淺談SPD在建筑物電子信息系統(tǒng)中的防雷

李郭然 蔣玉坤 彭書(shū)林 牛建仁

摘 要：本文通過(guò)對(duì)建筑防雷的認(rèn)識(shí)，針對(duì)建筑物內(nèi)電子信息系統(tǒng)的SPD防雷原理做了說(shuō)明，并對(duì)電子信息系統(tǒng)SPD防雷設(shè)計(jì)方案中應(yīng)遵循的技術(shù)規(guī)則及安裝要求進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：建筑物；防雷；SPD

1、引言

雷電是一種大氣放電現(xiàn)象，產(chǎn)生于積雨云中，積雨云在形成過(guò)程中，某些云團(tuán)帶正電荷，某些云團(tuán)帶負(fù)電荷。它們對(duì)大地的靜電感應(yīng)，使地面或建筑物表面產(chǎn)生異性電荷，當(dāng)電荷積聚到一定程度時(shí)，不同電荷云團(tuán)之間，或云團(tuán)與大地之間的電場(chǎng)強(qiáng)度可以擊穿空氣（一般為25-30kV/cm），開(kāi)始游離放電。雷電的形成要經(jīng)過(guò)先到放到到主放電階段，在主放電階段里，會(huì)出現(xiàn)很大的雷電流（一般為幾十kA至幾百kA），并隨之發(fā)生強(qiáng)烈的閃電和巨響，這就形成了雷電[1]。

雷電是一種古老而又神秘的自然現(xiàn)象。在人類(lèi)社會(huì)歷史的各個(gè)時(shí)期都記錄著人與雷電抗?fàn)幍慕?jīng)驗(yàn)。雷電危害可分為直擊雷和感應(yīng)雷兩種，直擊雷是雷云之間對(duì)建筑物的放電現(xiàn)象，雷電放電過(guò)程中伴隨著強(qiáng)大的電流脈沖、極高的溫度及強(qiáng)烈的機(jī)械力破壞放電路徑上的建筑物、電子設(shè)備甚至危害人生安全[2]。感應(yīng)雷是雷云與大地之間放電時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射形成過(guò)電壓對(duì)建筑物內(nèi)外的金屬管道、信號(hào)線、室內(nèi)電子設(shè)備的損害。在建筑物中的防雷方案中可區(qū)分為外部防雷和內(nèi)部防雷，外部防雷主要對(duì)直擊雷的防護(hù)，通常的做法就是利用富蘭克林避雷針接引雷電流，通過(guò)引下線與接地極把雷電流安全泄放到大地從而保護(hù)建筑物避免雷電的傷害。建筑物中的內(nèi)部防雷主要是對(duì)雷電流侵入引起的過(guò)電壓對(duì)建筑物內(nèi)的供電系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、精密電子設(shè)備等的干擾和損壞[3]。

2、SPD防雷原理

建筑物內(nèi)部防雷通常是做等電位連接，屏蔽以及接地措施，所有建筑物內(nèi)的大尺寸金屬部件、電器設(shè)備等都做等電位連接在一起，并與外部防雷裝置相連。在信息時(shí)代的今天，以集成電路為核心組件的通信計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控等先進(jìn)電子設(shè)備出現(xiàn)在人們現(xiàn)代生活的各個(gè)領(lǐng)域，精密儀器對(duì)雷電涌非常敏感，除了通常的等電位連接外大部分的電子信息設(shè)備都需要近距離的高精度防雷保護(hù)。

目前比較常用的建筑物內(nèi)電子信息設(shè)備的防雷保護(hù)主要是利用SPD（Surge protection Device）電涌保護(hù)器對(duì)建筑物內(nèi)雷電引起的過(guò)電壓電涌進(jìn)行保護(hù)實(shí)現(xiàn)極短時(shí)間內(nèi)對(duì)過(guò)電流進(jìn)行分流泄放的功能[4]。SPD是用于限制瞬態(tài)過(guò)電壓和泄放浪涌電流的電器，器件內(nèi)有非線性元件，可分為電壓開(kāi)關(guān)型浪涌保護(hù)器與電壓限制型浪涌保護(hù)器兩種，SPD工作原理如圖1所示：

