杜尚彬

（南京菲尼克斯電氣有限公司哈爾濱辦事處，哈爾濱150001）

0 引言

電涌電壓是持續(xù)時(shí)間極短，有陡峭上升沿的脈沖電壓或瞬態(tài)電壓。雷擊是最為人熟知的導(dǎo)致該類(lèi)極端電涌電壓產(chǎn)生的原因之一。其次，日常帶負(fù)載進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作、靜電放電也會(huì)產(chǎn)生電涌電壓，這種電涌電壓可以通過(guò)電流、電感或電容等耦合途徑由電源、測(cè)量設(shè)備或數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)入電氣設(shè)備或電子設(shè)備內(nèi)部。不論電涌電壓是如何產(chǎn)生的，它所產(chǎn)生的結(jié)果是相同的：設(shè)備毀壞、系統(tǒng)停頓或控制系統(tǒng)失靈。與系統(tǒng)失靈和更換元件的代價(jià)相比較，可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失和收益率下降等間接損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接損失。為了防止電涌電壓摧毀電氣系統(tǒng)，所有處于危險(xiǎn)的接口，如信號(hào)輸入和電源入口必須安裝防雷及電涌保護(hù)器。

1 浪涌保護(hù)器的原理

電涌保護(hù)器（Surge Protective Device，SPD）又稱浪涌保護(hù)器，它是一個(gè)至少使用了一個(gè)非線性零件的裝置，可以有效限制瞬態(tài)過(guò)電壓和轉(zhuǎn)移浪涌電流。用以保護(hù)耐壓水平低的電器或電子系統(tǒng)免遭雷擊及雷擊電磁脈沖或操作過(guò)電壓的損害。

電涌保護(hù)器起到保護(hù)作用，基本要求是必須承受預(yù)期通過(guò)的雷電電流，并且通過(guò)電涌最大鉗壓，有效熄滅在雷電流通過(guò)后產(chǎn)生的工頻續(xù)流，把竄入信號(hào)、電力線傳輸線的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。用于浪涌保護(hù)器的基本元器件有放電間隙、氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管。

1.1 放電間隙

浪涌保護(hù)器中的放電間隙基于電弧放電技術(shù)。兩個(gè)角形放電電極位置彼此相對(duì)并按特定的距離固定在特殊絕緣板上。在放電電極下方設(shè)有一同材料的撞擊板對(duì)著角形間隙開(kāi)口方向。在兩個(gè)電極之間出現(xiàn)電涌電壓時(shí)，在絕緣板的角形電極根部發(fā)生表面放電并形成電弧。持續(xù)的電弧被電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)向下撞擊擋板并被撞碎。撞碎的電弧分?jǐn)嘞缇€路的持續(xù)電流。

1.2 氣體放電管

氣體放電保護(hù)器含有一組電極的陶瓷或玻璃管封裝體。電極之間充有惰性氣體，如氬或氖。當(dāng)達(dá)到點(diǎn)火電壓時(shí)，保護(hù)元件快速變?yōu)榈妥杩範(fàn)顟B(tài)，可以排放10 kA（8/20 μs）以下的瞬態(tài)電流。其動(dòng)作時(shí)間在毫微秒范圍內(nèi)。其缺點(diǎn)是點(diǎn)火性能受到時(shí)間的限制以及可能出現(xiàn)電源續(xù)流。氣體放電保護(hù)器點(diǎn)火以后，電壓超過(guò)24 V的低阻抗電路尤其容易將原本只希望持續(xù)寥寥幾微秒，因充氣式放電器引起的短路繼續(xù)保持下去。其結(jié)果是充氣式放電器在剎那間爆裂。因此，采用氣體放電保護(hù)器的過(guò)電壓保護(hù)線路里，應(yīng)預(yù)設(shè)一個(gè)短路器，以便在極短的時(shí)間內(nèi)將電路中斷。

