防雷器在電源系統(tǒng)中的應用

摘要：敘述防雷器的原理、選用及安裝方法。

關鍵詞：雷電防護防雷器選用安裝

　1雷電防護基本原理

雷電及其它強干擾對電子信息系統(tǒng)的致?lián)p及由此引起的后果是嚴重的，雷電防護將成為必需。事實上，雷電防護是除雷電之外，也是其它諸如開關操作脈沖、靜電放電等電磁強干擾防護的共同要求。雷電與雷電電磁脈沖作為一種功率巨大的強干擾源，其破壞作用極其明顯，需作為主要的防護對象。

　　雷電是一種破壞性極大的強干擾源，由高能的低頻成分與極具滲透性的高頻成分組成。其主要通過兩種形式：一種是通過金屬管線或地線直接傳導雷電致?lián)p設備；一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以電阻性、電容性、電感性及電磁場等耦合方式感應到金屬管線或地線產(chǎn)生浪涌致?lián)p設備（絕大部分雷損由這種感應而引起）。這樣，對于電子信息設備而言，危害主要來自由于雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，通過以下3個通道所產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌：

?金屬管線通道：如自來水管、電源線、天饋線、信號線等產(chǎn)生的浪涌;

?地線通道：地電位反擊;

?空間通道：電磁波的輻射能量。

其中金屬管線通道的浪涌和地線通道的地電位反擊是電子信息系統(tǒng)致?lián)p的主要原因，而由電力線引起的雷損是通過金屬管線通道中最常見的致?lián)p形式，所以對于電源系統(tǒng)需作為防護的重點。

由于雷電無孔不入地侵襲電子信息系統(tǒng)，雷電防護將是一個系統(tǒng)工程。雷電防護的中心內(nèi)容是泄放和均衡。

泄放是將雷電與雷電電磁脈沖的能量通過大地泄放，并且應符合層次性原則，即盡可能多、盡可能遠地將多余能量在引入通信系統(tǒng)之前泄放入地；層次性就是按照所設立的防雷保護區(qū)分層次對雷電能量進行削弱。防雷保護區(qū)又稱電磁兼容分區(qū)，是按人、物和信息系統(tǒng)對雷電及雷電電磁脈沖的感受強度不同把環(huán)境分成幾個區(qū)域：

（1）LPZ?OA區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭到直接雷擊，因此各物體都可能導走全部雷電流，本區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減；

（2）LPZ?OB區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，但本區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減；

（3）LPZ?1區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，流往各導體的電流比LPZ?OB區(qū)進一步減少，電磁場衰減的效果取決于整體的屏蔽措施。

（4）后續(xù)的防雷區(qū)（LPZ?2區(qū)等）：如果需要進一步減少所導引的電流和電磁場，就應引入后續(xù)防雷區(qū)，按照需要保護的系統(tǒng)所要求的環(huán)境區(qū)選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。

設置防雷保護區(qū)是為了避免因高能耦合而損壞設備，而序號更高的防雷區(qū)是為了防止信息失真和信息丟失而設置的。保護區(qū)序號越高，預期的干擾能量和干擾電壓越低。在現(xiàn)代雷電防護技術中，防雷區(qū)的設置具有重要意義，它可以指導我們進行屏蔽、接地、等電位連接等技術措施的實施。

均衡就是保持系統(tǒng)各部分不產(chǎn)生足以致?lián)p的電位差，即系統(tǒng)所在環(huán)境及系統(tǒng)本身所有金屬導電體的電位在瞬態(tài)現(xiàn)象時保持基本相等，其實質就是均壓等電位連接的實施。由可靠的接地系統(tǒng)、等電位連接用的金屬導線和等電位連接器（防雷器）組成一個電位補償系統(tǒng)，在瞬態(tài)現(xiàn)象存在的極短時間里，這個電位補償系統(tǒng)可以迅速地在被保護系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)所有導電部件之間建立起一個等電位，這些導電部件也包括有源導線。通過這個完備的電位補償系統(tǒng)，可以在極短時間內(nèi)形成一個等電位區(qū)域，這個區(qū)域相對于遠處可能存在數(shù)十千伏的電位差。重要的是：在需要保護的系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)部，所有導電部件之間不存在顯著的電位差。

