淺談防雷器在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用
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日期：2017/4/9 18:18:13
一、雷電防護(hù)基本原理
雷電及其它強(qiáng)干擾對通信系統(tǒng)的致?lián)p及由此引起的后里是嚴(yán)重的，雷電防護(hù)將成為必需。雷電由高能的低頻成份與極具滲透性的高頻成份組成。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(dǎo)雷電致?lián)p設(shè)備；一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以各種耦合方式感應(yīng)到金屬管線或地線產(chǎn)生浪涌致?lián)p設(shè)備。絕大部分雷損由這種感應(yīng)而引起。對于電子信息設(shè)備而言，危害主要來自于由雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，通過以下三個通道所產(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、航空障礙燈引線等產(chǎn)生的浪涌；地線通道，地電們反擊；空間通道，電磁小組的輻射能量。
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，它的最見的致?lián)p形式是在電力線上引起的雷損，所以需作為防擴(kuò)的重點(diǎn)。由于雷電無孔不入地侵襲電子信息系統(tǒng)，雷電防護(hù)將是個系統(tǒng)工程。雷電防護(hù)的中心內(nèi)容是泄放和均衡。
1.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(yīng)符合層次性原則，即盡可能多、盡可能遠(yuǎn)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(shè)立的防雷保護(hù)區(qū)分層次對雷電能量進(jìn)行削弱。防雷保護(hù)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(qiáng)度不同把環(huán)境分成幾個區(qū)域：LPZOA區(qū)，本區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭到直接雷擊，因此各特體都可能導(dǎo)走全部雷電流，本區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減。LPZOB區(qū)，本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，但本區(qū)電磁場沒有衰減。LPZ1區(qū)，本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，流往各導(dǎo)體的電流比LPZOB區(qū)進(jìn)一步減少，電磁場衰減和效果取決于整體的屏蔽措施。后續(xù)的防雷區(qū)（LPZ2區(qū)等）如果需要進(jìn)一步減小所導(dǎo)引的電流和電磁場，就應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū)，應(yīng)按照需要保護(hù)的系統(tǒng)所要求的環(huán)境區(qū)選擇且續(xù)防雷區(qū)的要求條件。保護(hù)區(qū)序號越高，預(yù)期的干擾能量和干擾電壓越低。在現(xiàn)代雷電防護(hù)技術(shù)中，防雷區(qū)的設(shè)置具有重要意義，它可以指導(dǎo)我們進(jìn)行屏蔽、接地、等電們連接等技術(shù)措施的實(shí)施。
2.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(dǎo)電體的電位在瞬態(tài)現(xiàn)象時保持基本相等，這實(shí)質(zhì)是基于均壓等電位連接的。由可靠的接地系統(tǒng)、等電位連接用的金屬導(dǎo)線和等電位連接器（防雷器）組成一個電位補(bǔ)償系統(tǒng)，在瞬態(tài)現(xiàn)象存在的極短時間里，這個電位補(bǔ)償系統(tǒng)可以迅速地在被保護(hù)系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)所有導(dǎo)電部件之間建立起一個等電位，這些導(dǎo)電部件也包括有源導(dǎo)線。通過這個完備的電位補(bǔ)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(yuǎn)處可能存在數(shù)十千伏的電位差。重要的是在需要保護(hù)的系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)部，所有導(dǎo)電部件之間不存在顯著的電位差。
3.雷電防護(hù)系統(tǒng)由三部分組成，各部分都有其重要作用，不存在替代性。外部防護(hù)，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(dǎo)入地下泄放。過渡防護(hù)，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(yīng)。內(nèi)部防護(hù)，由均壓等電位連接、過電壓保護(hù)組成，可均衡系統(tǒng)電位，限制過電壓幅值。
