高層建筑電源SPD的合理配置及能量配合

吳勇福

摘 要：隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，我國高層建筑越來越多。由于近年來雷電災害的頻發(fā)，對高層建筑的安全帶來了不利的影響，解決高層建筑的雷電防護問題已經(jīng)刻不容緩，以下是本文就高層建筑電源電涌保護器的合理配置和能量配合問題進行的簡單分析。本文就如何防止雷電對建筑物內(nèi)電子設(shè)備產(chǎn)生危害，以及根據(jù)不同建筑物的實際情況選擇合適的電涌保護器及適合的安裝位置進行以下分析。

關(guān)鍵詞：高層建筑；電源；SPD；配置；能量配合

中圖分類號：TU851 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0208-02

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，社會現(xiàn)代化水平也在不斷提高，建筑物內(nèi)各種電子設(shè)備的使用率也在逐漸上升，由高層建筑物的預雷結(jié)果可知，高層建筑受雷電擊的概率遠遠高于矮層建筑，由于高層建筑內(nèi)電子設(shè)備和電線網(wǎng)路密集，而一般電子設(shè)備電壓較低，耐壓水平也較低，很容易受到雷電危害的影響，使得增大雷電對這些電子設(shè)備和電線網(wǎng)路的破壞威脅。因此，高層建筑除了除了要建立防雷電措施以外，還電磁脈沖的危害，因此設(shè)有信息系統(tǒng)的民用建筑物除應考慮防直擊雷措施外，還應考慮雷電電磁脈沖的防護措施、雷擊電危害下電源保護的措施。

1 雷電危害

一般情況下雷電的破壞形式有直擊和雷電感應兩種形式，由于雷電的電熱力效應和機械作用較大，當雷電直接擊在動植物、樹木或建筑物上時，可直接摧動植物、樹木或建筑物毀，足以引起人員傷亡和物資大面積損壞，如果建筑物過高，建筑物上的鋁合金及各種金屬構(gòu)建很容易受雷電擊的破壞，所以高層建筑物要采取防雷電措施。當高層建筑物的防雷裝置接觸雷電時，強大的雷電電流通過接地裝置瀉入大地時附近空間磁場產(chǎn)生強烈的變化會在相鄰金屬物上感應電壓，并對電子設(shè)備受到影響，即便是很小的電涌或峰值電壓也有可能會摧毀電子設(shè)備的使用性能，從而使其受到干擾甚至引起燒毀或癱瘓[1]。

2 電涌保護器（SPD）的選用及安裝

2.1 電涌保護器的選擇

SPD又叫電涌保護器，是電子設(shè)備雷電防護過程中必不可少的一種裝置。電涌保護器的作用，是把進入電力線的瞬時過電壓限制在設(shè)備所能承受的范圍內(nèi)，從而保護設(shè)備不受強大電流沖擊而損壞。電源SPD主要分為電源開關(guān)型SPD和電源限壓型SPD。一般來說電源開關(guān)型SPD主要部件是放電間隙或氣體放電管沒有電涌是具有高阻抗，對電泳電壓相應時能變成低阻抗；電源限壓型SPD最常用的主要部件是金屬氧化物壓敏電阻，沒有電涌時為高抗電阻，隨著電泳電流和電壓的增加阻抗逐漸減小。SPD是一種非線性元件，其工作取決于施加在其兩端的電壓和觸發(fā)電壓的大小，而觸發(fā)電壓是針對不同的產(chǎn)品的標準給定值。當電壓小于觸發(fā)電壓時SPD的電阻很高，只有很小的漏電電流通過，而當電壓大于觸發(fā)電壓時，SPD的電阻降到只有幾歐姆，會使電壓突然下降，等電壓小于出發(fā)電壓時SPD又呈現(xiàn)出高阻抗特性。根據(jù)這一原理，SPD廣泛備用于低壓配電系統(tǒng)用來限制電網(wǎng)中的氣過電壓，使其不超過各種電氣設(shè)備和配電裝置所能承受的沖擊耐受電壓，以保護電子設(shè)備使其免受雷電災害的威脅。

從用途上來講，SPD可分為電源防雷器、天線饋線防雷器和信號防雷器。選用SPD應該考慮到電網(wǎng)最高運行電壓，為了保護設(shè)備免受雷擊電壓的威害，SPD的電壓保護水平應始終小于被保護設(shè)備的耐受電壓，而且應該大于電網(wǎng)最高運行電壓[2]。

