引言
雷電災害是最嚴重的自然災害之一,全世界每年因雷電災害造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失不計其數(shù)。隨著電子、微電子集成化設備的大量應用,雷電過電壓和雷擊電磁脈沖所造成的系統(tǒng)和設備的損壞越來越多。因此,盡快解決建筑物和電子信息系統(tǒng)雷電災害防護問題顯得十分重要。
隨著相關設備對防雷要求的日益嚴格,安裝浪涌保護器(Surge Protection Device, SPD)抑制線路上的浪涌和瞬時過電壓、泄放線路上的過電流成為現(xiàn)代防雷技術的重要環(huán)節(jié)之一。
1 雷電的特性
防雷包括外部防雷和內(nèi)部防雷。外部防雷以避雷針(帶、網(wǎng)、線)、引下線、接地裝置為主,其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲,將可能擊中建筑物的雷電通過避雷針(帶、網(wǎng)、線)、引下線等泄放入大地。內(nèi)部防雷包括防雷電感應、線路浪涌、地電位反擊、雷電波入侵以及電磁與靜電感應的措施。其基本方法是采用等電位聯(lián)結,包括直接連接和通過SPD間接連接,使金屬體、設備線路與大地形成一個有條件的等電位體,將因雷擊和其他浪涌引起的內(nèi)部設施分流和感應的雷電流或浪涌電流泄放入大地,從而保護建筑物內(nèi)人員和設備的安全。
雷電的特點是電壓上升非常快(10μs以內(nèi)),峰值電壓高(數(shù)萬至數(shù)百萬伏),電流大(幾十至幾百千安),維持時間較短(幾十至幾百微秒),傳輸速度快(以光速傳播),能量非常巨大,是浪涌電壓中最具破壞力的一種。
2 浪涌保護器的分類
SPD是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置,其作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi),或將強大的雷電流泄流入地,保護被保護的設備或系統(tǒng)不受沖擊。
2. 1 按工作原理分類
按其工作原理分類, SPD可以分為電壓開關型、限壓型及組合型。
(1)電壓開關型SPD。在沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)高阻抗,一旦響應雷電瞬時過電壓,其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?允許雷電流通過,也被稱為“短路開關型SPD”。
(2)限壓型SPD。當沒有瞬時過電壓時,為高阻抗,但隨電涌電流和電壓的增加,其阻抗會不斷減小,其電流電壓特性為強烈非線性,有時被稱為“鉗壓型SPD”。
(3)組合型SPD。由電壓開關型組件和限壓型組件組合而成,可以顯示為電壓開關型或限壓型或兩者兼有的特性,這決定于所加電壓的特性。
2. 2 按用途分類
按其用途分類, SPD可以分為電源線路SPD和信號線路SPD兩種。
2. 2. 1 電源線路SPD
由于雷擊的能量是非常巨大的,需要通過分級泄放的方法,將雷擊能量逐步泄放到大地。在直擊雷非防護區(qū)(LPZ0A)或在直擊雷防護區(qū)(LPZ0B)與第一防護區(qū)(LPZ1)交界處,安裝通過Ⅰ級分類試驗的浪涌保護器或限壓型浪涌保護器作為第一級保護,對直擊雷電流進行泄放,或者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。在第一防護區(qū)之后的各分區(qū)(包含LPZ1區(qū))交界處安裝限壓型浪涌保護器,作為二、三級或更高等級保護。第二級保護器是針對前級保護器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應雷擊的防護設備,在前級發(fā)生較大雷擊能量吸收時,仍有一部分對設備或第三級保護器而言是相當巨大的能量,會傳導過來,需要第二級保護器進一步吸收。同時,經(jīng)過第一級防雷器的傳輸線路也會感應雷擊電磁脈沖輻射。當線路足夠長時,感應雷的能量就變得足夠大,需要第二級保護器進一步對雷擊能量實施泄放。第三級保護器對通過第二級保護器的殘余雷擊能量進行保護。根據(jù)被保護設備的耐壓等級,假如兩級防雷就可以做到限制電壓低于設備的耐壓水平,就只需要做兩級保護;假如設備的耐壓水平較低,可能需要四級甚至更多級的保護。
選擇SPD,首先需要了解一些參數(shù)及其工作原理。
(1) 10/350μs波是模擬直擊雷的波形,波形能量大; 8/20μs波是模擬雷電感應和雷電傳導的波形。
