淺析電涌保護(hù)器的作用

鄭有為

（唐山三友集團(tuán)有限公司，河北唐山 063305）

淺析電涌保護(hù)器的作用

鄭有為

（唐山三友集團(tuán)有限公司，河北唐山 063305）

對(duì)雷擊造成的繼發(fā)電磁脈沖的防護(hù)及電涌保護(hù)器的應(yīng)用進(jìn)行討論。介紹電涌保護(hù)器的原理及應(yīng)用，并提出電涌保護(hù)器在選擇與應(yīng)用中須考慮的若干問(wèn)題。

電涌保護(hù)器；雷擊；位置；電壓保護(hù)水平；通流容量

1 繼發(fā)電磁脈沖的危害

近些年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的突破性進(jìn)展，電氣設(shè)備及其系統(tǒng)的研發(fā)與制造趨向于低壓化、電子化、智能化。DCS集中控制系統(tǒng)、整流及變頻技術(shù)、PLC工業(yè)控制技術(shù)十分普遍的得到了應(yīng)用，人們?cè)谡莆者@些大幅提高生產(chǎn)效率的先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，如何維護(hù)及保持這些設(shè)備的正常運(yùn)行變得迫在眉睫。

由于這些設(shè)備的普遍特點(diǎn)是采用電子化元件作為二次控制，采用電力電子元件作為一次主回路，所以容易受電源波形特性影響，電磁兼容性要求高。這就使得這些設(shè)備在運(yùn)行上高度智能化的同時(shí)，因受電力系統(tǒng)及電磁環(huán)境影響，而造成誤動(dòng)作，由于控制的高度集中化，這些誤動(dòng)作往往會(huì)造成很大范圍的電氣影響。下邊是我身邊最近發(fā)生的幾個(gè)例子：

1）2008年夏天，我市開(kāi)發(fā)區(qū)某公司大樓遭雷擊，造成多部電梯計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、攝像頭、大樓安防系統(tǒng)損壞。

2）2010年冬天，為我集團(tuán)供電的220 k V變電站進(jìn)行主變并列操作，由于PT倒閘操作時(shí)發(fā)生了鐵磁諧振，造成系統(tǒng)電壓波動(dòng)，使我集團(tuán)熱電公司6＃鍋爐的部分給粉機(jī)變頻器跳閘。

3）今年初，我區(qū)某單位由于配電室PEN線虛接，造成了相電壓的波動(dòng)，使很多辦公室的計(jì)算機(jī)主機(jī)發(fā)生了電源盒燒毀的現(xiàn)象。

從長(zhǎng)期實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看：造成這類設(shè)備損壞及誤動(dòng)作的主要原因是系統(tǒng)過(guò)電壓及雷擊造成的繼發(fā)電磁脈沖。由于電氣現(xiàn)象的物理細(xì)節(jié)難于觀察，而造成的結(jié)果往往相同，故采取防范措施是很重要的。

2 利用電涌保護(hù)器預(yù)防雷擊

原有的建筑物防雷措施主要是外部防雷裝置（包括：接閃器、引下線和接地裝置）及內(nèi)部防雷裝置（包括等電位連接）。由于現(xiàn)代建筑物的防雷對(duì)象發(fā)生了顯著的變化。閃電電涌的預(yù)防變得十分重要。閃電電涌的產(chǎn)生主要有兩種方式：一是閃電擊于防雷裝置或線路上，雷電流流經(jīng)引下線和接地裝置時(shí)產(chǎn)生較高的電位對(duì)附近電氣和電子系統(tǒng)造成反擊；二是由雷擊電磁脈沖引發(fā)的過(guò)電壓、過(guò)電流的瞬態(tài)變化。現(xiàn)在看來(lái)，僅有內(nèi)部、外部防雷裝置既不能避免雷擊電磁脈沖的影響，也不能實(shí)際的防止雷電反擊。為了保護(hù)建筑物內(nèi)設(shè)備，還必須安裝電涌保護(hù)器，電涌保護(hù)器與內(nèi)、外防雷裝置相配合能有效的泄放雷電流。

