建筑物低壓電源線路雷電過電壓保護

彭文偉　楊紅新

[摘要]為了避免電源線路對雷電的感應和傳輸特性，時常引發雷擊過電壓侵入建筑物室內，損壞電氣設備，乃至人員傷亡事故，通常是在電源線路上安裝電源避雷器，然而由于一些技術人員對避雷器特性認識欠缺，造成后續設備或系統仍遭受雷擊的現象。本文根據國家相關防雷技術規范介紹在電源線路上裝設電涌保護器的基本原則。

[關鍵詞]SPD；絕緣配合；電涌電壓

0引言

預防電源線路感應雷擊電磁脈沖損壞系統設備，常用的措施是按照《建筑物防雷設計規范》（GB 50057-2010）《建筑物電子信息系統防雷技術規范》（GB 50343-2012）在建筑物低壓電源線路上安裝電涌保護器將雷電過電壓限制到保護對象能夠承受的范圍，從而保障設備或系統安全運行。然而，一些技術人員對技術標準及電涌保護器學習了解不夠，時常造成安裝了電涌保護器但未起到有效的保護作用，為此，本文根據我們的實踐經驗，介紹電源線路上裝設電涌保護器的基本原則。

1電涌保護器（SPD）

電涌保護器，又稱過電壓保護器，目的在于限制瞬態過電壓和分走電涌電流。它至少包含有一非線性元件。它可以是單個非線性元件加工成的保護模塊，可以是由多個非線性元件的組合，也可以是線性元件和非線性元件的多功能集合體，將過電壓限制到指定的水平，或者為系統提供等電位，又稱“保持器”。

電源線路SPD，根據用途，有用于暴露環境孤立建筑物引入電源線路的直擊雷電過電壓防護，有用于城鎮建筑群低壓電力線的感應過電壓防護。防過電流裝置，有可恢復和不可恢復兩種。220/380V電源線路雷擊過電壓防護的SPD，屬可恢復類型。

2SPD的選用

SPD有電壓開關型、限壓型和由這兩種組件的組合型。電壓開關型SPD，有時又稱為“短路開關型”或“克羅巴型”SPD，通常采用放電間隙、充氣放電管、閘流管和三端雙向可控硅元件組成這類SPD組件，當無電涌出現時為高阻抗，當出現電涌時突變為低阻抗。限壓型SPD在無電涌電流出現時為高阻抗，隨著電涌電流或電壓的增加，阻抗跟著連續變小，內部元件通常為壓敏電阻、抑制二極管。有時稱這類SPD為“箝壓型”SPD。組合型可以顯示電壓開關型或限壓型或兩者都有的特性，這決定于所加電壓的特性。

2.1SPD的主要特性

電壓開關型SPD：具有持續耐雷能力強，通流量大，點火電壓高，但存在響應時間長，工頻續流的缺點。放電間隙、充氣放電管是最堅固耐用的開關器件，它能承受持續時間為數百微妙，電流為數十千安或以上的瞬態雷電流波，以及電力故障時持續承受1s以上數安培交流電流。充氣放電管的氣體（惰性氣體）對雷電壓的擊穿靈敏度有所改善，雷擊過電壓的陡度（du/dt）越大，響應時間越快。充氣放電管、閘流管等產品的靈敏度較放電間隙又有所改善，它們的響應時間達到100ns等級。續流特點，對不允許有交流續流的用戶，不得將這類器件單獨并聯在電源線上，為了能夠及時斷開工頻續流和起到滅弧，一定要有切斷續流裝置。一般可在電源回路或設備的回路接人普通電阻器，或者在放電管的分路接入氧化鋅壓敏電阻（MOV），這類器件工作偏差大，只能用作粗保護。

限壓型SPD：產品元件主要是氧化鋅壓敏電阻（MOV）。它具有通流量大，反映速度快、啟動靈敏，無間隙通斷雷電流控制，無工頻續流等特點。它的材料是直徑為幾十微米的氧化鋅晶粒被其他金屬氧化物所形成的晶界層所包圍，它的極好的非線性特性就是由晶界層決定的。氧化物晶粒導電性良好，電阻率一般為0.003Ω·m。而晶界層的電阻率高達10～10Ω·m。當晶界層上的電場強度比較低時，只有少量電子由于熱發射可以穿過晶界層的勢壘，故呈現很大的電阻。當晶界層上的電場強度足夠大時，出現隧道效應，大量電子穿過晶界層，電阻值大大降低；成品的氧化鋅壓敏電阻可以看成是由無數個小型PN結并聯組成的，從而具有大量級的通流能力。通常MOV單片耐流能力可達20kA（8/20us，兩次），僅次于放電管；響應時間達到20 ns等級。缺點是極間電容大（可達1 000PF），有不同程度的微弱漏流。漏流的不穩定，長期接人電路中會因漏電流加大導致升溫而燒壞。