(2)標稱放電電流In是指流過SPD、8/20μs電流波的峰值電流。
(3)最大放電電流Imax又稱為最大通流量,指使用8/20μs電流波沖擊SPD一次能承受的最大放電電流。
(4)最大持續(xù)耐壓Uc(rms)指可連續(xù)施加在SPD上的最大交流電壓有效值或直流電壓。
(5)殘壓Ur指在額定放電電流In下的殘壓值。
(6)保護電壓Up表征SPD限制接線端子間的電壓特性參數(shù),其值可從優(yōu)選值的列表中選取,應大于限制電壓的最高值。
(7)電壓開關型SPD主要泄放的是10/350μs電流波,限壓型SPD主要泄放的是8/20μs電流波。
電源線路的SPD參數(shù)選擇如表1所示。
表1 電源線路SPD參數(shù)選擇
防護級別SPD類型波形/μs通流/kA安裝位置保護水平Up/kV第一級電壓開關型10/350 >15總配電處<2. 5第一級限壓型8/20 60總配電處<2. 5第二級限壓型8/20 20~40分配電處(樓層配電處) <1. 8第三級限壓型8/20 5~10設備前端(機房配電處) <1. 2按照規(guī)范要求,電源第一級SPD安裝在建筑物電氣裝置的電源進線處。一般情況下,應選擇電壓開關型SPD,但如果該處電源線路全部有良好的屏蔽(如穿金屬管、埋地)進入,則可以選用限壓型SPD。電壓開關型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于10 m,限壓型SPD之間的線路長度不宜小于5 m。如果小于規(guī)定的長度,則應在兩級SPD之間串聯(lián)加裝去耦電感。由于SPD的最大浪涌電壓為其保護電壓Up+UL(SPD兩端引線的感應電壓),因此為使SPD最大的電涌電壓足夠低,其兩端的引線應最短,一般不超過0. 5 m。
SPD安裝在線路中,當有過電壓或過電流出現(xiàn)時, SPD將對地導通,實現(xiàn)對地分流,從而達到間接等電位的目的。對于不同的接地系統(tǒng), SPD的接線方法不一樣,一般有對地法和N-PE法兩種保護,如圖1所示。除TT系統(tǒng)SPD安裝在剩余電流保護器的電源側必須用N-PE法以外,一般均使用對地法。
圖1 SPD接線圖
2. 2. 2 信號線路SPD
隨著信息系統(tǒng)的廣泛應用,由于網(wǎng)絡線路多,電子設備的耐壓水平低,雷擊對信息系統(tǒng)的危害越來越大。雷電對信息系統(tǒng)的危害主要是雷擊電磁脈沖造成的,包括沿線路傳導的雷電過電壓波、雷電流在接地線產(chǎn)生的高電位反擊、雷擊電磁場的靜電感應和電磁感應。對電磁脈沖的防護措施有攔截、分流、等電位聯(lián)結、屏蔽、接地、合理布線等。在信號線路上安裝SPD是信息系統(tǒng)防電磁脈沖的一個重要措施,它可以同時起到攔截、分流、等電位聯(lián)結的作用。信號線路SPD應連接在被保護設備的信號端口上。其輸出端與被保護設備的端口相連,有串接和并接之分(見圖2),一般是串聯(lián)安裝在信號線路上。因此,在選擇信號SPD時,應選用插入損耗較小的SPD。
圖2 信號SPD的安裝連接
限壓型電涌保護器產(chǎn)品的核心元件為氧化鋅壓敏電阻(MOV)。其失效后電涌保護器有可能出現(xiàn)兩類故障狀況,一類是熱擊穿造成L-N/PE線間接地短路,其電流值可使后備過電流保護元件動作;另一類是由于接地故障電流小,過流保護元件不動作,MOV因發(fā)熱起火,因此必須在位于電涌保護器外部的前端裝設后備保護元件。其作用是當電涌保護器不能切斷工頻短路電流時,過電流保護電器動作,把電涌保護器從并聯(lián)線路中斷開,使電涌保護器不會引起過熱而導致火災、爆炸等事故,同時可保證電源的持續(xù)供電。
正確、合理地選用后備保護元件,直接關系到系統(tǒng)及電涌保護器的安全性和可靠性。后備保護元件與SPD配合后,應可保護在額定電涌電流作用時后備保護元件不動作,保證電涌電流的正常泄放,同時其作用在支路上的殘壓Ur低于用電設備的保護水平Up,以保證系統(tǒng)及用電設備安全。
目前多數(shù)SPD產(chǎn)品選擇熔斷器、微型斷路器做其后備保護,其額定電流的選擇可參照表2。
表2 額定電流
4 結 語
SPD的應用范圍主要是電子信息系統(tǒng)中低壓供配電系統(tǒng)的電源保護和電子信息系統(tǒng)的信號傳輸線路保護。前者是為了抑制由電源線路進入的雷擊電磁脈沖干擾,后者是為了抑制由信號線路進入的雷擊電磁脈沖干擾。兩者的保護對象都是電子信息系統(tǒng)的設備、器件。由于這些設備、器件主要是微電子結構,在相同雷擊電磁脈沖下,比供配電設備要脆弱得多,在較小的過電壓下很容易將微電子結構的設備、器件損壞。