按照IEC的定義：電涌保護(hù)器是“用于限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分泄電涌電流的器件。它至少含有一個(gè)非線性元件。”電涌保護(hù)器的基本功能限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分泄電涌電流都是通過(guò)這個(gè)非線性元件完成的，該元件在系統(tǒng)正常時(shí)維持極高的阻抗性質(zhì)，當(dāng)電涌到來(lái)時(shí)能在及其短暫的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩乖沟闷渌诰€路的電壓保持在較低水平，并使大部分電涌電流經(jīng)電阻較低的該回路泄放掉。電涌保護(hù)器按類型可分為不連續(xù)的開(kāi)關(guān)型電涌保護(hù)器和連續(xù)的箝壓型電涌保護(hù)器及兩者的組合型電涌保護(hù)器。

3 電涌保護(hù)器的選擇與應(yīng)用

3.1 電涌保護(hù)器的安裝位置

電涌保護(hù)器的安裝位置是以防雷分區(qū)為依據(jù)的，通常會(huì)按照電磁場(chǎng)的衰減程度將防雷區(qū)劃為：LPZ 0A、LPZ 0B、LPZ 1、LPZ 2、......LPZ n。根據(jù)安培環(huán)路定律：H＝I／L，其中，H是磁場(chǎng)強(qiáng)度，I是通過(guò)雷擊點(diǎn)的電流，L是以雷擊點(diǎn)為圓點(diǎn)，雷擊點(diǎn)至計(jì)算點(diǎn)的距離為半徑的環(huán)形周長(zhǎng)。在不考慮屏蔽措施的情況下，應(yīng)該以空間距離為主要考慮防雷分區(qū)的根據(jù)，不能按建筑物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的劃分。依據(jù)《GB50057建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（2010版）的原則：安裝的電涌保護(hù)器越靠近入戶線路處即安裝總配電箱處，其保護(hù)到的設(shè)備越多；電涌保護(hù)器越靠近需要保護(hù)的設(shè)備，其保護(hù)越有效。因此，電涌保護(hù)器的安裝位置要綜合考慮防雷分區(qū)及經(jīng)濟(jì)利益等方面，做出經(jīng)濟(jì)合理的安裝配置。

3.2 各級(jí)電涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平U p要與其保護(hù)的電氣設(shè)備耐沖擊電壓U w相配合

220／380V三相電源配電系統(tǒng)中設(shè)備絕緣耐沖擊電壓額定值如表1。電涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平Up應(yīng)小于被保護(hù)設(shè)備類型的耐沖擊電壓，并大于在特定接地形式下電網(wǎng)的最高運(yùn)行電壓。

表1 220／380V三相電源配電系統(tǒng)中設(shè)備絕緣耐沖擊電壓額定值

3.3 各級(jí)電涌保護(hù)器通流容量的考慮及其配合

在雷電流作用下，電涌保護(hù)器動(dòng)作并于建筑物防雷接地裝置配合泄放雷電流，雷電流一部分經(jīng)防雷接地裝置導(dǎo)入大地，一部分經(jīng)外來(lái)管線導(dǎo)走，余下的部分經(jīng)電涌保護(hù)器泄放。這就涉及到電涌保護(hù)器通流容量的選擇及各級(jí)保護(hù)器的配合。如果電涌保護(hù)器選用不當(dāng)，流過(guò)保護(hù)器的電流大于其最大通流容量的限值，那么電涌保護(hù)器將發(fā)生諸如閃絡(luò)，穿孔，燒毀，爆炸等事故，電涌保護(hù)器也將起不到應(yīng)有的作用。因此通流容量是電涌保護(hù)器在雷擊情況下動(dòng)作可靠性的主導(dǎo)性因素，也決定了電涌保護(hù)器的價(jià)格，還是各級(jí)電涌保護(hù)器協(xié)調(diào)配合的主要內(nèi)容。電涌保護(hù)器通流容量限值取決于電涌發(fā)生的方式，電涌發(fā)生的方式主要有3種：閃電靜電感應(yīng)電涌、直擊雷電涌及閃電電涌入侵。閃電靜電感應(yīng)電涌的概率比較大，但是其能量很小；閃電電涌入侵的概率也比較大，但是這種電涌的電壓受到一定限值，而且沿線有一定的行波阻抗，從而限制了電涌電流，所以這種電涌的能量也不很大。當(dāng)建筑物受到直擊雷時(shí)，建筑物內(nèi)電氣系統(tǒng)的地電位突然升高，由于當(dāng)今接地電阻最低值是做到1Ω以下，所以假定10 k A的直擊雷電流流過(guò)，其接地裝置的電壓也能達(dá)到10 k V左右，這一電壓值足以擊穿目前任何低壓電氣電子設(shè)備。盡管建筑物遭受直擊雷的概率非常低，但是作為通流容量的上限值，其仍是選擇電涌保護(hù)器的依據(jù)。