圖1 SPD安裝示意圖[5]

如圖1所示SPD安裝示意圖，其基本工作原理是SPD在正常情況時(shí)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，當(dāng)電子信息設(shè)備電路遭遇過(guò)電壓時(shí)，SPD呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，在納秒級(jí)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)低阻導(dǎo)通，瞬間泄放能力到大地，將過(guò)電壓控制到一定水平，當(dāng)瞬態(tài)雷擊過(guò)電壓消失后，SPD立即就恢復(fù)到了高阻狀態(tài)，熄滅在過(guò)電壓通過(guò)后產(chǎn)生的工頻續(xù)流從而保護(hù)設(shè)備不被雷電過(guò)電壓傷害[6]。

根據(jù)GB50343（2012版）建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范電壓開(kāi)關(guān)型SPD是指在無(wú)浪涌時(shí)呈高阻抗，當(dāng)出現(xiàn)電壓浪涌時(shí)突變?yōu)榈妥杩梗ǔ２捎梅烹婇g隙、氣體放電管、晶閘管和三端雙向可控硅元件作為這類(lèi)浪涌保護(hù)器的組件。電壓限制型SPD是指在無(wú)浪涌時(shí)呈高阻抗，隨著浪涌電流和電壓的增加其阻抗會(huì)不斷減小，又稱為限壓型SPD，這類(lèi)裝置的常用器件有壓敏電阻和抑制二極管。還有一種組合型SPD即由電壓開(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)型或限壓型或二者兼有的特性，這決定于所加電壓的特性。

3、SPD在電子信息設(shè)備中的防雷方案

建筑物電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)，應(yīng)考慮建筑物的重要性、使用性質(zhì)、周?chē)h(huán)境因素、信息系統(tǒng)設(shè)備的重要性、發(fā)生雷擊事故的可能性和后果的嚴(yán)重程度等因素，采用雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，對(duì)電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)估計(jì)算后，將信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)定為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，采取不同的防護(hù)措施，參照國(guó)標(biāo)GB50343（2012版）建筑物電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)的確定如表一所示：

表一 建筑物電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)

根據(jù)雷電防護(hù)等級(jí)評(píng)估為A、B等級(jí)的電子信息系統(tǒng)，應(yīng)安裝三級(jí)SPD進(jìn)行防護(hù)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為C、D等級(jí)的電子信息系統(tǒng)應(yīng)安裝兩級(jí)SPD防護(hù)，其它類(lèi)型信息設(shè)備及線路SPD的選擇，應(yīng)根據(jù)信息設(shè)備的工作頻率、電壓、阻抗特性、傳輸頻率、頻帶寬度、接口類(lèi)型選用電壓駐波比和插入損耗小的適配的SPD。對(duì)于無(wú)極性的信號(hào)傳輸線路不能靠安裝信號(hào)SPD方法防止雷電感應(yīng)損壞設(shè)備，而應(yīng)對(duì)傳輸線路采用電磁場(chǎng)完善屏蔽或采用特殊結(jié)構(gòu)的線纜實(shí)現(xiàn)防止雷電感應(yīng)損壞設(shè)備。無(wú)極性信號(hào)傳輸線路不能安裝信號(hào)SPD，否則安裝在無(wú)極性信號(hào)傳輸線路的SPD在雷擊瞬間初始階段雷擊電壓達(dá)到峰值之前，由于SPD內(nèi)的瞬態(tài)二極管導(dǎo)通近似短路，設(shè)備的接口板或主板已損壞，解決無(wú)極性信號(hào)傳輸線路防雷的有效措施是對(duì)雷電感應(yīng)采取完善屏蔽或利用損耗型線纜，對(duì)無(wú)極性信號(hào)傳輸線路防雷有良好效果。

建筑物電子系統(tǒng)防雷中在設(shè)計(jì)SPD時(shí)，首先要確定SPD的測(cè)試類(lèi)型，依據(jù)信號(hào)用SPD安裝部位防雷分區(qū)及浪涌進(jìn)入的耦合機(jī)制來(lái)確定。對(duì)建筑物中電子信息系統(tǒng)的保護(hù)使用SPD還應(yīng)當(dāng)確定SPD的保護(hù)水平，要充分從被保護(hù)設(shè)備沖擊抗擾度的基礎(chǔ)上來(lái)確定SPD 的保護(hù)水平，然后通過(guò)設(shè)備所在的防雷區(qū)劃分和設(shè)備所處的電磁環(huán)境上選擇SPD 的類(lèi)型、安裝位置和安裝方法，并確認(rèn)其注意事。

