盧衛(wèi)星 程傳軍 周岳建

(1．樂清市氣象局，浙江 樂清325600;2．南陽市防雷中心，河南 南陽473000)

0 引言

隨著現(xiàn)代化水平的不斷提高，建筑物內(nèi)安裝的電子信息設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備越來越多，電子信息設(shè)備一般工作電壓較低，耐壓水平也很低，極易受到雷電電磁脈沖的危害，由電力線路遭受雷擊感生、傳導(dǎo)高電壓可能威脅著電氣設(shè)備，造成電腦及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障、通訊傳輸中斷或數(shù)據(jù)丟失、設(shè)備或器件受損和失效等。因此設(shè)有信息系統(tǒng)設(shè)備的建筑物，除應(yīng)考慮防直擊雷措施外，還應(yīng)考慮雷電電磁脈沖的防護(hù)措施。雷電防護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，內(nèi)部防護(hù)和外部防護(hù)同等重要，外部防護(hù)技術(shù)已基本成熟，內(nèi)部防護(hù)也正在快速發(fā)展，SPD已經(jīng)成為內(nèi)部防護(hù)的重要組成部分，如何選擇與設(shè)置顯得尤為重要，只有針對不同用途的建筑、不同的供電系統(tǒng)特點(diǎn)，依據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，才能合理選擇SPD品牌與技術(shù)參數(shù)、科學(xué)設(shè)置SPD位置。

1 確定需設(shè)置SPD防護(hù)對象的等級

建筑物內(nèi)是否需要設(shè)置SPD?首先應(yīng)該根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94(2000版)第2章第2．0．1條“建筑物應(yīng)根據(jù)其重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，以及建筑物其防雷類別的劃分條款，《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB 50343-2009相關(guān)條款對應(yīng)分析后確定防雷類別;同時(shí)應(yīng)用《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB 50343-2009相關(guān)條款、附錄A用于建筑物電子信息系統(tǒng)簡易雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估的N和Nc的計(jì)算方法與《雷電防護(hù)第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理》GB/T 21714．2-2008引言部分：“影響建筑物以及服務(wù)設(shè)施的年平均雷擊次數(shù)既取決于所處地區(qū)的地閃密度，又取決于它們的尺寸、性質(zhì)和所處環(huán)境。雷電損害概率既取決于所采取的保護(hù)措施的類型和效能，還取決于建筑物、服務(wù)設(shè)施以及雷電流的特性?！钡葪l款;摸清建筑物的規(guī)模和雷電環(huán)境，建筑物外部防雷措施，室內(nèi)需保護(hù)的電氣、電子系統(tǒng)的重要性等因素，進(jìn)行雷電電涌風(fēng)險(xiǎn)分析評估后，確定建筑物內(nèi)是否需要設(shè)置SPD。如建筑物內(nèi)必須設(shè)置電涌保護(hù)器，確定具體的設(shè)置等級。如：

等級A：大型計(jì)算中心、大型通信樞紐、國家金融中心、銀行總(分)行、機(jī)場、大型港口、火車樞紐站等;甲級安全防范系統(tǒng)，如國家文物、檔案庫的閉路電視監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng);大型電子醫(yī)療設(shè)備、五星級賓館。

等級B：中型計(jì)算中心、銀行支行、中型通信樞紐、移動(dòng)通信基站、大型體育場(館)監(jiān)控系統(tǒng)、證券中心;乙級安全防范系統(tǒng)，如省級文物、檔案庫的閉路電視監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng);雷達(dá)站、微波站、高速公路監(jiān)控和收費(fèi)系統(tǒng);中型電子醫(yī)療設(shè)備;四星級賓館。