雷電防護系統(tǒng)由3部分組成，各部分各施其責，不存在替代性。

?外部防護：由接閃器、引下線、接地體組成，可將絕大部分雷電能量直接導入地下泄放。

?過渡防護：由合理的屏蔽、接地、布線組成，可減少或阻塞通過各入侵通道引入的感應。

?內(nèi)部防護：由均壓等電位連接、過電壓保護組成，可均衡系統(tǒng)電位，限制過電壓幅值。

2防雷器

防雷器又稱等電位連接器、過電壓保護器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷保安器等，用于電源線防護的防雷器稱為電源防雷器。鑒于目前的雷電致?lián)p特點，基于防雷器的防護方案是最簡單、經(jīng)濟、可靠的雷電防護解決方案。防雷器的主要作用是瞬態(tài)現(xiàn)象時將其兩端的電位保持一致或限制在一個范圍內(nèi)，轉移有源導體上多余能量。防雷器的應用是實現(xiàn)均壓等電位連接的重要手段。防雷器的一些主要技術參數(shù)：

?額定工作電壓：指允許長期加在防雷器上的電壓；

?額定工作電流：特指串并式電源防雷器的載流量；

?通流能力：防雷器轉移雷電流的能力，以kA為單位，與波形形式有關。

防雷器在功能上分為防直擊雷的防雷器和防感應雷的防雷器。

防直擊雷的防雷器通常用于可能被直擊雷擊中的線路保護，如LPZ?OA區(qū)與LPZ?1區(qū)交界處的保護。用10/350μs電流波形測試，表示其通流能力。防感應雷的防雷器通常用于不可能被直擊雷擊中的線路保護，如LPZ?OB區(qū)與LPZ?1區(qū)、LPZ?1區(qū)與LPZ?2區(qū)交界處的保護。用8/20μs電流波形測試，表示其通流能力。

10/350μs電流波形與8/20μs電流波形在計算上能量比例為200：1，但實際上比例約為5：1左右，即通流能力為20kA（8/20μs）的防雷器可以承受4kA（10/350μs）的直擊雷電流。所以通流能力必須考慮雷電性質和形式，在很多應用中可以通用。

?響應時間：防雷器對瞬態(tài)現(xiàn)象起控制作用所需的時間，與波形性質有關。響應時間是防雷器的一個重要參數(shù)。

?殘壓（限制電壓）：防雷器對瞬態(tài)現(xiàn)象的電壓限制能力，與雷電流輻值及波形性質有關。一般通過雷電流越小，殘壓就越低。在末級保護里，殘壓必須低于設備絕緣強度。

3防雷器的選用

為了使防雷器的防護能力取得理想的效果，應注重“在合適的地方合理地裝設合適的防雷器”，防雷器的選擇十分重要。

（1）進入建筑物的各種設施之間的雷電流分配情況如下：約有50％的雷電流經(jīng)外部防雷裝置泄放入地，另有50％的雷電流將在整個系統(tǒng)的金屬物質內(nèi)進行分配。整個過程中絕大部分能量在LPZ?OA區(qū)、LPZ?OB區(qū)和LPZ?1區(qū)交界處轉移。這個評估模式用于估算在LPZ?OA區(qū)、LPZ?OB區(qū)和LPZ?1區(qū)交界處作等電位連接的等電位連接器、防雷器的通流能力和金屬導線的規(guī)格。該處的雷電流為10/350μs電流波形。在各金屬物質中雷電流的分配情況如下：各部分雷電流幅值取決于各分配通道的阻抗與感抗，分配通道是指可能被分配到雷電流的金屬物質，如電力線、信號線、自來水管、金屬構架等金屬管線及其它接地，一般僅以各自的接地電阻值就可以大致估算。在不能確定的情況下，可以認為接地電阻相等，即各金屬管線平均分配電流。

（2）在電力線架空引入，并且沒有處在防直擊雷保護裝置保護之下，電力線可能被直擊雷擊中時，電力線上的雷電流將增大。進入建筑物內(nèi)保護區(qū)的雷電流取決于外引線路、防雷器放電支路和用戶側線路的阻抗。如內(nèi)外兩端阻抗一致，則電力線被分配到一半的雷擊電流。在這種情況下必須采用具有防直擊雷功能的防雷器。

（3）影響電力線雷電流分配的其它因素：

?變壓器端接地電阻降低將使電力線中分配電流增大；

?供電線纜長度的增加將使電力線中分配電流減少，并使幾根導線中有平衡的電流分配；

?過短的電纜長度和過低的中性線阻抗將使電流不平衡，從而引起差模干擾；

?供電線纜并接多個用戶將降低有效阻抗，導致分配電流增大，在連成網(wǎng)狀的供電狀態(tài)下，雷電流主要流入電力線，這是多數(shù)雷損發(fā)生在電力線處的原因。