1.3 壓敏電阻

壓敏電阻可以在大功率電流排放以后，繼續(xù)調(diào)低殘余電壓的水平。壓敏電阻在尺寸與氣體放電管放電器基本相同的情況下無(wú)法泄放很大的電流。然而，它在毫微秒范圍內(nèi)動(dòng)作時(shí)間過(guò)程中反應(yīng)速度要更快，而且沒(méi)有電流續(xù)流的問(wèn)題。其缺點(diǎn)在于壓敏電阻的老化和電容相當(dāng)高。

1.4 抑制二級(jí)管

作為高靈敏度保護(hù)元件可以使用反應(yīng)速度極快的抑制二級(jí)管。其動(dòng)作時(shí)間可以達(dá)到納秒級(jí)，電壓限制也同樣很好，約為額定電壓的1.8倍。其缺點(diǎn)是電流負(fù)荷量小和電容量相當(dāng)高兩個(gè)方面。

人們十分希望充分利用氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管等各自優(yōu)點(diǎn)而摒棄其缺點(diǎn)。當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)時(shí)，抑制二極管作為速度最快的元件首先動(dòng)作。線路設(shè)計(jì)為，在抑制二級(jí)管可能被毀壞之前，放電電流即隨著幅值的上升轉(zhuǎn)換到前置的放電路徑上，即氣體放電管式放電器。如果放電電流小于該值，則氣體放電管不動(dòng)作（如圖1所示）。

圖1

采用這種線路不僅可以在低保護(hù)電平的條件下利用放電器動(dòng)作迅速的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以達(dá)到很高的放電容量。這樣就可以消除抑制二極管過(guò)載以及熔斷器在出現(xiàn)電源續(xù)流時(shí)頻繁切斷電路的缺點(diǎn)。

2 浪涌保護(hù)器的分類(lèi)

浪涌保護(hù)器按工作原理可以分為限壓型、電壓開(kāi)關(guān)型和組合型。在沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)呈現(xiàn)高阻抗，一旦有雷電瞬時(shí)過(guò)電壓，阻抗就突變?yōu)榈妥杩?，允許雷電流通過(guò)，稱為電壓開(kāi)關(guān)型SPD或短路開(kāi)關(guān)型。當(dāng)沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)，為高阻抗，但隨電涌電流和電壓的增加，其阻抗會(huì)不斷減小，其電流電壓特性為強(qiáng)烈非線性，被稱為限壓型SPD或鉗壓型SPD。組合型SPD是由電壓開(kāi)關(guān)型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為電壓開(kāi)關(guān)或限壓型或兩者兼有的特性，這決定于所加電壓的特性。

浪涌保護(hù)器按用途可以分為電源線路和信號(hào)線路的浪涌保護(hù)器。電源的過(guò)電壓保護(hù)一般分為三個(gè)保護(hù)級(jí)。電源的初級(jí)保護(hù)安裝在電源的總?cè)肟?，用雷電電流放電器。由于后續(xù)設(shè)備承受的殘壓仍舊過(guò)高，必須安裝過(guò)電壓防雷器作為二級(jí)保護(hù)設(shè)備。作為三級(jí)設(shè)備保護(hù)的過(guò)電壓防雷器應(yīng)直接安裝在設(shè)備前面。信息線路的過(guò)電壓保護(hù)一般也分為三級(jí)。數(shù)據(jù)、電訊和MCR技術(shù)領(lǐng)域的接口靈敏度大大高于終端設(shè)備和電源入口。因此，數(shù)據(jù)接口必須有高靈敏度的防護(hù)。此類(lèi)防雷器一般安裝于數(shù)據(jù)導(dǎo)線進(jìn)入保護(hù)范圍的入口處。與電源系統(tǒng)內(nèi)放電器所采用的并聯(lián)技術(shù)相反，MCR設(shè)備和數(shù)據(jù)處理器的過(guò)電壓保護(hù)裝置采用串聯(lián)方式接入傳輸導(dǎo)線。因此，相應(yīng)的放電器必須在信息系統(tǒng)的兩側(cè)，即發(fā)射器和接收器前同時(shí)安裝。

3 浪涌保護(hù)器的關(guān)鍵參數(shù)

