陳方帥等

摘要：雷擊及閃電電磁脈沖對(duì)電子系統(tǒng)的干擾和破壞日趨嚴(yán)重，在電氣系統(tǒng)上加裝SPD，可有效防止雷電電磁脈沖的侵入，避免浪涌脈沖信號(hào)破壞設(shè)備。詳細(xì)介紹SPD的分類、主要參數(shù)、選擇原則、保護(hù)配合方法，應(yīng)用實(shí)例探討SPD的安裝方案，為SPD的應(yīng)用提供應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：浪涌保護(hù)器；防雷；安裝

中圖分類號(hào)：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2015）01-0041-03

隨著信息網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展，智能化設(shè)備、通信設(shè)備的數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，使得這些電子信息設(shè)備抗雷擊電磁脈沖保護(hù)的重要性凸顯。合理的屏接和接地是減少浪涌過電壓對(duì)人身及設(shè)備破壞的有效途徑。在電氣系統(tǒng)上加裝浪涌保護(hù)器（以下簡(jiǎn)稱SPD），可將浪涌電壓限制在一定的耐壓等級(jí)范圍內(nèi)，有效防止雷電電磁脈沖的侵入，避免浪涌脈沖信號(hào)破壞設(shè)備。現(xiàn)就SPD在防雷系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 SPD的分類及主要參數(shù)

1.1 分類

SPD是一種限制帶電系統(tǒng)中瞬態(tài)過電壓和引導(dǎo)泄放電涌電流的非線性防護(hù)器件，可使電氣或電子信息系統(tǒng)免受雷擊、操作過電壓、涌流損害。

按使用的非線性元件特性，SPD分為以下類型：

1） SPD電壓開關(guān)型SPD。當(dāng)無電涌時(shí)，SPD呈高阻態(tài)；而當(dāng)電涌電壓達(dá)到一定值時(shí)，SPD突然變?yōu)榈妥杩埂Ｒ虼?，這類SPD被稱為“短路開關(guān)型”，常用的非線性元件有放電間隙、氣體放電管、雙向可控硅開關(guān)管等。它具有通流容量大的特點(diǎn)，特別適用于LPZOA區(qū)域、LPZOB區(qū)與LPZ1區(qū)界面處的雷電浪涌保護(hù)，一般用于“3+1”保護(hù)模式中低壓N線與PE線間的電涌保護(hù)。2） 限壓型SPD。當(dāng)無電涌時(shí)，SPD呈高阻抗；但隨著電泳電壓和電流的升高，其阻抗持續(xù)下降而呈低阻抗導(dǎo)通狀態(tài)。這類非線性元件有壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管（如齊納二極管或雪崩二極管）等。這類SPD常用于LPZOB區(qū)、LPZ1區(qū)及以上雷電防護(hù)區(qū)的雷電、操作過電壓保護(hù)。3） 混合型SPD。其將電壓開關(guān)型元件和限壓型元件組合在一起。隨所承受的沖擊電壓特性的不同，呈現(xiàn)電壓開關(guān)型SPD特性、限壓型SPD或特性同時(shí)呈現(xiàn)開關(guān)型及限壓型特性。4） 用于通信和信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中的SPD除有上述特性要求外，還按其內(nèi)部是否串接限流元件的要求，分為有限流無件SPD和無限流元件SPD。

按在系統(tǒng)中的用途，SPD分為電源系統(tǒng)SPD、信號(hào)系統(tǒng)SPD和天饋系統(tǒng)SPD；按端口型式和連接方式，SPD分為與保護(hù)電路并聯(lián)接連的單端口SPD、與保護(hù)電路串聯(lián)的雙端口（輸入、輸出端口）SPD，以及適用于電子系統(tǒng)的多端口SPD等；按使用環(huán)境，SPD又分為戶內(nèi)型SPD和戶外型SPD。