（4）后續(xù)的評估模式用于評估LPZ?1區(qū)以后防護區(qū)交界處的雷電流分配情況。由于用戶側絕緣阻抗遠遠大于防雷器放電支路與外引線路的阻抗，進入后續(xù)防雷區(qū)的雷電流將減少，在數(shù)值上不需特別估算。一般要求用于后續(xù)防雷區(qū)的電源防雷器的通流能力在20kA（8/20μs）以下，不需采用大通流能力的防雷器。后續(xù)防雷區(qū)防雷器的選擇應考慮各級之間的能量分配和電壓配合，在許多因素難以確定時，采用串并式電源防雷器是個好的選擇。串并式是根據(jù)現(xiàn)代雷電防護中許多應用場合、保護范圍、層次區(qū)分等特點提出的概念（相對于傳統(tǒng)的并式防雷器而言）。其實質是經(jīng)能量配合和電壓分配的多級放電器與濾波器技術的有效結合。串并式有如下特點：

?應用廣泛：不但可以按常規(guī)進行應用，也適合保護區(qū)難以區(qū)別的場所；

?濾波器本身對雷電感應的抑制；

?感性退耦器件在瞬態(tài)過電壓下的分壓、延遲作用，以幫助實現(xiàn)能量配合；

?減少過電壓、過電流的上升速率，以實現(xiàn)低殘壓與長壽命以及極快的響應時間。

（5）防雷器的其它參數(shù)選擇取決于各個被保護物體所在防雷區(qū)的級別，其工作電壓以安裝在此電路中所有部件的額定電壓為準。串并式防雷器還需注意其額定電流。

4防雷器的安裝

（1）電源線應實現(xiàn)多級防護，多級防護是以各防雷區(qū)為層次，對雷電能量的逐級減弱（能量分配），使各級限制電壓相互配合，最終使過電壓值限制在設備絕緣強度之內(nèi)（電壓配合）。在下列情況下，多級防護成為必須：

?某一級防雷器失效或防雷器某一路失效；

?安裝的防雷器的通流能力小于應轉移的雷電流；

?防雷器的殘壓高于設備的絕緣強度；

?線纜在建筑物內(nèi)長度較長時。

（2）幾乎所有情況下的線纜防護，至少應分成兩級以上，同一級防雷器還可能包含多級保護（如串并式防雷器）。為了達到有效的保護，可在各防雷區(qū)界面處設置相應的防雷器，防雷器可針對單個電子設備，或一個裝有多個電子設備的空間，所有穿過通常具有空間屏蔽的防雷區(qū)的導線，在穿過防雷區(qū)界面同時接有防雷器。也就是說，防雷器應安裝在防雷區(qū)的界面處，以符合防護的層次性原則，末級防雷器則應靠近設備安裝，設備外殼實際上也提供了一個防雷保護區(qū)的交界處。另外，防雷器的保護范圍是有限的，一般防雷器與設備線路距離超過10m以上將使防護效果劣化，這是因為防雷器和需要保護的設備之間的電纜上有反射造成的振蕩過電壓，其輻值與線路長度、負載阻抗成正比。

（3）在使用電源防雷器的多級防護中，如果不注意能量分配，則可能引入更多的雷電能量進入保護區(qū)域。這要求用于第一級的防雷器根據(jù)前述評估模式估算，其通流能力要求較大，而后續(xù)防雷器的通流能力可逐級減少。

?實現(xiàn)能量分配的要點在于利用兩級防雷器之間線纜本身的感抗。線纜本身的感抗有一定的阻礙雷電流作用，使雷電流更多地被分配到前級泄放。

?一般要求兩級防雷器之間線纜長度在15m左右，適用于保護地線與其它線纜緊貼敷設或處于同一條電纜之內(nèi)的情況。

?線纜上分支線路的長度對線纜要求長度有影響，適用于保護地線與被保護線纜有一定距離（>1m），這時要求線纜長度大于5m即可。

?在一些不適合采用線纜本身作退耦措施如兩級防雷區(qū)界面靠近時，可利用專門的退耦器件，這時無距離要求。

（4）電壓配合是通過各級防雷器限制電壓值的逐級控制，最終將過電壓值限制在設備允許范圍內(nèi)。一般防雷器都有通過雷電流越大，殘壓越高的特點，通過能量分配后末級防雷器流過的雷電流極小，有利于電壓限制。

?在一條線纜上的過電壓通過電壓配合一級級降低，這要求防雷器的殘壓逐級減少。

?在流過同樣雷電流的情況下，防雷器的殘壓與其響應電壓有關，注意在這種情況下，不考慮電壓配合而僅僅選擇低響應電壓的防雷器作末級保護是危險的。比如末級防雷器響應電壓過低導致其響應提早，從而引入的雷電流增大，響應殘壓會過高。

