引言
雷電災(zāi)害是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一,全世界每年因雷電災(zāi)害造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)。隨著電子、微電子集成化設(shè)備的大量應(yīng)用,雷電過(guò)電壓和雷擊電磁脈沖所造成的系統(tǒng)和設(shè)備的損壞越來(lái)越多。因此,盡快解決建筑物和電子信息系統(tǒng)雷電災(zāi)害防護(hù)問(wèn)題顯得十分重要。
隨著相關(guān)設(shè)備對(duì)防雷要求的日益嚴(yán)格,安裝浪涌保護(hù)器(Surge Protection Device, SPD)抑制線路上的浪涌和瞬時(shí)過(guò)電壓、泄放線路上的過(guò)電流成為現(xiàn)代防雷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一。
1 雷電的特性
防雷包括外部防雷和內(nèi)部防雷。外部防雷以避雷針(帶、網(wǎng)、線)、引下線、接地裝置為主,其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲,將可能擊中建筑物的雷電通過(guò)避雷針(帶、網(wǎng)、線)、引下線等泄放入大地。內(nèi)部防雷包括防雷電感應(yīng)、線路浪涌、地電位反擊、雷電波入侵以及電磁與靜電感應(yīng)的措施。其基本方法是采用等電位聯(lián)結(jié),包括直接連接和通過(guò)SPD間接連接,使金屬體、設(shè)備線路與大地形成一個(gè)有條件的等電位體,將因雷擊和其他浪涌引起的內(nèi)部設(shè)施分流和感應(yīng)的雷電流或浪涌電流泄放入大地,從而保護(hù)建筑物內(nèi)人員和設(shè)備的安全。
雷電的特點(diǎn)是電壓上升非?？?10μs以內(nèi)),峰值電壓高(數(shù)萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)伏),電流大(幾十至幾百千安),維持時(shí)間較短(幾十至幾百微秒),傳輸速度快(以光速傳播),能量非常巨大,是浪涌電壓中最具破壞力的一種。
2 浪涌保護(hù)器的分類
SPD是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置,其作用是把竄入電力線、信號(hào)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)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊。
2. 1 按工作原理分類
按其工作原理分類, SPD可以分為電壓開關(guān)型、限壓型及組合型。
(1)電壓開關(guān)型SPD。在沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)呈現(xiàn)高阻抗,一旦響應(yīng)雷電瞬時(shí)過(guò)電壓,其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?允許雷電流通過(guò),也被稱為“短路開關(guān)型SPD”。
(2)限壓型SPD。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,有時(shí)被稱為“鉗壓型SPD”。
(3)組合型SPD。由電壓開關(guān)型組件和限壓型組件組合而成,可以顯示為電壓開關(guān)型或限壓型或兩者兼有的特性,這決定于所加電壓的特性。
2. 2 按用途分類
按其用途分類, SPD可以分為電源線路SPD和信號(hào)線路SPD兩種。
2. 2. 1 電源線路SPD
由于雷擊的能量是非常巨大的,需要通過(guò)分級(jí)泄放的方法,將雷擊能量逐步泄放到大地。在直擊雷非防護(hù)區(qū)(LPZ0A)或在直擊雷防護(hù)區(qū)(LPZ0B)與第一防護(hù)區(qū)(LPZ1)交界處,安裝通過(guò)Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器或限壓型浪涌保護(hù)器作為第一級(jí)保護(hù),對(duì)直擊雷電流進(jìn)行泄放,或者當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時(shí),將傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放。在第一防護(hù)區(qū)之后的各分區(qū)(包含LPZ1區(qū))交界處安裝限壓型浪涌保護(hù)器,作為二、三級(jí)或更高等級(jí)保護(hù)。第二級(jí)保護(hù)器是針對(duì)前級(jí)保護(hù)器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護(hù)設(shè)備,在前級(jí)發(fā)生較大雷擊能量吸收時(shí),仍有一部分對(duì)設(shè)備或第三級(jí)保護(hù)器而言是相當(dāng)巨大的能量,會(huì)傳導(dǎo)過(guò)來(lái),需要第二級(jí)保護(hù)器進(jìn)一步吸收。同時(shí),經(jīng)過(guò)第一級(jí)防雷器的傳輸線路也會(huì)感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射。當(dāng)線路足夠長(zhǎng)時(shí),感應(yīng)雷的能量就變得足夠大,需要第二級(jí)保護(hù)器進(jìn)一步對(duì)雷擊能量實(shí)施泄放。第三級(jí)保護(hù)器對(duì)通過(guò)第二級(jí)保護(hù)器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐壓等級(jí),假如兩級(jí)防雷就可以做到限制電壓低于設(shè)備的耐壓水平,就只需要做兩級(jí)保護(hù);假如設(shè)備的耐壓水平較低,可能需要四級(jí)甚至更多級(jí)的保護(hù)。
選擇SPD,首先需要了解一些參數(shù)及其工作原理。
(1) 10/350μs波是模擬直擊雷的波形,波形能量大; 8/20μs波是模擬雷電感應(yīng)和雷電傳導(dǎo)的波形。