2.2 主要參數(shù)及定義

SPD的主要技術(shù)參數(shù)為持續(xù)工作電壓UC和額定泄放電流isn，常標(biāo)于產(chǎn)品銘牌上。

持續(xù)工作電壓UC是指可持續(xù)施加在SPD端子上、SPD不動(dòng)作的最大電壓。如果SPD因電涌作用而動(dòng)作，在泄放規(guī)定波形涌流（如8/20 μs，5 kA）后， SPD在此UC電壓下切斷來自電網(wǎng)的工頻對(duì)地短路電流UC應(yīng)大于低壓線路可能出現(xiàn)的最大持續(xù)工頻電壓。在國(guó)外的220/380 V網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，UC通常取280 V左右，但此UC值在我國(guó)不適用，因國(guó)外配電變電所接地電阻為1～2 Ω，而我國(guó)接地規(guī)范電阻為4～10 Ω。因此在發(fā)生低壓相線接大地故障時(shí)，另兩相對(duì)地電壓常大于上述280 V的UC值，且長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)存在。在此故障電壓作用下，SPD常被燒毀。因此，在我國(guó)應(yīng)采用較大UC值甚至接近線電壓的SPD，這將影響SPD對(duì)電涌的防護(hù)效果。

2 SPD的選擇及保護(hù)配合

2.1 SPD的選用原則

1） 基本原則。SPD的電壓保護(hù)水平Up應(yīng)小于被保護(hù)設(shè)備的沖擊耐受電壓Uchoc，即Up﹤Uchoc。

2） Up過高原則。如果進(jìn)線端SPD的Up與被保護(hù)設(shè)備的沖擊耐壓相比過高的話，則需在設(shè)備處加裝二級(jí)SPD。

3） 0.5 m原則。SPD與被保護(hù)設(shè)備的兩端引線應(yīng)盡可能短，即0.5 m原則。

4） SPD兩級(jí)配合的10 m原則。為提供最佳保護(hù)，既能承受更強(qiáng)的電流又有較小的殘余電壓，通常應(yīng)用SPD作一級(jí)及二級(jí)保護(hù)。一級(jí)保護(hù)能承受高電壓和大電流，并能快速滅弧。二級(jí)保護(hù)用來減小系統(tǒng)端的殘余電壓，應(yīng)具有較高的斬波能力。兩級(jí)SPD之間的最短距離為10 m。

SPD中的P2安裝在P1的下級(jí)，通常它的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)都比P1小，如果它與P1安裝得過近，P2有可能比P1更早動(dòng)作，從而承受本應(yīng)由P1承受的高能量。為避免這種情況，通過增加P1和P2之間的接線長(zhǎng)度來使P2上承受的電壓下降，因P2兩端的電壓等于P1兩端的電壓減去電纜上的感應(yīng)電壓。

給定P1的觸發(fā)電壓為2.5 kV，P2的觸發(fā)電壓為1.5 kV，欲使P2動(dòng)作，其兩端的電壓至少要達(dá)到1.5 kV，而此時(shí)P1兩端的電壓為U1+U2+U3，即1000+1500+1000 V，P1的觸發(fā)電壓2.5 kV，于是P1會(huì)在P2達(dá)到觸發(fā)電壓前動(dòng)作，把電流導(dǎo)入大地，釋放引起過電壓的能量。而P2在P1兩端的殘余電壓超過3.5 kV時(shí)提供第二級(jí)保護(hù)。

5） 30 m原則。當(dāng)進(jìn)線端的SPD與被保護(hù)電氣設(shè)備之間的距離大于30 m時(shí)，應(yīng)在離被保護(hù)設(shè)備盡可能近的地方安裝另一個(gè)SPD。反之，如果不增加一級(jí)保護(hù)，由于電纜距離較長(zhǎng)，P1上的殘壓加上電纜感應(yīng)電壓仍可能損壞設(shè)備，不能起到保護(hù)作用。