SPD的安裝使用中最重要的要遵循合理的配合，在需要保護(hù)系統(tǒng)中安裝SPD的數(shù)量取決于防雷區(qū)的概念以及保護(hù)設(shè)備的抗擾度和易損性，在對(duì)電子信息設(shè)備的保護(hù)中各SPD的配合應(yīng)避免系統(tǒng)內(nèi)的SPD承受過(guò)分壓力，各個(gè)SPD的壓力取決于他們的安裝位置及性能。只要順序安裝了兩個(gè)及其以上的SPD，就需要遵循SPD與保護(hù)設(shè)備的配合，對(duì)于所有的電涌電流流經(jīng)由任何SPD耗散的部分能量低于或等于它承受的能量的話，能量配合就實(shí)現(xiàn)了，配合的目的就是利用SPD將總威脅設(shè)備安全值減到被保護(hù)設(shè)備能耐受的范圍內(nèi)。各個(gè)SPD承擔(dān)泄放的電涌電流量不超過(guò)額定值，為了確保SPD充分配合好，必須滿足如果電涌電流經(jīng)過(guò)任何SPD耗散的部分能量低于或等于該SPD能承受的能量則實(shí)現(xiàn)了配合，這個(gè)最大耐受能量定義為SPD所能承受不致引起性能惡化的最大能量，為了確保SPD的使用壽命，最好設(shè)計(jì)為SPD的雷電流不超過(guò)SPD標(biāo)稱導(dǎo)通電流。目前的技術(shù)是通過(guò)選擇不使用退藕元件的配合以及使用退藕元件的配合這兩個(gè)原則來(lái)實(shí)現(xiàn)SPD之間的能量配合。不使用退藕元件的配合是以靜態(tài)伏安特性進(jìn)行配合，這種方法不需要退藕元件，退藕是由線路的自然阻抗供給的，這一原則最適合于限壓型SPD。使用退藕元件的配合是使用具有足夠電涌承受能力的阻抗作為退藕元件，退藕元件既可采用分立元件也可采用各防雷區(qū)界面及設(shè)備之間電纜的固有電阻及電感實(shí)現(xiàn)。

在建筑物內(nèi)電子信息設(shè)備防雷中接線中， SPD可連接在L（相線）、N（中性線）、PE（保護(hù)線）間，如L-L、L-N、L-PE、N-PE，這些連接方式稱為保護(hù)模式，它們與供電系統(tǒng)的接地型式有關(guān)。按GB50054-95《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，供電系統(tǒng)的接地形式可分為：TN-S系統(tǒng)（三相五線）、TN-C系統(tǒng)（三相四線）TN-C-S系統(tǒng)（由三相四線改為三相五線）、IT系統(tǒng)（三相三線）和TT系統(tǒng)（三相四線，電源有一點(diǎn)與地直接連接，負(fù)荷側(cè)電氣裝置外露可導(dǎo)電部分連接的接地極與電源接地極無(wú)電氣聯(lián)系）。目前，浪涌保護(hù)器的保護(hù)模式大部分是4個(gè)保護(hù)模式（L-PE，N-PE），即三根火線分別與保護(hù)線，中性線與保護(hù)線連接。

4、總結(jié)

在建筑物電子信息系統(tǒng)SPD防雷設(shè)計(jì)中，要堅(jiān)持綜合防雷的原則，安裝設(shè)計(jì)要符合安裝現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際，充分了解分析現(xiàn)場(chǎng)安裝電磁環(huán)境，結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)估，堅(jiān)持科學(xué)實(shí)用的原則參照國(guó)標(biāo)等專(zhuān)業(yè)技術(shù)做好防雷工作。

參考文獻(xiàn)

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第一作者簡(jiǎn)介：李郭然，國(guó)網(wǎng)漳州供電公司，本科，工程師，1979年4月出生。