第一級(jí)電涌保護(hù)器通流容量的確定：如3.2中所述，第一級(jí)電涌保護(hù)器安裝于LPZ 0A或LPZ 0B進(jìn)入LPZ 1區(qū)界面位置。直擊雷的雷擊電流經(jīng)建筑物接地裝置及所有進(jìn)出建筑物的線路泄流（如圖1）。進(jìn)戶管線基本為3種——通信線路、配電線路、水暖線路。每種線路分流為1／6，由于配電線路為3相線，所以流經(jīng)電涌保護(hù)器每一相的電涌電流為1／18。按照《GB50057－2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄F第二類防雷建筑物首次正極性雷擊的雷電流參量計(jì)算，第二類防雷建筑物的雷電流為150 k A，電涌保護(hù)器每相的雷擊電涌電流為8.33 k A。考慮其它一些減少電涌保護(hù)器分流的因素，實(shí)際流過(guò)電涌保護(hù)器的電涌電流要小于上述計(jì)算值。由于耐得起10／350μs典型波形的部分雷電流的電涌保護(hù)器用Iimp電流做檢驗(yàn)，故該處應(yīng)選用Ⅰ級(jí)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器。

第二級(jí)別電涌保護(hù)器的確定：在防雷系統(tǒng)中一般是多級(jí)電涌保護(hù)器配合使用，后級(jí)電涌保護(hù)器泄放的主要是前級(jí)電涌保護(hù)器的殘壓及閃電入侵電涌、感應(yīng)電涌及系統(tǒng)操作過(guò)電壓。因此通常用8／20 μs電流波形，用Ⅱ級(jí)試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。第三級(jí)電涌保護(hù)器一般位于設(shè)備附近，用來(lái)保護(hù)設(shè)備，流經(jīng)此處的一級(jí)電涌保護(hù)器殘壓已經(jīng)很小，其主要作用已經(jīng)不是限制電涌電流而是限制電涌電壓，其同流容量不必太大，故以Ⅲ級(jí)試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。

圖1 直擊雷的雷擊電流經(jīng)建筑物泄流

4 總 結(jié)

綜上所述，在電氣設(shè)備的電子化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)下，相應(yīng)的對(duì)電磁兼容要求不斷提高，防護(hù)過(guò)電壓的手段也在不斷提高，電涌保護(hù)器的應(yīng)用及其與建筑物防雷設(shè)備的配合使用能有效的保護(hù)電氣設(shè)備。電涌保護(hù)器的選擇及應(yīng)用應(yīng)根據(jù)具體的防雷分區(qū)及經(jīng)濟(jì)利益來(lái)考慮，以便在設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)上做到經(jīng)濟(jì)合理。

［1］ 林維勇，張豐收.SPD設(shè)計(jì)使用中若干問(wèn)題的討論［J］.電氣應(yīng)用，2005（8）.16－21

［2］ 葉蜚譽(yù).建筑物電源電涌保護(hù)設(shè)計(jì)若干問(wèn)題［J］.電氣工程應(yīng)用，2003（1，2）

［3］ GB50057－2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

TQ 086.1

B

1005－8370（2012）03－44－03

2012－03－31

鄭有為（1982—），畢業(yè)于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，在唐山三友化工股份有限公司從事電氣方面的技術(shù)、設(shè)計(jì)工作，助理工程師。主要項(xiàng)目：“濃海水綜合利用項(xiàng)目”的防雷接地、照明和部分動(dòng)力配電設(shè)計(jì)，“新節(jié)能蒸餾項(xiàng)目”鹽泥壓濾部分、“鹽泥回收再利用項(xiàng)目”（既碳酸鈣生產(chǎn)工藝）的動(dòng)力、照明、防雷接地設(shè)計(jì)。