保护水平高且不会老化。组合型SPD由于串并联方式和结构的差异，会表现出不同的特点。

3　电涌保护器的應用

3.1　过电压成因

通常将超过设计规定的正常工作电压的上限值电压称为“异常过电压”，又称“过电压”。电涌保护器就是防止过电压对电气线路和电子设备中的电路、元件造成破坏。

过电压可能来自外部，也可能来自内部设备和装置。外部侵入的过电压可以通过导线、线路、管路传导进入，也可以通过线路之间的电磁感应、静电感应产生；内部过电压则可能由电路异常、开关动作产生。根据过电压的产生原因，可以将过电压大致分为雷电过电压、操作过电压、暂态过电压、静电等。

3.1.1　雷电过电压。由直击雷产生，通过导线或线路传导到电子设备；由于雷电对地面放电，对附近1.5km范围内的导线和导体产生电磁感应，从而传导到电子设备。雷电过电压的特点是持续时间短、峰值高。

3.1.2　操作过电压。操作过电压是由于在电路中存在大量能储存能量的元器件，如电容中的静电场能量和电感中的磁能等，在电路状态突变时产生能量转换，进而引起振荡而出现的过电压现象。通常，电路中的断路器、隔离开关、继电器、可控硅开关等在进行通断动作时，都可以对开关两端产生过电压。操作过电压的持续时间比雷电过电压长且衰减快。

3.1.3　暂态过电压。暂态过电压是当电力系统发生故障时，切断负荷或谐振时所产生的电压过高现象。其特点是持续时间长。

3.1.4　静电。在天气干燥的季节，人体与衣服间摩擦会使人带电，当带电的人体与电子设备接触时，就会对电子设备放电产生过电压。静电放电的特点是电压高，时间很短。

3.2　SPD选择与应用

针对不同原因产生的过电压，其电涌保护器SPD的选用也不同。在实际应用中，要考虑一下几方面选择使用：

3.2.1　电涌保护器SPD通常安装在电源线、信号线上对其进行保护。对于安装在电源线的SPD，要根据被保护对象的电气参数选择SPD的通流量、负载能力、残压和响应速度等，以便与被保护设备配合使用。对于信号线上安装的SPD，要根据信号线传输的信号电压选取。由于信号传输一般都为低电压，在不影响信号的传输前提下，通常采用限制线路上传输的最高电压从而保护线路。

3.2.2　电涌保护器的电压保护电压值应小于被保护设备的冲击耐压值，这是基本原则。当线路电压超过被保护设备冲击耐压值时，被保护设备将受到损坏。当进线端电涌保护器保护电压与被保护设备耐压值之比过高时，可以加装二级电压保护器。采样逐级降压引流的方式可以达到保护效果。

3.2.3　采样多级SPD保护时，其流通量应是逐级减小的。第一级应选用大通流量SPD，第二、三级选择通流量小的SPD。需要注意的是，当采用多级SPD保护时，要避免SPD残压过高和响应速度慢的原因，从而使被保护电路受损。

3.2.4　尽量减小电涌保护器和被保护设备两端引接线的长度，每只并联SPD引接线总长度不宜超过0.5m，以减少引线的电感产生的压降对设备的影响。

3.2.5　当进线端电涌保护器与被保护设备电气间的距离大于30m时，应在离被保护设备尽可能近的位置加装另一个电涌保护器。

3.2.6　在实际应用中应选较大通流量或者热备份SPD。雷击过程往往是多次瞬间产生，通流量大的SPD使用寿命较长，有利于设备的保护。

3.2.7　对于SPD引入和引出線应用扎带或胶布将其紧密捆扎在一起，这样能有效地消除感应磁场，降低压降。

3.2.8　要防止交叉耦合对设备线路的影响。雷电或其他脉冲信号线路在未通过SPD前，可以认为是一个强电磁场辐射源；当通过SPD后将可以视为稳定的线路，此线路不可再与已通过SPD的线路靠近，这样容易产生“二次辐射”。

4　结语

电涌保护器在现代化建设领域中的作用越来越重要，选择并使用好电涌保护器是防雷保护中的重要环节。SPD的使用必须考虑建筑物具体情况、被保护设备的具体对象以及合理正确的技术参数和接入方式，只有这样才能使系统安全的运行，电子设备受到可靠的保护。

参考文献

[1]　建筑物防雷设计规范（GB 50057-94）[S]．2000．

[2]　叶蜚誉．关于电涌保护器选配文章的讨论[J]．电气工程应用，2003，（3）．

[3]　林滨．浅谈建筑物防雷接地的施工[J]．福建建筑，2010，（8）.

[4]　张维．建筑防雷接地系统的施工实践[J]．华北科技学院学报，2010，（7）．

[5]　石有平．高层建筑防雷接地施工技术[J]．科学情报开发与经济，2007，（36）．

作者简介：曹兴华（1981-），男，北京人，供职于北京中企建发监理咨询有限公司，硕士，研究方向：电工理论与新技术。

电源电涌保护篇4

关键词：电涌保护器;电涌能量承受能力;电压保护水平

Abstract: Analyzed the important role of surge protection device and its classification and characteristics, according to the relevant norms, this paper elaborates the selection principle of buildings’ first low-voltage power SPD, puts forward corresponding check and calculation process of surge energy capacity and voltage protection level, and designs the electronic form to make automatic calculation.