最大放電電流Imax：流過(guò)SPD，具有8/20 μs波形的放電電流的峰值。

標(biāo)稱放電電流In：流過(guò)SPD具有8/20 μs形式的電流峰值。用于Ⅱ級(jí)實(shí)驗(yàn)的SPD分級(jí)以及Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)實(shí)驗(yàn)的SPD預(yù)處理實(shí)驗(yàn)。

標(biāo)稱電壓UN：SPD保護(hù)設(shè)備的工作電壓。

最大持續(xù)工作電壓Uc：允許持久地施加在SPD上的最大交流電壓有效值或直流電壓。

殘壓：當(dāng)放電電流通過(guò)時(shí)所達(dá)到的額定峰值電壓。電壓保護(hù)水平Up：表征SPD限制接線端子間電壓的性能參數(shù)。

4 浪涌保護(hù)器的選型原則及選型案例

4.1 選型原則

浪涌保護(hù)器的選型原則應(yīng)考慮被保護(hù)設(shè)備的重要程度和價(jià)值，被保護(hù)設(shè)備所處雷擊區(qū)的雷電浪涌強(qiáng)度，被保護(hù)設(shè)備對(duì)雷電浪涌的暴露程度。根據(jù)所選擇的電涌保護(hù)器和預(yù)期的環(huán)境影響，保護(hù)系統(tǒng)的電源和設(shè)備所需的保護(hù)措施被分為三級(jí)。分別對(duì)應(yīng)國(guó)際GB50057-94（2000版）的耐沖擊過(guò)電壓類(lèi)別的Ⅳ類(lèi)6 kV、Ⅲ類(lèi)4 kV、Ⅱ類(lèi)2.5 kV、Ⅰ類(lèi)1.5 kV的Ⅰ級(jí)（B）、Ⅱ級(jí)（C）、Ⅲ級(jí)（D）電涌保護(hù)器（SPD）。各級(jí)保護(hù)裝置在浪涌放電能力水平和保護(hù)級(jí)別上有所不同。在傳統(tǒng)三級(jí)保護(hù)概念下，其結(jié)構(gòu)如表1。

表1

4.2 選型步驟

1）劃定雷電保護(hù)區(qū)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將防雷區(qū)分為：LPZ0A，LPZ0B，LPZ1，LPZn+1后續(xù)防雷區(qū)。所有進(jìn)入建筑物的外來(lái)導(dǎo)電物均在LPZ0A或LPZ0B與LPZ1區(qū)交界處做等電位連接，并設(shè)置浪涌保護(hù)器，如有后續(xù)分區(qū)，一般也適用此原則。

2）根據(jù)雷擊風(fēng)險(xiǎn)及保護(hù)系統(tǒng)的重要性，確定雷電防護(hù)等級(jí)。在LPZ0區(qū)與LPZ1區(qū)交界處應(yīng)安裝Ⅰ級(jí)分類(lèi)實(shí)驗(yàn)的SPD或限壓型SPD作為第一級(jí)保護(hù)，在LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)交界處應(yīng)安裝限壓型SPD作為第二級(jí)保護(hù)，在終端設(shè)備前段安裝限壓型SPD作為第三級(jí)保護(hù)。

3）根據(jù)雷電流分流計(jì)算及被保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，選擇確定浪涌保護(hù)器的各相關(guān)參數(shù)。

4.3 浪涌保護(hù)器在計(jì)算機(jī)機(jī)房防雷設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用

4.3.1 基本情況

機(jī)房位于辦公樓2樓，機(jī)房面積：11 m×6 m。供電采用1路AC380V電源由總配電房至辦公樓2樓機(jī)房，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備通過(guò)1臺(tái)UPS供電。機(jī)房?jī)?nèi)有1臺(tái)交換機(jī)，1臺(tái)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)引入線和內(nèi)部局域網(wǎng)采用雙絞線傳輸。機(jī)房?jī)?nèi)部無(wú)接地引入線，可從機(jī)房主鋼筋引出。

4.3.2 設(shè)計(jì)說(shuō)明

在對(duì)該建筑物進(jìn)行充分的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，綜合考慮從供電、信號(hào)、接地三個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，以最大限度地減輕雷電災(zāi)害。

