淺談雷電防護與SPD選擇

宮奇偉 李銳堅

摘 要：電涌保護器（Surge protection Device）是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，過去常稱為"避雷器"或"過電壓保護器"英文簡寫為SPD.電涌保護器的作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入地，保護被保護的設備或系統不受沖擊而損壞。本文主要概述了雷電的產生、雷電的危害及形式；防護區的分類；電氣線路三級防雷；SPD的選擇以及SPD后備保護元器件的選擇等內容。

關鍵詞：雷電；防護；SPD

0 前言

正雷電直擊情況下，由于雷電流有極大峰值和陡度，在它周圍的空間有強大的變化的電磁場，處在這電磁場中的導體會感應出較大的電動勢。當雷電流通過引下線入地時，在小金屬環開口處可感應出高達數千伏的高電壓，足以擊壞附近的電子元器件。而當SPD安裝于界面附近的被保護設備處時，至該設備的線路應能承受所發生的電涌電壓及電流，且線路的金屬保護層或屏蔽層宜首先在界面處做一次等電位聯結，由于弱電系統大量采用了COMS電路，工作電平TTL，極易受到雷擊電磁脈沖的沖擊。輕則造成軟件故障、當機，停工停產。重則造成設備損壞、生產癱瘓。因此應引起各行各業的高度重視。

1 雷電基本知識

1.1雷電產生

大氣中的強對流會伴隨著電荷分布的變化，大氣電場也會隨之發生變化，從而形成雷雨云（專業稱”積雨云”），雷雨云團之間或雷雨云團與大地之間就可能發生劇烈的放電現象，這種強烈的放電就是閃電，又稱雷電或雷擊。

1.2雷電的危害和雷電防護區

⑴雷電危害

直擊雷：直擊雷是雷雨云對大地或建筑物的放電現象。它產生強大的脈沖電流、熾熱的高溫、猛烈的電動力損壞放電通道上的建筑物、輸電線、室外電氣、電子設備，擊死擊傷人員，同時產生的強烈的電磁感應和電磁輻射，對周圍的電氣、電子設備造成損壞或干擾。

雷擊電磁脈沖（LEMP）：雷擊電磁脈沖是由于雷雨云之間和雷雨云與大地之間放電時，產生的電磁感應、電磁輻射以及雷雨云與輸電線靜電感應電荷在雷擊放電瞬間泄放，產生的過電壓、過電流通過連接建筑物內外的各種金屬管道、電源線、信號線、電視天線等進入室內設備，使用電設備損害。

⑵雷電防護區

直擊雷非防護區（LPZOA區）：本區內的各類物體完全暴露在外部防雷裝置的保護范圍之外，都可能遭到直接雷擊；本區內的電磁場未得到任何屏蔽衰減，屬完全暴露的不設防區。

直擊雷防護區（LPZOB區）：本區的各類物體處在外部防雷裝置保護范圍之內，應很少能遭到大于所選滾球半徑的直接雷擊；但本區內電磁場未得到任何屏蔽衰減，屬充分暴露的直擊雷防護區。

第一屏蔽保護區（LPz1區）：本區內的各類物體不可能遭受直接雷擊，流經各類導體的雷電流已經分流，比LPZOB區進一步減小；且由于屏蔽措施，本區的電磁場強度也已得到了初步的衰減。為了進一步減小雷擊電磁脈沖的影響，可設第二屏蔽保護區LPZ2：和第三屏蔽保護區LPZ3。

2 典型雷電描述

2.1雷電波形

⑴10/350uS是時間與電流的曲線，是典型雷電擊穿大地的雷電流曲線，是雷電直接襲擊電力線和避雷針的雷電流曲線。我們一般稱直擊雷波形。

⑵8/20uS是時間與電流的曲線，是典型雷電擊穿大地（避雷針或臨近接閃物）引起的電磁脈沖感應過電壓，這個感應過電壓擊穿、燒毀設備時的電流曲線。我們一般稱感應雷波形。

2.2直擊雷波形和感應雷波形的區別

⑴標準與規定的差異性：IEC國際電工委員會標準IEC1024《建筑設計防雷規范》、IEC1312《雷電電磁脈沖防護》均執行10/350uS和8/20uS雷電波形。國家標準GB11032-2000《交流避雷器》、GB3482-3483-83《電子設備雷擊實驗、導則》均執行8/20uS雷電波形。

