電涌保護器在建筑電氣設計中的應用分析

陳 琳

（廈門市氣象災害防御技術中心， 福建 廈門 361012）

0 引言

為了滿足人們的生活、生產需求，現代建筑的電氣系統越來越健全和完備。不過需要引起關注和重視的是，在建筑電氣系統的使用和運行過程當中， 雷擊或是其他外界干擾因素， 可能導致建筑電氣系統回路出現尖峰電流或者電壓，從而引發電氣系統故障，甚至引起安全事故[1]。為了增強建筑電氣系統的安全性， 就應當在建筑電氣系統的設計過程當中， 將電涌保護器的應用作為一項關鍵課題，積極加強研究、探討與實踐，一方面既要客觀認識電涌保護器的作用效果和工作原理， 了解電涌保護器的不同分類，另一方面更要正確、合理的選擇與安裝電涌保護器。確保電涌保護器的應用，能夠切實增強建筑電氣系統的安全性，保障建筑電氣系統安全。

1 電涌保護器的作用效果和工作原理

1.1 電涌保護器的作用效果

最原始的電涌保護器在19 世紀末期就已經出現，當時主要被應用于架空輸電線路， 可以有效避免雷擊造成的事故。 經過百余年的發展，電涌保護器在結構、功能等方面，都越來越健全和完善，安全保護性能也越來越強[2]。 如當前的電涌保護器，一是保護通流量大，殘壓極低，響應時間快，可以在極端的時間內做出反應；二是當前的電涌保護器都采用了滅弧技術，能夠顯著降低火災的發生率；三是內置熱保護，能夠通過溫控的方式，為電路提供安全保護； 再者是當前的電涌保護器在結構上更加穩定、可靠，并且都帶有電源狀態指示，能夠直觀反映電涌保護器的工作狀態[3]。 總之，在各種類型的建筑中，其電氣系統的設計，都可以通過電涌保護器的應用，來增強建筑的安全性，強化建筑電氣系統安全保護。

1.2 電涌保護器的工作原理

建筑電氣系統在雷擊下，會瞬間承受非常高的電流或是電壓，這會對電氣系統造成破壞，并損壞與電氣系統連接的各種儀器、儀表設備，甚至引發火災等安全事故。 電涌保護器能夠在建筑電氣系統受到雷擊的時候，對電壓進行有效的限制，將沖擊電流傳導進入地下，從而保證電氣系統免受異常電流、電壓的危害[4]。 其具體的作用原理，主要是通過放電間隙，來為電氣系統提供保護。 所謂的放電間隙，簡單來說就是在兩根金屬棒之間，拉開一定的距離，其中一根金屬棒與需要保護的電氣系統或相應設備的零線或相線相互連接，另一根金屬棒直接接地。如果在雷擊或是其他外界因素的作用下， 電氣系統出現了瞬時過電壓，兩根金屬棒之間的間隙就會被擊穿，接地的金屬棒，此時就可以將電壓有效的引入地下， 這樣受保護的電氣系統或相應設備，就可以免受異常電壓的影響。現目前電涌保護器按照其所使用的元件的不同， 可以分為開關型和與限壓型， 其中開關型電涌保護器的組成主要包括了閘流晶體管、氣體放電管與放電間隙，這種電涌保護器的主要特點，是能夠在不存在電流通關的情況下，始終保持阻抗。 而在有異常電壓出現的情況下，其阻抗就會變低。與開關型電涌保護器不同， 限壓型電涌保護器的組成主要包括了抑制二極管及，壓敏電阻。這種類型的電涌保護器，在出現異常電壓的時候，能夠逐漸降低阻抗[5]。建筑防雷是現代建筑在設計、建設和使用過程當中，必須要關注和重視的問題， 特別是在建筑電氣系統集成度越來越高的情況下，更需要做好防雷工作。雖然現代建筑都會普遍性的使用到避雷帶、避雷針，但是其并不能完全保證建筑安全，不少實際的案例都顯示，在雷擊作用下，即使擁有避雷帶、避雷針的保護，電氣系統也依然可能受到破壞，容易發生儀表、設備等損壞。 面對這樣的情況，就必須要在建筑電氣設計中，科學、合理的應用好電涌保護器，最大限度保障建筑及其電氣系統安全。

