浪涌保護器的構(gòu)成和應(yīng)用簡述

劉玖增

摘 要：建筑物的雷電防護在供配電工程中的安全領(lǐng)域，占有很重要的地位。工程實踐中，智能建筑的防浪涌在電氣安全系統(tǒng)中，對整體建筑，甚至室內(nèi)各個電氣的安全起著關(guān)鍵作用。浪涌保護器的構(gòu)成和選型，是防雷擊設(shè)計中必須要慎重考慮的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：浪涌保護器;工作原理;應(yīng)用簡述

中圖分類號：TU862 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0051-02

1 基本概念

（1）浪涌電壓：雷電擊中室外輸電線路時，及接通或斷開的線路具有較大電感負荷時，常常會在瞬間產(chǎn)生很高的操作過電壓，當該電壓保持在1ns～2ns時，被稱作尖峰電壓。持續(xù)3ns以上時，將產(chǎn)生浪涌效應(yīng)，被稱為浪涌電壓（或浪涌電流）。浪涌電壓會對整個配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備產(chǎn)生極大的壓力甚至破壞。（2）浪涌保護器：也稱防雷器，是一種當配電網(wǎng)絡(luò)遭受雷擊或過電壓操作時，為供配電設(shè)備提供保護的裝置。當電氣回路因雷擊或操作電壓而存在尖峰電壓（或電流）時，能在極短的時間內(nèi)導(dǎo)通分流，避免浪涌電壓（電流）對回路中其他設(shè)備的損害。[1]

2 按工作原理分類

2.1 開關(guān)型

在正常工況時呈現(xiàn)為高阻抗，在回路存在因雷擊或操作過電壓時，其阻抗突變?yōu)榈椭担试S雷電流通過。此類裝置的組件主要為：放電間隙，氣體放電管，閘流晶體管等。

2.2 限壓型

正常工況下呈現(xiàn)高阻抗，回路電壓或電流增大時，阻抗不斷減小，電流-電壓特性為明顯非線性。此類裝置的組件主要為：壓敏電阻，限壓二極管，雪崩二極管。

2.3 分流型與阻流型

（1）分流型：和被保護設(shè)備元器件為并聯(lián)關(guān)系，當回路存在雷電過電壓（或操作過電壓）時，對浪涌電流呈現(xiàn)低阻抗特性，分流浪涌電流，達到保護元器件的目的。（2）阻流型：和被保護設(shè)備元器件為串聯(lián)關(guān)系，當回路存在雷電過電壓（或操作過電壓）時，對浪涌電流呈現(xiàn)高阻抗特性，阻斷浪涌電流通過，達到保護元器件的目的。這兩類裝置的組件主要有：阻流線圈，高（低）通濾波器，1/4波長短路器。

2.4 按用途分類

交（直）流電源保護器，網(wǎng)絡(luò)信號防雷器，視頻信號防雷器等。

3 浪涌保護器的基本元件[2]

3.1 放電間隙（又稱保護間隙）

放電間隙由兩根存在一點間隔距離的金屬棒構(gòu)成，其中一根和被保護設(shè)備的電源線（或中性線）相連，另一根與接地線相連。當線路中存在雷擊過電壓（或過電流）時，導(dǎo)線間隙被擊穿，過電壓（或過電流）被泄入大地，從而避免設(shè)備負載過量電壓（或電流）。保護間隙的距離可以根據(jù)需要調(diào)整，該保護結(jié)構(gòu)簡單，但滅弧能力差，有時可引發(fā)網(wǎng)絡(luò)的電氣震蕩。

角形間隙，滅弧功能較前者為好，它是靠回路的電動力和熱氣流上升的共同作用，使電弧熄滅的。

3.2 氣體放電管

氣體放電管本質(zhì)就是壓敏開關(guān)。所有氣體放電管結(jié)構(gòu)主要是由電極及絕緣瓷管組成，在電極表面涂有電性活躍的電子粉，極間間隙不到1mm。在絕緣瓷管內(nèi)壁設(shè)有導(dǎo)電帶，雷擊電流（或操作過電壓）通過時，可以加速絕緣瓷管內(nèi)作用電場的放電電離效果，使得放電管具備更高的相應(yīng)特性和可恢復(fù)性。