2.2主要參數

Ipeak：SPD使用在LPZOA區或LPZOB區與LPZl區界面，有直擊雷保護，Ipeak=I÷2÷n。無直擊雷保護，Ipeak=I÷n。后續安裝的SPD通流量與上述計算方法相同，但I應為首次以后的雷電流參量。電纜內各芯線的電流按Ipeak÷m選取。（I-首次雷擊電流相應參量，n-管、線的數量，m-電纜內芯線根數）。對有屏蔽層的線路Ipeak按上述計算電流的30%選取。

Up：SPD的保護水平應與保護對象的耐沖擊電壓相匹配。當無法獲得電力線路、設備的耐沖擊電壓值時按下列值選取：

Uc：SPD的最大連續工作電壓，應符合如下規定：

TT系統，SPD安裝在剩余電流保護器負荷側，Uc不應小于1.55U0；而SPD安裝在剩余電流保護器的電源側，則Uc不應小于1.15%.

TN系統，Uc不應小于1.15%.

IT系統，SPD安裝在剩余電流保護器負荷側，Uc不應小于1.15U（U為線間電壓）。

220/380V三相系統中，Un=220V。系數1.15中0.1考慮系統的電壓偏差（即規定允許的10%電壓波動），0.05考慮電涌保護器的老化。Uc值與產品的使用壽命、電壓保護水平有關。Uc選高了，壽命長了，但電壓保護水平，即SPD的殘壓也相應提高，要綜合考慮。

3SPD的設置原則

3.1防雷區劃分

圖1為防雷區劃分示意圖。

LPZOA區：本區域內的各物體都可能遭到直接雷擊和導走全部雷電流；本區內的電磁場強度沒有衰減。

LPZOB區：本區域內的各物體不可能遭到大于所選滾球半徑對應的雷電流直接雷擊，但本區內的電磁場強度沒有衰減。

LPZ1區：本區域內的各物體不可能遭到直接雷擊，流經各導體的電流比LPZOB區更小；本區內的電磁場強度可能衰減，這取決于屏蔽措施。

IPZn+1后續防雷區：當需要進一步減小流入的電流和電磁場強度時，應增設后續防雷區，并按照需要保護的對象所要求的環境區選擇后續防雷區的要求條件。

將一具有直擊雷防護的建筑物劃分成不同防雷區的電力線、信號線等電位連接原則：

LPZOA區與LPZOB區之間無界面。

各區交界處是等電位連接位置；防雷區的數越高電磁場強度越小。

建筑物內電磁場受到如窗戶這樣的洞的影響和金屬導體（如等電位連接帶、電纜屏蔽層、管子）上電流的影響以及電纜路徑的影響。

3.2SPD安裝要求

LVZOA或LPZOB與LPZl區交界處的SPD。應選用符合I級分類產品，器件的試驗波形應為10/350us沖擊電流波形。用于后續界面的SPD應選用符合Ⅱ級或Ⅲ級分類產品，試驗波形一般為8/20us沖擊電流波形。

同一線路多處裝設SPD，限壓型SPD之間間隔的線路長度應≥5m；電壓開關型SPD與限壓型SPD之間間隔的線路長度應≥10m。

因接線存在電感，SPD接線后的最大電涌電壓比SPD標稱的限制電壓高，不利于與保護對象允許的最大承受力協調。為了降低電涌電壓，對SPD的接線有以下要求：

①兩端的接線盡量做到短、直；②多余聯結接線不得采用纏繞方式；③接地線盡量不與被保護線近距離平行敷設、高位敷設，以免再次感應對已經作了限壓保護的線路；④保護要求較高的設備，SPD的接地線、后續的電源線，宜采取屏蔽措施。

4結語

電源線路按照相關國家標準設計安裝電涌保護器能有效預防電源線路雷擊電磁脈沖的危害，技術人員熟悉技術標準、電涌保護器技術參數以及電子信息系統設備性能是一個重要環節，同時正確安裝電涌保護器也是使安裝的電涌保護器正常運行所不可忽略的。