⑵根據理論計算，同等雷擊電流作用下，10/350uS和8/20uS雷電焦耳能量之比為17.5（比如：一個8/20uS雷電流10KA其雷電焦耳為1000J，那么，一個10/350uS雷電流10KA其雷電焦耳近似為17500J），10/350uS和8/20uS雷電焦耳能量是有本質上的區別。

⑶2000年10月1日，國家頒布了GB50057-2000《建筑設計防雷規范》標準，第一次強制要求必須執行10/350uS雷電波形，這是我國與國際接軌的第一個雷電防護標準

3 電源線路SPD的選擇要求

3.1 SPD的選擇

⑴保護系統中安裝SPD的數量，依據雷電防護區概念的要求，被保護設備的抗擾能力和雷電防護分級而定。

⑵在LPZ0區與LPZ1區交界處應安裝Ⅰ級分類實驗的SPD或限壓型SPD作為第一級保護；在LPZ1區與LPZ2區交界處應安裝限壓型SPD作為第二級保護；在住宅配電箱輸出端應安裝限壓型SPD作為第三級保護。

⑶SPD連接導線應短而直，其長度不宜大于0.5m。如果電網中有幾個浪涌保護器，它們將會互相影響，并聯的保護器之間必須達到能量的配合才能確保被保護線路的安全。配合的效果是：當由雷電形成一個浪涌過電壓時，電涌保護器（B級）將可靠地響應，帶走高能量的電流，以保護由于過載而損壞其它浪涌保護器（C級或D級）。當SPD具有能量自動配合功能時，線路長度不受上述規定限制。為防止SPD老化造成短路，SPD安裝線路上應有過電流保護裝置，宜選用有劣化顯示功能的SPD。

⑷在電源總配電柜輸出端應安裝標稱放電電流In≥15KA（10/350μs波形）的開關型浪涌保護器；也可安裝標稱放電電流In≥80KA（8/20μs波形）的限壓型SPD作為一級防護。

⑸在分配電柜輸出端應安裝標稱放電電流In≥40KA（8/20μs波形）的限壓型SPD作為二級防護。

⑹在住宅終端配電箱輸出端應安裝標稱放電電流In≥20KA（8/20μs波形）限壓型SPD作為三級防護。

⑺在配電箱輸出端也可安裝混合型或串聯型SPD，其技術指標應滿足設備要求。

3.2 SPD后備保護元件的選擇

基于電氣安全原因，并聯安裝在市電電源的SPD，為防止其失效后造成故障短路，必需在SDP前安裝短路保護器件。SPD的后備保護有熔斷器、斷路器和漏電斷路器三種。

在國內外公司SPD的樣本中，對SPD后備保護的推薦方案比較亂，沒有統一的標準可遵循。國內某公司使用手冊中推薦的熔斷器規格如下：

第一級SPD為開關型15kA，10/350，斷路器為63A；

第二級SPD為限壓型40kA，8/20，斷路器為32A；

第三級SPD為限壓型10kA，8/20，斷路器為16A。

斷路器選擇C脫扣曲線

4 弱電系統SPD選擇中應注意的問題

首先要弄清楚測量和控制系統（或電信系統）是否受電涌威脅，還是也受到首次雷擊分流的威脅；共模保護還是差模保護；是否先用帶去耦電路的SPD；頻率特性的選擇；SPD的標稱通流In；SPD的標稱耐壓Un選擇；線/線或線/低電壓的選擇；SPD的串聯阻抗數據的選擇；SPD的配合特性的選擇；選擇單級還是多級保護。

SPD安裝位置原則上應安裝在各防雷區界面處，并宜靠近建筑入口及被保護設備安裝，當SPD安裝于界面附近的被保護設備處時，至該設備的線路應承受所發生的電涌電壓及電流，在線路的金屬保護層或屏蔽層宜在界面處做一次等電位聯結。

SPD的使用安裝應對低壓電器線路和設備起到電涌保護作用，同時不應因SPD的安裝造成低壓電器系統故障和事故。

5 結論

電涌保護器的電路根據不同需要，有不同的形式，其基本元器件就是上面介紹的幾種，一個技術精通的防雷產品研究工作者，可設計出五花八門的電路，好似一盒積木可搭出不同的結構圖案。研制出既有效又性能價格比好的產品，是防雷工作者的重任。