SPD的選用應始終遵循基本的原則，即SPD的電壓保護水平飲食中小于被保護設(shè)備的耐受電壓。如果SPD的電壓保護水平比被保護設(shè)備的耐受電壓過高，則必須在設(shè)備上加裝二級SPD。電泳保護與被保護設(shè)備兩端引線要盡量短，盡量控制在50公分以內(nèi)。為了達到最佳保護狀態(tài)，既能承受更強的電流，又有較小的殘余電壓，一般會用SPD作一級和二級保護，一級保護用力承受過高電壓和較強電流，而二級保護用來減小系統(tǒng)端的殘余電壓，為達此效果，兩級SPD之間的距離應不小于10米。當進線端的SPD與被保護設(shè)備之間的距離過大時，應在被保護設(shè)備的近端安裝另一個SPD，由于電纜距離較長，如果不增加以及保護，會起不到保護作用，從而損壞設(shè)備。選擇SPD除了要重點考慮以上幾點因素外，還要考慮響應時間的快慢、通流容量是否滿足要求、使用壽命長短、性能以及價格因素等。

2.2 SPD的安裝

2.2.1 SPD的安裝原則

在對計算機、控制設(shè)備和信息系統(tǒng)等設(shè)別的保護中，需要在供電線路上安裝SPD，防御線路傳導過來的高電位，如果用以及以上的SPD去保護設(shè)備時，就要研究各級電源以及SPD的配合問題，SPD的數(shù)量取決于防雷區(qū)和被保護設(shè)備所用SPD的特性。根據(jù)被保護設(shè)備所處位置和設(shè)備絕緣耐沖值來選擇電源SPD，以使其電壓保護水平始終小于被保護設(shè)備絕緣耐沖值。一是根據(jù)靜態(tài)伏安特性驚醒能量配合，除所輻射的線路以外，不加任何元件，達到SPD級間能量配合。電壓開關(guān)型SPD的放電取決于取決于退耦元件兩端的電壓降和限壓型SPD兩端的殘壓之和，在電壓開關(guān)型SPD放電之前，其電壓與電壓降和殘壓之和相等。影響退耦元件兩端電壓降的因素有兩個：一是進入電涌的大小，另外就是退耦元件的性質(zhì)。影響限壓型SPD兩端殘壓的因素有限壓型SPD的金屬氧化物壓敏電阻的特性、進入電泳的上升速率和各級SPD的相應時間。金屬氧化物壓敏電阻一般比放電間隙的響應時間短，根據(jù)行波理論分析，只要電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不小于15米，限壓型SPD之間的線路長度不小于5米，就可以利用兩級SPD之間的導線本身的特性實現(xiàn)能量配合，保證多級SPD有效配合運作[3]。二是利用退耦元件進行能量配合在實際情況中，由于受場地限制安裝條件要求無法得到滿足。此時可以利用退耦元件的延時、濾波等特性減緩雷電電壓。應以各防雷區(qū)為層對雷電能量的逐漸減弱次建立多級防護，使各級限制電壓相互配合，最終把過點壓制限制在設(shè)備絕緣范圍之內(nèi)，為了達到有效保護，應把SPD設(shè)立在各防雷區(qū)域、所以SPD應安裝在防雷區(qū)的界面處，以實現(xiàn)層次性保護。當進入建筑物的閃電電涌強度較低時，只需要將SPD安裝在建筑物電源引入處，但在有例如計算機、控制系統(tǒng)和通信設(shè)備等敏感電子設(shè)備，且SPD與被保護設(shè)備距離較長時應增設(shè)一級SPD，尤其是在閃電感應和內(nèi)部干擾源引起建筑物內(nèi)部磁場時，更需要設(shè)置附加的SPD，SPD越靠近被保護設(shè)備，尤其是敏感電子設(shè)備，其保護效果越好，越能降低閃電電涌的設(shè)備承受限值，是否增設(shè)SPD關(guān)鍵還是要看其有效電壓保護水平是否滿足設(shè)備耐受電壓，并根據(jù)敏感電子設(shè)備的耐壓能力選用合適的附加SPD。