2.2 保護(hù)配合要求

2.2.1 SPD的保護(hù) SPD都有最大通過電流Imax，這是能承受的最大電流。當(dāng)超出這個(gè)值或長(zhǎng)期工作于感應(yīng)過電壓狀態(tài)時(shí)，SPD被擊穿造成短路。在圖1中，如果SPD上未串接斷路器C2，則線路斷路器C1跳閘；由于故障電流Icc仍存在，故只有SPD被更換后，D1才能重新合閘，不能保證供電的連續(xù)性。解決上述問題的措施是在SPD上端串聯(lián)一個(gè)斷路器。圖1中，C2斷路器的額定電流應(yīng)根據(jù)SPD的最大放電電流Imax選擇，并采用C型脫扣曲線，其分?jǐn)嗄芰Ρ仨毚笥诎惭b處的最大短路電流（詳見表1），并且要求斷路器在額定電流下施加20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8.0/20 μs和1.2/50 μs測(cè)試脈沖時(shí)不脫扣，但SPD短路時(shí)要確保動(dòng)作。

2.1 2 SPD與漏電保護(hù)器的配合 雷電電擊時(shí)，在SPD將過電流泄放入地的過程中，要保證電源的漏電保護(hù)開關(guān)不能動(dòng)作。在電源進(jìn)線端采用I△n=300/500 mA，并帶延時(shí)跳閘的漏電保護(hù)開關(guān)，在設(shè)備端選擇I△n=30 mA的漏電開關(guān)，對(duì)特別重要負(fù)荷（如計(jì)算機(jī)等）采用SI型漏電開關(guān)（SI型對(duì)大氣過電壓不敏感）。這樣配置的配電系統(tǒng)，可保護(hù)上、下級(jí)的選擇性，同時(shí)與SPD很好地配合，詳細(xì)情況見圖2。

3 SPD安裝方案

在三相四線TN-C-S系統(tǒng)內(nèi)，只需安裝3只SPD，這是因?yàn)樵谶M(jìn)線處PEN線即分為PE線和N線，并通過與等電位聯(lián)結(jié)用的接地母排相連接接地，即N線已為地點(diǎn)位，所以沒有必要在N線上裝設(shè)SPD。系統(tǒng)中SPD接線示例如圖3所示。TT系統(tǒng)中SPD接線示例見圖4。

SPD正常泄漏電流很小，但泄漏電流會(huì)隨雷擊次數(shù)的增加而增加，導(dǎo)致器件發(fā)熱老化，絕緣性能變差。因此，SPD一般都應(yīng)帶有在達(dá)到最大可承受熱量前斷開SPD的熱分?jǐn)嘌b置，并要求帶溫度失效指示，還可帶遠(yuǎn)程指示，詳見圖5。

4 結(jié)語

建筑物的防雷擊電磁脈沖已越來越被人們所重視，合理應(yīng)用SPD來保護(hù)系統(tǒng)和設(shè)備成為必然趨勢(shì)。在防雷擊電磁脈沖過程中，應(yīng)首先做好建筑的接地、屏蔽等措施，提供一個(gè)良好的電磁環(huán)境，并對(duì)工程進(jìn)行評(píng)估，確定系統(tǒng)和設(shè)備需耐受的預(yù)期最大浪涌電壓。根據(jù)不同的配電系統(tǒng)來安裝SPD，確保SPD的參數(shù)與被保護(hù)設(shè)備相匹配，且盡量選擇技術(shù)性能比較高的產(chǎn)品，以確保設(shè)備安全、可靠地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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Abstract： The interference and destruction of lightning stroke and lightning electromagnetic pulse to electronic system are becoming more and more serious. It is necessary to install SPD in electronic system for effectively inhibiting the invasion of lightning electromagnetic pulse， it can avoid surge pulse signal destroying the devices. The paper introduces the classification of SPD， main parameter， selection principle and protection method， provides a reference for the application of SPD by taking practical example to discuss the installation plans of SPD.

Key words： surge protector； lightning protection； installation