2 電涌保護器的不同分類

2.1 一級電涌保護器

從實際的情況來看， 電涌保護器可以分為不同的種類，而且分類依據的標準不一，分類方式也各不相同。 如除了可以按照其不同的構造分類之外， 還可以按照不同的等級對其進行分類。一級電涌保護器多為密封式電涌保護器，另外在三相五線和三相四線的系統當中，也較為常用。應當注意的一個問題是，只有在一級電涌保護器的橋接件處在整體供電區域內，才能夠起到真正有效的保護作用[6]。 同時，一級電涌保護器與二級電涌保護器之間的距離，不少少于10m。從外形和尺寸上來看，一級電涌保護器與標準的電涌保護器并沒有明顯的差異，而且相較而言，一級電涌保護器的橋接方式更加便捷，所以應用也較為高效。

2.2 二級電涌保護器

在經過了一級電涌保護器之后， 還會有殘余的電涌電壓存在，此時就需要二級電涌保護器繼續發揮作用，將殘余的電涌電壓控制到1500V 到2000V， 并對第一防護區和第二防護區進行電位連接。如果二級保護為分配電柜線路輸出的電涌保護器，需要采用的電涌保護器類型應當為限壓型，雷電流容量至少需要達到20kA。 其安裝位置，應當位于重要或敏感的用電設備的分路配電處。 這樣一來， 二級電涌保護器便可以對殘余電涌能量起到很好的吸收作用，有效抑制瞬態過電壓。二級電涌保護器需要采用C 類保護器，進行包括中—地、相—地和相—中在內的全保護，響應啟動的時間，要小于25ns。

2.3 三級電涌保護器

如果說一級電涌保護器是為了保護整體， 二級電涌保護器是為了保護局部， 那么三級電涌保護器就是為了保護具體的電氣系統設備。 三級電涌保護器一般情況下都位于設備的前端， 其能夠直接將異常電壓降到1000V一下，從而防止設備應異常高電壓受到損壞。

3 建筑電氣設計中電涌保護器的選擇

3.1 電涌保護器選型

在前文當中已經提到， 電涌保護器可以分為不同的類型，這些不同類型的電涌保護器，在實際的使用時，有著不同的功能特點，正確的選型，才能保證電涌保護器發揮出應有的保護作用。實踐當中，必須要正確的選擇電涌保護器，才能確保其發揮出應有的作用。應當根據不同的建筑結構、空間位置，選擇具有相應參數和功能的電涌保護器，提高建筑和電涌保護器的匹配度。 如首先是需要做好對建筑的環境分析工作， 根據環境情況選擇電涌保護器。 影響電涌保護器選型的因素多，如系統要素、安全控件系數，以及雷電保護器等級等。需要對各方面的因素進行綜合考慮，科學、系統的進行分析，才能滿足實際需求。作為技術人員，需要尤為注意端部引線感應電壓，避免對保護器的有效電壓造成影響。除此之外，還需要對保護器端部電線的長度，進行合理的控制，做到截面最小化。

3.2 電涌保護器選擇

不同的建筑由于其高度、結構、功能的不同，所以其對于防雷保護的需求也不同，對于這樣的情況，應合理選擇電涌保護器，針對性的滿足建筑防雷需求。在直擊雷非防護區（LPZ0A）或在直擊雷防護區（LPZ0B）與第一防護區（LPZ1）交界處，安裝通過一級分類試驗的電涌保護器或限壓型電涌保護器作為第一級保護， 對直擊雷電流進行泄放，或當電源傳輸線路遭受直接雷擊時，將傳導的巨大能量進行泄放[7]。 在第一防護區之后的各分區（包含LPZ1區）交界處安裝限壓型電涌保護器，作為二、三級或更高等級保護。通過一級保護器之后，還會存在殘余電壓，依然具有安全危害， 二級保護器則是針對殘余電壓的保護設備，同時其還可以防護區內感應雷擊。也就是說，如果在一級保護器之后，能量不能被完全吸收，可能對用電設備或三級保護造成安全危害， 就必須要使用到二級保護。 同時， 經過第一級防雷器的傳輸線路也會感應雷擊電磁脈沖輻射。在線路的長度較長的情況下，感應雷能量也就會相應增大，此時必須要在二級電涌保護器的作用下，對能量進行安全的泄放。 通過二級電涌保護器的殘余能量會降到更低， 通過三級電涌保護器可以完成進一步的安全保護[8]。 按照用電設備的耐壓等級，如果二級防雷就能夠將電壓控制在耐壓等級之內，就可以不用三級防護。相應的，如果用電設備的耐壓等級低，就需要三級、四級甚至是更多的安全保護。