2.2.2 SPD安裝注意事項

安裝SPD要注意一級保護SPD應靠近建筑物的入戶線的總等電位連接端，二、三級保護SPD應盡量靠近被保護設(shè)備安裝。電涌保護器接至等電位連接位連接的導線要盡可能短。為滿足設(shè)備的電力耐受要求，SPD安裝要盡可能多級配合，在多級配合的過程中，要考慮到SPD之間的能量配合，一般情況下線路上多級安裝且無準確數(shù)據(jù)時，電源開關(guān)型與限壓SPD之間的線路長度小于5米時應串接退耦裝置。另外，必須要考慮到SPD性能退化或壽命終止后可能產(chǎn)生的故障對設(shè)備的影響，因此在SPD的電源側(cè)應安裝過電流保護裝置。當建筑物的電子設(shè)備需加裝SPD保護時，如果該建筑沒有安裝防雷裝置時，應該按照第三類防雷建筑安裝防雷措施。

3 SPD的級間配合

在電源防護的多級防護中如果不注意能量分配，有可能會使更多的雷電能量進入保護區(qū)域，這就要一級SPD要根據(jù)實際估算，其同流能力能力越大而防雷器的通流能力就會越小。一條線攬上的過電壓通過電壓配合逐級降低，這要求SPD的殘壓逐級減少，在此種情況下不考慮電壓配合而僅僅選用低效SPD作為末級保護是很危險的。電壓配合是通過各級SPD限制電壓值的逐級控制，最終將過電壓值限制在設(shè)備耐受范圍以內(nèi)，一般SPD的通過電流越大殘壓就越高，通過能量分配后末級SPD流過的雷電流越小，越有利于電壓限制閃電電涌的傳導，從危險區(qū)向設(shè)備的防雷保護區(qū)逐漸減小，兩個或兩個以上的SPD需要能量上的配合，根據(jù)每個SPD的能量吸收能力共同分擔總的電涌能量，使每一個SPD所能承受的能量都低于其承受能力，從而達到良好的配合效果。在靠近被保護設(shè)備處需要安裝SPD時，應選用二級或三級SPD，并滿足多組SPD之間的距離要求。SPD之間的配合一般要遵循以下幾點原則，即限壓型SPD采用伏安特性配合；電壓開關(guān)型和限壓型SPD之間的配合應選用觸發(fā)型SPD配合[4]。

4 SPD的后備保護

SPD的后背保護，一般選擇熔斷器和小型斷路器，熔斷器的熔體是易熔金屬，呈電阻性，電感量比電阻值小，幾乎可以忽略不計，在雷電流沖擊時，熔斷器上產(chǎn)生的附加電壓等同于電阻和SPD連接線路感抗之和；而斷路器因其結(jié)構(gòu)中有雙金屬熱敏元件和串聯(lián)的電磁脫器，呈現(xiàn)出感性阻抗。因此，將斷路器作為SPD的后備保護時，線路上的限制電壓要比將熔斷器作為SPD的后備保護時得線路上的限制電壓，所以只要是足夠?qū)I(yè)的SPD供應商一般都會選擇熔斷器作為后備保護。

5 結(jié)語

隨著社會不斷發(fā)展，建筑物規(guī)模也在不斷擴大，各種先進的電子設(shè)備廣泛配備于各大高層建筑中，這些設(shè)備普遍存在著雷電耐受能力弱的問題，所以電子設(shè)備防雷問題和SPD的級間配合問題越來越受到廣泛重視，許多關(guān)于電涌保護的標準和規(guī)范也都提到了級間配合的問題。實踐證明，雷電擊危害和雷擊感應過電壓是威脅高層建筑電線網(wǎng)路和電子設(shè)備安全有效使用的最大不利因素，通過正確的選擇和合理的使用SPD并有效配合雷電危害防護措施，從而達到有效保護高層建筑極其電子設(shè)備的目的。可見做好高層建筑的防雷工作尤為重要。

參考文獻

[1]黎莫清，周小武.電源SPD配合器件的應用分析[J].電瓷避雷器，2016，（04）：133-137+141.

[2]廖燕珍，黃聲錦，湯宇靖.建筑物電源線路安裝SPD注意要點與失效分析[J].福建建設(shè)科技，2016，（04）：71-73.

[3]葉平，熊芳瑜.電源SPD在線運行安全問題及解決方案[J].建筑電氣，2015，34（02）：47-51.

[4]羅志勇，謝寶永，鄭鍵雄，賈楊.建筑物電源SPD的合理配置及能量配合[J].廣東氣象，2014，36（05）：55-58.