(2)標(biāo)稱放電電流In是指流過(guò)SPD、8/20μs電流波的峰值電流。
(3)最大放電電流Imax又稱為最大通流量,指使用8/20μs電流波沖擊SPD一次能承受的最大放電電流。
(4)最大持續(xù)耐壓Uc(rms)指可連續(xù)施加在SPD上的最大交流電壓有效值或直流電壓。
(5)殘壓Ur指在額定放電電流In下的殘壓值。
(6)保護(hù)電壓Up表征SPD限制接線端子間的電壓特性參數(shù),其值可從優(yōu)選值的列表中選取,應(yīng)大于限制電壓的最高值。
(7)電壓開關(guān)型SPD主要泄放的是10/350μs電流波,限壓型SPD主要泄放的是8/20μs電流波。
電源線路的SPD參數(shù)選擇如表1所示。
表1 電源線路SPD參數(shù)選擇
防護(hù)級(jí)別SPD類型波形/μs通流/kA安裝位置保護(hù)水平Up/kV第一級(jí)電壓開關(guān)型10/350 >15總配電處<2. 5第一級(jí)限壓型8/20 60總配電處<2. 5第二級(jí)限壓型8/20 20~40分配電處(樓層配電處) <1. 8第三級(jí)限壓型8/20 5~10設(shè)備前端(機(jī)房配電處) <1. 2按照規(guī)范要求,電源第一級(jí)SPD安裝在建筑物電氣裝置的電源進(jìn)線處。一般情況下,應(yīng)選擇電壓開關(guān)型SPD,但如果該處電源線路全部有良好的屏蔽(如穿金屬管、埋地)進(jìn)入,則可以選用限壓型SPD。電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度不宜小于10 m,限壓型SPD之間的線路長(zhǎng)度不宜小于5 m。如果小于規(guī)定的長(zhǎng)度,則應(yīng)在兩級(jí)SPD之間串聯(lián)加裝去耦電感。由于SPD的最大浪涌電壓為其保護(hù)電壓Up+UL(SPD兩端引線的感應(yīng)電壓),因此為使SPD最大的電涌電壓足夠低,其兩端的引線應(yīng)最短,一般不超過(guò)0. 5 m。
SPD安裝在線路中,當(dāng)有過(guò)電壓或過(guò)電流出現(xiàn)時(shí), SPD將對(duì)地導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)對(duì)地分流,從而達(dá)到間接等電位的目的。對(duì)于不同的接地系統(tǒng), SPD的接線方法不一樣,一般有對(duì)地法和N-PE法兩種保護(hù),如圖1所示。除TT系統(tǒng)SPD安裝在剩余電流保護(hù)器的電源側(cè)必須用N-PE法以外,一般均使用對(duì)地法。
圖1 SPD接線圖
2. 2. 2 信號(hào)線路SPD
隨著信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,由于網(wǎng)絡(luò)線路多,電子設(shè)備的耐壓水平低,雷擊對(duì)信息系統(tǒng)的危害越來(lái)越大。雷電對(duì)信息系統(tǒng)的危害主要是雷擊電磁脈沖造成的,包括沿線路傳導(dǎo)的雷電過(guò)電壓波、雷電流在接地線產(chǎn)生的高電位反擊、雷擊電磁場(chǎng)的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。對(duì)電磁脈沖的防護(hù)措施有攔截、分流、等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、接地、合理布線等。在信號(hào)線路上安裝SPD是信息系統(tǒng)防電磁脈沖的一個(gè)重要措施,它可以同時(shí)起到攔截、分流、等電位聯(lián)結(jié)的作用。信號(hào)線路SPD應(yīng)連接在被保護(hù)設(shè)備的信號(hào)端口上。其輸出端與被保護(hù)設(shè)備的端口相連,有串接和并接之分(見(jiàn)圖2),一般是串聯(lián)安裝在信號(hào)線路上。因此,在選擇信號(hào)SPD時(shí),應(yīng)選用插入損耗較小的SPD。
圖2 信號(hào)SPD的安裝連接
限壓型電涌保護(hù)器產(chǎn)品的核心元件為氧化鋅壓敏電阻(MOV)。其失效后電涌保護(hù)器有可能出現(xiàn)兩類故障狀況,一類是熱擊穿造成L-N/PE線間接地短路,其電流值可使后備過(guò)電流保護(hù)元件動(dòng)作;另一類是由于接地故障電流小,過(guò)流保護(hù)元件不動(dòng)作,MOV因發(fā)熱起火,因此必須在位于電涌保護(hù)器外部的前端裝設(shè)后備保護(hù)元件。其作用是當(dāng)電涌保護(hù)器不能切斷工頻短路電流時(shí),過(guò)電流保護(hù)電器動(dòng)作,把電涌保護(hù)器從并聯(lián)線路中斷開,使電涌保護(hù)器不會(huì)引起過(guò)熱而導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等事故,同時(shí)可保證電源的持續(xù)供電。
正確、合理地選用后備保護(hù)元件,直接關(guān)系到系統(tǒng)及電涌保護(hù)器的安全性和可靠性。后備保護(hù)元件與SPD配合后,應(yīng)可保護(hù)在額定電涌電流作用時(shí)后備保護(hù)元件不動(dòng)作,保證電涌電流的正常泄放,同時(shí)其作用在支路上的殘壓Ur低于用電設(shè)備的保護(hù)水平Up,以保證系統(tǒng)及用電設(shè)備安全。
目前多數(shù)SPD產(chǎn)品選擇熔斷器、微型斷路器做其后備保護(hù),其額定電流的選擇可參照表2。
表2 額定電流
4 結(jié) 語(yǔ)
SPD的應(yīng)用范圍主要是電子信息系統(tǒng)中低壓供配電系統(tǒng)的電源保護(hù)和電子信息系統(tǒng)的信號(hào)傳輸線路保護(hù)。前者是為了抑制由電源線路進(jìn)入的雷擊電磁脈沖干擾,后者是為了抑制由信號(hào)線路進(jìn)入的雷擊電磁脈沖干擾。兩者的保護(hù)對(duì)象都是電子信息系統(tǒng)的設(shè)備、器件。由于這些設(shè)備、器件主要是微電子結(jié)構(gòu),在相同雷擊電磁脈沖下,比供配電設(shè)備要脆弱得多,在較小的過(guò)電壓下很容易將微電子結(jié)構(gòu)的設(shè)備、器件損壞。