等級C：小型通信樞紐、電信局。大中型有線電視系統(tǒng);三星級以下賓館;除上述A，B級以外一般用途的電子信息設(shè)備。

此外對于不同的行業(yè)尚需以行業(yè)防雷技術(shù)規(guī)范為主要參考依據(jù)。

2 電涌保護(hù)器材料結(jié)構(gòu)分類

SPD的功能是限制瞬態(tài)過電壓和分走電涌電流，它至少含有一非線性元件。按SPD的功能結(jié)構(gòu)可分為以下幾種類型。

2．1 開關(guān)(限流)型(又稱間隙型)SPD

其內(nèi)部常用元件是放電間隙、充氣放電管、閘流管類型。如圖1所示。因間隙兩端不連通，所以平常狀態(tài)呈(開路)高阻抗?fàn)顟B(tài)，無漏流，且阻抗不因加在其兩端的電壓變化而變化。當(dāng)所加電壓達(dá)到設(shè)定的點(diǎn)火電壓值時(shí)，點(diǎn)火并拉弧放電;當(dāng)兩端的電壓降低但大于維持電壓時(shí)，仍然維持放電(續(xù)流);當(dāng)兩端的電壓低于其維持電壓時(shí)，放電停止，重新恢復(fù)成高阻抗?fàn)顟B(tài)。該類SPD具備疏導(dǎo)10/350 μs的雷擊電涌電流功效，一般用在建筑物L(fēng)PZ0B-LPZ1區(qū)的電源系統(tǒng)。

2．2 限壓型(又稱箝位型)SPD

電壓限制型(又稱箝位型)：內(nèi)部常用元件是壓敏電阻、抑制二極管等非線性元件，如圖2所示。平常狀態(tài)時(shí)呈高阻抗截止?fàn)顟B(tài)，其阻抗隨加在兩端電壓的增加而緩慢減小，當(dāng)所加電壓增加到壓敏動(dòng)作電壓時(shí)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)變成低阻抗(導(dǎo)通狀態(tài))。當(dāng)其兩端的電壓低于其設(shè)定值時(shí)，停止導(dǎo)通，重新恢復(fù)成高阻抗?fàn)顟B(tài)。限壓型防雷器因其芯片原材料純度、制造工藝、配方等不同而不同程度地存在漏電流，且呈正溫度系數(shù)變化。該類SPD具備疏導(dǎo)8/20 μs的雷擊電涌電流功效，一般用在建筑物L(fēng)PZ1區(qū)和LPZ2區(qū)的電源系統(tǒng)。

2．3 組合型SPD

由電壓開關(guān)型組件和限壓型組件串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組合而成。串連時(shí)，阻抗特性與電壓開關(guān)型相同，如圖3所示;并聯(lián)時(shí)，阻抗特性與電壓限制型相同，如圖4所示;串并聯(lián)時(shí)若干路有間隙型元件則阻抗特性同電壓開關(guān)型，若干路無間隙型元件則阻抗特性同電壓限制型?？梢燥@示為電壓開關(guān)型或限壓型或這兩者都有的特性，這決定于所加的電壓的特性。視通流容量應(yīng)用在不同的防雷區(qū)域。

3 SPD的技術(shù)參數(shù)選擇

依據(jù)相關(guān)防雷技術(shù)規(guī)范，必須對SPD技術(shù)參數(shù)進(jìn)行選擇，如：電壓保護(hù)水平Up、最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc、標(biāo)稱導(dǎo)通電壓Un(動(dòng)作電壓)、額定通流容量In、最大通流容量Imax(或沖擊電流Iimp)等參數(shù)根據(jù)具體情況進(jìn)行選用。還必須考慮使用環(huán)境、供電電壓的波動(dòng)等因素。

3．1 電壓保護(hù)水平(Up)的選擇

SPD必需能承受預(yù)期通過它們的雷電流，并應(yīng)符合以下兩個(gè)附加要求：通過電涌時(shí)的最大鉗壓，有能力熄滅在雷電流通過后產(chǎn)生的工頻續(xù)流。電壓保護(hù)水平必須小于如表1各類設(shè)備耐沖擊過電壓額定值。

3．2 持續(xù)運(yùn)行電壓(Uc)選擇

可以持續(xù)施加于SPD的最大交流有效值電壓或最大直流電壓，持續(xù)工作電壓的選擇需根據(jù)不同的供電系統(tǒng)制式選擇相應(yīng)的規(guī)定值。如：按GB 50057-2000版圖6．4．5-1接線的TT系統(tǒng) Uc≥1．55Uo;按圖 6．4．5-2 和圖 6．4．5-3接線的 TN 和 TT 系統(tǒng) Uc≥1．15Uo;按圖6．4．5-4接線的IT系統(tǒng)Uc≥1．15Uo;壓敏SPD標(biāo)稱導(dǎo)通電壓Un(動(dòng)作電壓)≥2．2Uo;其中Uo=220 V。另外，石化系統(tǒng)及電壓波動(dòng)頻繁的場所尚需加大10%的余量。