3.3 壓敏電阻

壓敏電阻是以氧化鋅為主要成分的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻，具有非線性伏安特性，當作用電阻兩端的電壓達到一定程度后，電阻會對電壓十分敏感，并接通相應(yīng)的保護電路，它的工作原理相當于多個半導(dǎo)體P-N結(jié)的串并聯(lián)。

壓敏電阻的最大特點是當加在它上面的電壓低于它的額定閥值時，流過它的電流極小，相當于一只關(guān)死的閥門，當電壓超過額定閥值后，阻值會變小，流過的電流會加大，從而減小過電壓對被保護設(shè)備的壓力。利用這一特性，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，避免被保護設(shè)備被雷電擊穿。

3.4 瞬態(tài)抑制二極管

瞬態(tài)二極管是一種二極管形式的電流式保護元件。當二極管受到反向短時高電壓（或電流）沖擊時，兩極間的高阻抗在極短的時間內(nèi)（10-12秒）變?yōu)榈妥杩梗芪蘸艽蟮墓β剩ǜ哌_數(shù)千瓦），使二極管兩端電壓始終處于一個安全位置，因而該類元件可以有效的保護弱電回路中的精密設(shè)備。

二極管的技術(shù)參數(shù)主要有以下內(nèi)容。

（1）額定擊穿電壓。指的是存在反向擊穿電流達到1毫安時，二極管承受的擊穿電壓，對于齊納二極管而言，擊穿電壓一般在2.9V～4.7V之間，對于雪崩二極管而言，額定擊穿電壓常在5.6V～220V之間。（2）最大箝位電壓。指的是回路存在浪涌電流時，會出現(xiàn)波形大電流，此時二極管兩端的最高電壓。

3.5 阻流線圈

阻流線圈是一個以鐵氧體為磁芯的電流抑制器件，它由兩個尺寸相同、匝數(shù)相同的線圈對稱地繞制在一個鐵氧環(huán)形磁芯上，形成一個四線端器件，其本質(zhì)是個大電感，當回路被雷擊后，存在浪涌大電流，會被阻流線圈極大的抑制，而工頻下的差模信號導(dǎo)致的極小漏電感，則幾乎沒有抑制效果[2]。

3.6 1/4 波長短路器[2]

“1/4波長”的波長指的是工頻下的工作電壓（電流）信號的波長。以此“1/4波長”的長度制作金屬材質(zhì)短路棒，并聯(lián)于被保護元器件，該保護回路對于工頻信號，阻抗無窮大，不影響信號傳輸。雷電電流主要為幾千赫茲到幾百千赫茲 之間，此時短路棒對于浪涌電流阻抗很小，相當于短路，則浪涌電流被泄放入地，如圖1所示。

1/4波長短路棒的直徑一般為幾毫米，能夠泄放300KA以上的浪涌電流，殘壓很小。

4 浪涌保護器的分級保護

雷擊產(chǎn)生的浪涌電流能量巨大，因此應(yīng)該采用逐級泄放的方式，將浪涌電流分級泄放到大地中。

第一級防護，主要是發(fā)生雷擊時，通過防雷器將雷電流直接進行泄放，所以供配電網(wǎng)絡(luò)中，有可能發(fā)生直接雷擊的地方，必須進行Ⅰ級的防雷。

第二級防雷器是針對第一級防雷的殘余電壓所產(chǎn)生的感應(yīng)殘壓進行消納和削減。第一級發(fā)生較大雷擊能量泄放后，有一部分殘余浪涌電壓，經(jīng)線路傳導(dǎo)后，仍對設(shè)備產(chǎn)生電擊壓力，所以需要第二級防雷器進一步吸收。