4.3.2.1 供電部分

1）在總配電房1路AC380V市電輸入母線上安裝1套FLT-CP-PLUS-3S-350（以德國(guó)菲尼克斯防雷為例）電源避雷器，作為電源第一級(jí)保護(hù)。主要為了避免由室外感應(yīng)的強(qiáng)大過(guò)電壓波侵入室內(nèi)低壓配電系統(tǒng)。為了以后維護(hù)方便，應(yīng)在避雷器的并聯(lián)支路上串聯(lián)安裝空氣開(kāi)關(guān)，以便于避雷器及時(shí)、方便地與主供電線路斷開(kāi)。

2）在辦公樓2樓機(jī)房配電箱內(nèi)加裝1套VAL-CP-3S-350電源避雷器，對(duì)機(jī)房供電線路提供保護(hù)。配電箱內(nèi)應(yīng)預(yù)留4P空氣開(kāi)關(guān)位置，如無(wú)安裝位置，應(yīng)在配電箱旁邊就近單獨(dú)安裝避雷器箱體。

3）在機(jī)房?jī)?nèi)UPS電源輸出線上安裝1套VAL-MS230/1+1電源避雷器，作為機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備供電的第三級(jí)保護(hù)。

4）對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的重要設(shè)備，服務(wù)器、交換機(jī)等，應(yīng)考慮對(duì)設(shè)備的末端電源加裝CBT-GOALIE防雷插座，作為重要設(shè)備的末端保護(hù)。

4.3.2.2 信號(hào)部分

1）室外遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)引入干線和內(nèi)部局域網(wǎng)采用雙絞線傳輸，應(yīng)在設(shè)備前端加裝網(wǎng)絡(luò)保護(hù)器，以防止設(shè)備遭雷擊電磁脈沖干擾或損壞，造成數(shù)據(jù)丟失。

2）設(shè)計(jì)在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)輸入端分別加裝D-LAN-CAT.5E網(wǎng)絡(luò)保護(hù)器，在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)輸出端加裝D-LAN-19"-24網(wǎng)絡(luò)保護(hù)器。

4.3.2.3 接地部分

1）利用大樓本身的結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)作為機(jī)房接地網(wǎng)，從機(jī)房建筑物的兩個(gè)拐角主鋼筋引出兩點(diǎn)，通過(guò)1條40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼將兩點(diǎn)連為一體作為接地干線。

2）在機(jī)房?jī)?nèi)靜電地板下用16mm2紫銅帶敷設(shè)均壓環(huán)，室內(nèi)所有設(shè)備金屬外殼、電纜進(jìn)線的外屏蔽層、靜電地板、光纜金屬加強(qiáng)筋等均應(yīng)就近接到均壓環(huán)上，并通過(guò)大樓的接地系統(tǒng)接地。

5 結(jié)語(yǔ)

浪涌保護(hù)器通過(guò)泄放雷電電流、限制浪涌電壓來(lái)保護(hù)電子設(shè)備，是電子設(shè)備防雷的主要手段，是內(nèi)部防雷的主要組成部分。有效的電涌防護(hù)由評(píng)估潛在的風(fēng)險(xiǎn)和辨別需被保護(hù)的對(duì)象設(shè)備開(kāi)始。采用全面、系統(tǒng)防護(hù)理念——重視所有相關(guān)電源、數(shù)據(jù)、電信接口的防護(hù)。這是對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、工廠設(shè)備、建筑電氣系統(tǒng)等等進(jìn)行全面、有效防護(hù)的唯一方法。

［1］ 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2000：23-25.

［2］ 陳剛.電子信息系統(tǒng)防雷工程中對(duì)浪涌保護(hù)器的選擇與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2011（9）：52-56.

［3］ 林冠文，何慶標(biāo).計(jì)算機(jī)機(jī)房綜合防雷分析［J］.現(xiàn)代建筑電氣，2012（3）：7-10.

［4］ 周中偉，周中意，陳海輝.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的雷電防護(hù)研究［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（6）：194-198.