Key words: city track traffic;stray current; harm;prevention measures

引言

雷击电磁脉冲会对周围环境产生强烈电磁辐射干扰，对电子信息设备造成重大危害。其防护措施之一是将雷电流的主要泄放通道和建筑物内所有金属物做等电位联结，以减小建筑物内各金属物与各系统之间的电位差，从保护电子设备。对于不能直接联结的带电体应采用暂态联结的办法，即采用电涌保护器SPD(Surge Protective Device)联结。

对SPD的正确设计选型是对电子设备和系统进行有效防护的必要前提，尤其是建筑物第一级低压电源SPD，需泄放掉进户低压电力线路上绝大多数的雷电流，其作用至关重要。然而，在实际工程实践中经常出现建筑物内从室外引来的低压线路上安装的`第一级SPD采用限压型金属氧化物压敏电阻产品、忽略SPD的电涌能量承受能力和电压保护水平校验计算等现象，对有效防护带来负面效应。本文将依据相关规范，阐述第一级低压电源SPD的选型原则和计算过程。

1.SPD的选型

电源电涌保护篇5

近年来,随着我国经济的飞速发展,大量的数据设备和精密仪器、仪表组成的信息系统(诸如计算机、通讯设备、DCS控制系统等)在水泥工业的应用越来越广泛。水泥企业的电气设备元器件大多采用集成电路和微电子电路,这些设备耐冲击能力不高,对雷电流、干扰信号和故障电流尤为敏感。每年因雷电和其他形式的过电压侵入造成电子设备毁坏的事故也呈逐年上升的趋势。

电涌保护器是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置,水泥企业科学选用可有效避免电器件遭损害。

1 电涌保护器简述

1.1 电涌保护器原理

电涌保护器是一种非线性元件,根据IEC标准规定,电涌保护器是主要抑制传导过来的线路过电压和过电流的装置。电涌保护器起到保护作用,基本要求是必须承受预期通过的雷电电流,并且通过电涌最大钳压,有效熄灭在雷电流通过后产生的工频续流,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而损坏。

电涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同,但至少包含一个非线性电压限制元件。

1.2 电涌保护器分类

1.2.1 按工作原理分类

(1)开关型;(2)限压型;(3)分流型或扼流型。

1.2.2 按用途分类

(1)电源保护器:交流电源保护器、直流电源保护器、开关电源保护器等。

(2)信号保护器:低频信号保护器、高频信号保护器、天馈保护器等。

1.3 电涌保护器的分级防护

一个欲保护的区域,由外到内可以分为几级保护区。

LPA0A区:该区内的各物体都可能遭受直击雷,同时在该区内雷电产生的电磁场能自由传播,没有衰减。

LPA0B区:该区内的各物体在接闪器保护范围内,不会遭受直击雷,但该区内的雷电电磁场因没有屏蔽装置也能自由传播,没有衰减。

LPZ1区:该区内的各个物体因在建筑物内,不会遭受直接雷击,流经各导体的电流比LPZ0B区更小,本区内的雷电电磁场可能衰减,这取决于屏蔽措施。

LPZ2区:当需要进一步减少雷电流和电磁场时,应增设后续防雷区,并按照需要保护的对象所要求的环境去选择后续防雷区的要求条件。

(1)第一级保护。目的是防止电涌电压直接从LPZ0区传导进入LPZ1区,将数万至数十万伏的浪涌电压限制到2 500～3 000 V。入户电力变压器低压侧安装的电源防雷器作为第一级保护时应为三相电压开关型电源防雷器,其雷电通流量不应低于60 kA。该级电源防雷器应是连接在用户供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防雷器。第一级电源防雷器可防范10/350μs、100 kA的雷电波,达到IEC规定的最高防护标准。其技术参考为:雷电通流量大于或等于100 kA(10/350μs);残压值不大于2.5 kV;响应时间小于或等于100 ns。

(2)第二级保护。目的是进一步将通过第一级防雷器的残余浪涌电压的值限制到1 500～2 000V,对LPZ1—LPZ2实施等电位连接。分配电柜线路输出的电源防雷器作为第二级保护时应为限压型电源防雷器,其雷电流容量不应低于20 KA,应安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电处。第二级电源防雷器其技术参考为:雷电通流容量大于或等于40 kA(8/20μs);残压峰值不大于1000 V;响应时间不大于25 ns。

(3)第三级保护。目的是最终保护设备的手段,将残余浪涌电压的值降低到1 000 V以内,使浪涌的能量不致损坏设备。在电子信息设备交流电源进线端安装的电源防雷器作为第三级保护时应为串联式限压型电源防雷器,其雷电通流容量不应低于10 kA。

(4)第四级及四级以上保护。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。第四级保护其雷电通流容量不应低于5 kA。

1.4 电涌保护器的特点

目前大多电涌保护器都具有以下特点:(1)可靠地热脱扣保护装置;(2)短路过流脱扣功能;(3)热备份功能,保证每组芯片性能的一致性和稳定性;(4)浪涌识别技术,通过识别开关,在出现浪涌5 ns内闭合,既防止漏流,又有效地延缓元件老化,提高产品寿命;(5)通流容量大,残压低,最大放电电流Imax可以达到200 k A;(6)响应时间快,小于5 ns;(7)完备的声光报警系统。

2 水泥厂工程中电涌保护器的应用

(1)在破碎及原料处理电力室、原料磨电力室、烧成电力室、水泥磨电力室等变压器低压侧总配电柜处设置电涌保护器,作为工厂的第一级保护。其选型要求一般为:

耐冲击电压水平:6 kV;

雷电保护级别:I级;

通流容量:100～200 kA。

(2)在分配电柜中,如中控化验室的动力配电箱等处,设置电涌保护器,作为工厂的第二级保护。其选型要求一般为:

耐冲击电压水平:4 kV;

雷电保护级别:II级;

通流容量:40～80 kA。

(3)在终端配电箱中,如各单体照明配电箱、UPS供电箱处,设置电涌保护器,作为工厂的第三级保护。其选型要求一般为:

耐冲击电压水平:2.5 kV;

雷电保护级别:III级;