表1 230/400 V配電系統(tǒng)各類設(shè)備耐沖擊過電壓額定值

3．3 SPD的雷擊沖擊電流Iimp及標(biāo)稱放電電流In的選擇

在LPZ0A或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界處，在從室外引來的線路上安裝的SPD，應(yīng)選用符合Ⅰ級分類試驗(yàn)的產(chǎn)品。應(yīng)按GB50057-2000規(guī)范的第6．3．4條的規(guī)定確定通過 SPD的10/350μs雷電流幅值。當(dāng)線路有屏蔽時(shí)，通過每個(gè)SPD的雷電流可按上述確定的雷電流的30%考慮。以上述得出的雷電流作為Iimp來選用SPD。

當(dāng)按上述要求選用配電線路的SPD時(shí)，其標(biāo)稱放電電流In不宜小于15 kA。在建筑物電氣裝置中使用SPD限制從電源系統(tǒng)傳來的大氣瞬態(tài)過電壓(由間接的，遠(yuǎn)處的雷擊引起的)和操作過電壓時(shí)，可選用Ⅱ級分類試驗(yàn)的SPD及必要時(shí)加裝Ⅲ級分類試驗(yàn)的SPD。Ⅱ級、Ⅲ級分類試驗(yàn)的SPD的標(biāo)稱放電電流In應(yīng)符合技術(shù)規(guī)范要求參數(shù)。

4 SPD在低壓電源系統(tǒng)中的布局

SPD在低壓電源線路設(shè)置布局，一般可按照上述1部分防護(hù)對象的等級，視防護(hù)對象設(shè)備的重要程度、發(fā)生雷擊事故嚴(yán)重程度等將防護(hù)設(shè)置SPD分為A，B，C，D 4個(gè)等級。

A級：在低壓系統(tǒng)中采取3～4級SPD進(jìn)行保護(hù)。

B級：在低壓系統(tǒng)中采取2～3級SPD進(jìn)行保護(hù)。

C級：在低壓系統(tǒng)中采取2級 SPD進(jìn)行保護(hù)。

D級：在低壓系統(tǒng)中不少于1級或以上SPD進(jìn)行保護(hù)。

也就是在重要電氣、電子設(shè)備輸入端和機(jī)房電源設(shè)備輸入端裝設(shè)電壓保護(hù)水平與入口級相等的SPD，具有可能帶電開斷的較長的電源分支線段(多芯電纜或穿金屬管的線路＞40 m，散線＞30 m)的分支處，或當(dāng)機(jī)房有屏蔽時(shí)在電源線路進(jìn)入機(jī)房處，宜裝設(shè)中間級SPD。其電壓保護(hù)水平不大于2．5 kV，位置可在分支所在樓層的配電箱處。如入口級的Up不大于1．5 kV，在入口級和設(shè)備級之間的線路上無論距離多長、有無分支線均不需裝設(shè)中間級SPD。如設(shè)備級SPD離入口級的距離小于10 m，應(yīng)要求入口級的電壓保護(hù)水平低于設(shè)備級的電壓保護(hù)水平，或在設(shè)備級前串入解耦器。SPD設(shè)置布局示例如圖5所示。

圖5 SPD布局設(shè)計(jì)示例簡圖

另外，由于石化系統(tǒng)是防雷、防火的重點(diǎn)部門，在石化系統(tǒng)的建(構(gòu))筑內(nèi)，有些環(huán)境都存在氣體，一旦發(fā)生火花將導(dǎo)致燃燒、爆炸的可能，因此，可能產(chǎn)生火花的間隙SPD是不允許使用的，千萬須牢記。僅允許設(shè)置壓敏電阻類型的SPD，其模式如圖6(b)所示為4模塊接線法，必要時(shí)使用防爆型SPD。