3.3 通流容量的選擇

電涌保護器的通流容量參數， 指的是它能夠吸收的最大能量， 也就是其可以承受的最大能量。 如果能量過大，超過了其通流容量參數，那么電涌保護器就會失去應有的保護作用，發生損壞、引發事故。在實際的工程當中，沒有辦法采用數據化的方式對能量進行表示， 可以利用波形電路幅值，來表示通流容量，如此便可以了解其能夠承受的最大能量。電涌保護器的通流容量各有差異，在不同的情況下，需要根據實際需求進行選擇[9]。 意思應當合理的選擇通流容量的電涌保護器， 而是需要進行合理的分區，對于LPZ1、LPZ0 交界處的保護器，可以使用分類試驗產品。 在供配電系統中，靠近電源側電涌保護器，通流量應當高于負荷側。

4 建筑電涌保護器的安裝

4.1 建筑電涌保護器安裝的基本要求

在建筑電氣設計中， 對于電涌保護器的安裝也應當給出明確的規范。 如首先需要明確建筑電涌保護器安裝的基本要求， 第一是如果電涌保護器被設計在總配電箱火終端配電箱中， 應當對其具體的安裝位置加以合理的控制。 一般情況下，需要位于進入室內斷路器的電源側，防止對電氣設備的正常運行，造成異常影響。而且需要將插座回路上的電涌保護器設在插座回路開關的負載側；第二是考慮到電氣設備的過電壓會影響到其正常使用，要想解決這一問題， 就需要保證電涌保護器的接地引線不短于0.5m；第三是要想切實、有效的防止雷電殘壓帶來的危害和影響，應當細致做好兩個方面的工作，首先是在總進戶處信息線與PE 線間增設電涌保護器。其次是電子設備的信息線與PE 線間需要適配電涌保護器（耐壓25V、涌流1kA）。 在兩個區域的電涌保護器的聯合作用下抑制進入電子設備的雷電殘壓， 盡可能減小對電子設備的干擾；第四是需要注意對線路感應電壓進行維持，使其保持穩定，盡量避免外界帶來的干擾，被保護的電氣設備與一級電涌保護器之間的距離， 不能超過30m 沒如果超過了這個距離，就應當考慮安裝二級電涌保護器。第五是兩級電涌保護器相互之間的距離，應當在10m 以上，如果其二者之間的距離過近，就可能產生相互影響。如一級保護器在發生動作的時候，可能致使二級保護器出現失誤動作，難以起到最好的保護效果。

4.2 建筑電涌保護器安裝流程

在實際的建筑電涌保護器安裝過程當中， 需要首先對電壓進行準確的確認，明確配電系統的工作電壓，確認系統工作電壓在電涌保護器的最大工作電壓之內。 而且需要進行現場測試，如果安裝點的電壓值偏高，超過了電涌保護器的最大工作電壓，就不具備安裝條件，不能進行安裝。確認符合安裝條件之后，便可以將電涌保護器接入系統當中，對于連接線的長短，應當進行合理控制，在保證正常安裝的情況下，應當盡可能的縮短連接線，避免連接線過長，確實過長的連接線，需要使用工具剪去，再向配電系統接點處接入電涌保護器，裝置的黃綠色地線、藍色中線、黃綠紅色火線均要連接至指定位置，按照“黃綠色地線連接配電系統的母線地線、 藍色中線連接配電系統的母線中線、黃綠紅色火線連接配電系統的火線”的對應關系將各線路連接到位。安裝完成之后，進行全面的檢查，保證電涌保護器能夠正常的工作。

5 結束語

為了保障建筑安全， 在現代建筑的電氣設計過程當中，應當重視并切實應用好電涌保護器。通過電涌保護器保證建筑在受到雷擊，或是發生其他意外情況的時候，可以快速導通分流，防止建筑電氣系統發生故障，避免電氣系統設備損壞，預防安全事故發生。