?實現(xiàn)電壓分配的要點在于利用線纜本身的分壓作用，對其長度要求與能量分配一致。

?在一些不適合采用線纜本身作退耦措施如線纜長度較短時，可利用專門的退耦器件，這時無距離要求。

（5）退耦器件是實現(xiàn)能量分配與電壓配合的重要措施，以下幾種材料可作為退耦器件：線纜、電感、電阻。

串并式電源防雷器就是一種考慮了能量分配與電壓配合，利用濾波器作為退耦器件的防雷器組合形式，適合于各種場合的應用。

（6）在某些極端情況下，裝上防雷器反而會增加設備損壞的可能，必須杜絕這類情況發(fā)生。

?防雷器保護幾條線，其中一條線上的防雷器失效或響應速度過慢。比如當雷電來臨時，L、N兩條線與地之間的電位被抬高。當有一條線的防雷器失效或響應速度過慢，如L相防雷器失效，則N相電位被拉下，而L相還處于高電位，使共模干擾轉化為差模干擾而損壞設備。這要求必須實施多級保護及注意防雷器的維護。

?不考慮防雷保護區(qū)、能量配合、電壓分配而隨便安裝防雷器，比如僅僅在設備前端裝設一只防雷器，由于沒有前級保護，強大的雷電流將被吸引到設備前端，致使防雷器殘壓超過設備絕緣強度。這要求防雷器必須按層次性原則安裝。

（7）在另外一些情況下，錯誤的安裝將使設備得不到有效保護。

?過長的防雷器連接線。根據(jù)雷電流在連接線上產(chǎn)生電壓的式子U=L·di/dt，假如接地線長達到5m，20kA(8/20μs)雷電流通過防雷器時，防雷器兩端電壓被限制在1kV，而連接線上由感抗引起的電壓卻達到了3.8kV，使得總的殘壓達到了4.8kV。這時，防雷器是工作了，但加在設備上的仍是危險電壓，這個問題在未級防雷器的應用中更加明顯。

解決這個問題的方法是采用短的連接線，一般電源防雷器連線長度要求在25cm之內(nèi)。當連接線長度超過該值時，可以采用兩根以上分開的連接線以分擔磁場強度，減少壓降，單純加粗連接線是沒有什么效果的。

必要時可通過改變被保護線的布線，使其靠近等電位連接排（接地點）以減少連接線長度。

?防雷器輸出線和輸入線、接地線靠近、并排敷設。這種情況對串并式防雷器的影響比較嚴重。當串并式電源防雷器的輸出線（已保護的線）和輸入線（未保護線）、地線靠近敷設，會使輸出線內(nèi)感應出瞬態(tài)浪涌，雖然其強度較原來為小，但仍可能是危險的。

解決這個問題的方法是輸入線、地線與輸出線分開敷設或垂直敷設，盡量減少并行敷設的長度，拉開敷設的距離。

?防雷器接地線沒有與被保護設備的保護地相連，即采取單獨的防雷接地。假設防雷器泄放20kA雷電流，不計防雷器限制電壓，防雷接地電阻即使是1Ω，在設備保護地與進線之間仍會產(chǎn)生20kV的危險電壓。

解決這個問題的方法是防雷器的接地應與設備保護地相連。

（8）防雷器安裝的其它要求

?前級防雷器一般安裝在進線處保險裝置后，末級防雷器應安裝在漏電保護裝置前端。

?對于有防直擊雷功能的大通流能力的防雷器，應在每條放電支路上加裝保險裝置，容量為前置保險絲的0.6倍，以防燒毀線纜，并有利于維護。串并式電源防雷器應在前端加裝與載流量相符的保險裝置。

?防雷器除可以保護設備，也可以用于對干擾源的限制。比如在可能產(chǎn)生操作過電壓的設備前端裝設防雷器，可限制操作過電壓進入電網(wǎng)。

?防雷器的連接線應采用多股銅絞線，不應采用單股銅芯線，以便于雷電流泄放。其線徑應按等電位連接導體的方法估算。

（9）配電形式對電源防雷器保護模式的影響。

?在TN－C，TN－S，TN－C－S系統(tǒng)里，雷電的干擾是共模干擾，故對電力線的保護模式應該是相－地、中－地。

?在TN系統(tǒng)里，負載不平衡、線纜長度短、中性阻抗低的，和TT系統(tǒng)以及一點接地的直流供電系統(tǒng)里，雷電的干擾很容易轉化為差模干擾，故對電力線的保護模式應該是相－中、中－地。

5其它說明

（1）這里僅僅簡單地探討了防雷器在電源系統(tǒng)中應用的一些問題，在實際的防護工作中，對電源系統(tǒng)的線纜還應該按照相關防雷規(guī)范做好屏蔽埋地引入、中性點接地和合理布線等基本措施。

（2）防雷器的防護效果取決于防雷器的選用和安裝技巧，所以應向專業(yè)防雷機構或企業(yè)進行咨詢。