5 SPD前置空開設(shè)置與連接線問題

5．1 SPD前置空開設(shè)置

低壓電源線路設(shè)置SPD，當(dāng)雷擊電磁脈沖傳導(dǎo)入侵電源線路時(shí)，科學(xué)合理設(shè)計(jì)的SPD將能及時(shí)響應(yīng)發(fā)生瞬態(tài)對地短路，將雷電流泄放入地。但那些設(shè)置在低壓配電線路的SPD(多數(shù)為ZnO壓敏材料)在線長期運(yùn)行，一方面抗御雷擊脈沖的侵?jǐn)_，另一方面也在自然老化;一旦所使用的ZnO壓敏材料的SPD處于劣化狀態(tài)，其壓敏電阻可導(dǎo)致溫度升高，引起壓敏電阻熱崩潰，從而導(dǎo)致漏電流增大且防護(hù)功能失效。一旦雷電入侵產(chǎn)生的過電流如果造成對地短路時(shí)間達(dá)到幾個(gè)ms，將造成電源線路跳閘引起系統(tǒng)供電中斷;因此，設(shè)置附加的SPD連接線路必須自設(shè)過電流保護(hù)裝置(如熔斷器或空氣斷路器)，那么，當(dāng)雷擊過程萬一引起過流時(shí)，讓SPD連接線路自設(shè)的過電流保護(hù)裝置先動(dòng)作，以不影響正常供電為妥?？臻_的具體選擇為保護(hù)空開(或保險(xiǎn)絲)的標(biāo)稱電流不應(yīng)大于前級供電線路空開(或保險(xiǎn)絲)的1/1．6倍。

5．2 SPD連接線長度問題

SPD設(shè)置中其兩端的連接線(含：接地線)，連接的導(dǎo)線要盡可能短而直，以短于0．5 m為理想。因?yàn)閷?dǎo)線的電感分量關(guān)乎SPD的效能，假定電器設(shè)備耐壓為2．5 kV，SPD的電壓保護(hù)水平Up≤1．5 kV，接線方式如圖7所示，如SPD兩端連接導(dǎo)線長1．5 m，而導(dǎo)線上的電壓降為：雷擊脈沖上升速率((雷電流陡度di/dt)以1 kV/μs計(jì))乘以導(dǎo)線單位長度電感(以1 μH/m計(jì))再乘以導(dǎo)線單位長度(假設(shè)有1．5 m)再加上SPD的電壓保護(hù)水平(Up=1．5 kV)：

由于UAB=3．0 kV，大于被保護(hù)設(shè)備的耐壓(2．5 kV)，可能導(dǎo)致設(shè)備的絕緣被擊穿而損壞。

6 結(jié)語

SPD的選擇與設(shè)置應(yīng)根據(jù)建筑物其重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，摸清建筑物的規(guī)模和雷電環(huán)境，建筑物外部防雷措施，室內(nèi)需保護(hù)的電氣、電子系統(tǒng)的重要性等因素，首先進(jìn)行雷電電涌風(fēng)險(xiǎn)分析評估，再嚴(yán)格按照規(guī)范要求，且應(yīng)以行業(yè)防雷技術(shù)規(guī)范為主要參考依據(jù)，根據(jù)實(shí)際情況需要，熟悉SPD預(yù)期壽命，選擇相關(guān)技術(shù)參數(shù)。SPD選型與設(shè)置應(yīng)做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。

［1］ 機(jī)械工業(yè)部．建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50057-94(2000年版)［S］．北京：中國計(jì)劃出版社，2000．

［2］ 四川省建設(shè)廳．建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范GB 50343—2009［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［3］ 全國雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．雷電防護(hù)第2部分：風(fēng)險(xiǎn)管理 GB/T 21714．2-2008［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

［4］ 信息產(chǎn)業(yè)部郵電設(shè)計(jì)院．通信局(站)雷電過電壓保護(hù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范YD/T5098-2001［S］．北京郵電大學(xué)出版社，2001．

［5］ 國家能源局．電子設(shè)備防雷技術(shù)導(dǎo)則DL/T 381-2010［S］．北京：中國電力出版社，2010．