第三級防雷器是對經(jīng)第二級防雷后，仍存在感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射和經(jīng)過第二級防雷器后的殘余雷擊能量進行保護。

4.1 第一級保護

此級目的是將浪涌電壓限制到2500V～3000V之間。在實際工程中，該級防浪涌保護器是主要承受雷電并將大量的浪涌電流泄流到大地。

4.2 第二級防護

此級目的是將通過第一級防護后的殘余浪涌電壓限制在1500V～2000V，防雷區(qū)內(nèi)的LPZ1—LPZ2區(qū)域各電氣設(shè)備實施等電位連接。一般用戶的防雷等級達到二級防護時，基本能保證電氣設(shè)備雷電安全防護要求。

4.3 第三級保護

此級目的是最終保護設(shè)備的手段，需要將殘余雷擊浪涌電壓限制在1000V以下。

4.4 第四級及四級以上保護

根據(jù)雷擊防護規(guī)范的要求，應(yīng)該在二級防護級別時，就應(yīng)該將殘余雷電浪涌限制在設(shè)備耐壓水平之下。如果設(shè)備的電壓耐壓水平較低，就有可能需要四級甚至更多級的雷電防護。而四級防護的雷電融通量應(yīng)該不低于5KA。

5 浪涌保護器和避雷器的區(qū)別[2]

5.1 設(shè)備電壓等級不同

避雷器范圍廣泛，從0.4kV到500kV超高壓都有，而1KV以下基本使用浪涌保護器。

5.2 保護對象不同

常見供配電氣設(shè)備使用避雷器，而二次信號回路和電子儀器儀表等末端電氣使用浪涌保護器。

5.3 絕緣水平和耐壓水平不同

避雷器主要保護供配電電氣設(shè)備的，浪涌設(shè)備主要保護信號回路和電子設(shè)備的，而供配電氣設(shè)備和信號回路及弱電電子信號設(shè)備的耐壓水平不是一個數(shù)量級，所以避雷器和浪涌保護器的保護殘壓應(yīng)該與保護設(shè)備的耐壓水平相對應(yīng)。

5.4 安裝位置不同

避雷器一般安裝在供配電的進線一次線路上，可以阻擋雷電波的直接侵入，可以對入線的架空線和變壓器進行有效防護;而浪涌保護器用于二次系統(tǒng)的弱電信號回路或末端電子設(shè)備，做為前級避雷器消除了雷電波的殘壓直接侵入后的限壓分流的補充措施;所以避雷器安裝在戶外供電進線處，浪涌保護器用于室內(nèi)電子設(shè)備和儀器儀表的防護。

5.5 通流容量不同

避雷器的作用主要是在發(fā)生雷擊時，作為將雷擊電流泄入大地的第一級設(shè)備，所以電流通量要求很大;而對于弱電信號回路和儀器儀表等電子控制設(shè)備，絕緣水平遠小于電源進線的供配電電氣設(shè)備，浪涌保護器的通流容量一般不大，而且其選型，是以前級避雷器的殘壓為依據(jù)。

6 結(jié)語

總體上講，避雷器是對電源或輸電線路等高壓設(shè)備，而浪涌保護器是保護二級弱電信號回路或精密儀器儀表等電子設(shè)備，因此大幅減小雷電電壓的不利影響外，還能夠極大消減電力網(wǎng)絡(luò)自身產(chǎn)生的破壞性浪涌沖擊。因此當進線高壓線路（10KV）已裝配避雷器的情況下，在電氣網(wǎng)絡(luò)的低壓系統(tǒng)中應(yīng)該裝配防護更精密的浪涌保護器。

參考文獻

[1] 楊尊松，王立新，肖超，陸江，李彬鴻.瞬態(tài)電壓抑制二極管的概述和展望[J].電子設(shè)計工程，2016（24）：108-112.

[2] 孫丹峰，季幼章.避雷器和浪涌保護器的比較[J].電源世界，2015（2）：29-39.