二、防雷器的作用及技術(shù)參數(shù)
防雷器又稱等電位連接器、過電壓保護(hù)器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷保安器等，用于電源線防護(hù)的防雷器稱為電源防雷器。鑒于目前的雷電致?lián)p特點(diǎn)，雷電防護(hù)尤其在防雷整改中，基于防雷器防護(hù)方案是最簡單、經(jīng)濟(jì)的雷電防護(hù)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(zhuǎn)移有源導(dǎo)體上多余能量。
進(jìn)入地下泄放，是實(shí)現(xiàn)均壓等電位連接的重要組成部分。防雷器的一些主要技術(shù)參數(shù)：額定工作電壓、額定工作電流，特批串并式電源防雷器的載流量。通流能力，防雷器轉(zhuǎn)移雷電流的能力，以千安為單位，與波開開式有關(guān)。防雷器在功能上可分為可防直擊雷的防雷器和防感應(yīng)雷的防雷器。可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(hù)，如LPZOA區(qū)與LPZ1區(qū)交界處的保護(hù)。用10/35μs電流波形測試與表示其通流能力。防感應(yīng)雷的防雷器通常用于不可能被直擊雷擊中的線路保護(hù)，如LPZOB區(qū)與LPX1區(qū)、LPZ1區(qū)交界處的保護(hù)。用8/20μs電流波形測試與表示其通流能力響應(yīng)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(zhì)有關(guān)。殘壓，防雷器對瞬態(tài)現(xiàn)象的電壓限制能力，與雷電流幅值及波形性質(zhì)有關(guān)。
三、防雷器的選用
基于防雷器的防護(hù)想要取得理想的效果，應(yīng)注重“在合適的地方合理地裝設(shè)合適的防雷器”，防雷器的選擇十分重要。
1.進(jìn)入建筑物的各種設(shè)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(zhì)內(nèi)進(jìn)行分配。這個評估模式用于估算在LPAOA區(qū)、LPZOB區(qū)和LPZ1區(qū)交界處作等電位連接的防雷器的通流能力和金屬導(dǎo)線的規(guī)格。該處的雷電流為10/35μs電流波形。在各金屬物質(zhì)中雷電流的分配情況下：各部分雷電流幅值取決于各分配通道有的阻抗與感抗，分配通道是指可能被分配到雷電流的金屬物質(zhì)，如電力線、信號線、自來水管、金屬構(gòu)架等金屬管級及其它接地，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(rèn)為接是電阻相等，即各金屬管線平均分配電流。
2.在電力線架空引入，并且電力線可能被直擊雷擊中時，進(jìn)入建筑物內(nèi)保護(hù)區(qū)的雷電流取決于外引線路、防雷器放電支路和用戶側(cè)線路的阻抗和感抗。如內(nèi)外兩端阻抗一致，則電力線被分配到一半的直擊雷電流。在這種情況下必須采用具有防直擊雷功能的防雷器。
3.后續(xù)的評估模式用于評估LPZ1區(qū)以后防護(hù)區(qū)交界處的雷電流分配情況。由于用戶側(cè)絕緣阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于防雷器放電支路與外引線路的阻抗，進(jìn)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(yīng)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(hù)中許多應(yīng)用場合、保護(hù)范圍層次區(qū)分等特點(diǎn)提出的概念（相對于傳統(tǒng)的并式防雷器而言）。其實(shí)質(zhì)是經(jīng)能量配合和電壓分配的多級放電器與濾波器技術(shù)的有效結(jié)合。串并式防雷有如下特點(diǎn)：應(yīng)用廣泛。不但可以按常規(guī)進(jìn)行應(yīng)用，也適合保護(hù)區(qū)難以區(qū)別的場所。感生退耦器件在瞬態(tài)過電壓下的分壓、延遲作用，以幫助實(shí)現(xiàn)能量配合。減緩瞬態(tài)干擾的上升速率，以實(shí)現(xiàn)低殘壓與長壽命以及極快的響應(yīng)時間。
4.防雷器的其它參數(shù)選擇取決于各個被保護(hù)物所在防雷區(qū)的級別，其工作電壓以安裝在引電路中所有部件的額定電壓為準(zhǔn)。串并式防雷器還需注意其額定電流。
5.影響電子線雷電流分配的其它因素：變壓器端接地電阻降低將使電子線中分配電流增大。供電線纜的長度的增加將使電力線中分配電流減少，并使幾要導(dǎo)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。供電線纜并接多用戶將降低有效阻抗，導(dǎo)致分配電流增大，在連成網(wǎng)狀的供電狀態(tài)下，雷臨時性流主要流入電力線，這是多數(shù)雷損發(fā)生在電力線處的原因。
四、防雷器的安裝
1.電源線應(yīng)實(shí)現(xiàn)多級防護(hù)，多級防護(hù)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(shè)備絕緣強(qiáng)度之內(nèi)（電壓配合）。
在下列情況下，多級防護(hù)成為必須：某一級防雷器失效或防雷器某一路失效。防雷器的殘壓不配合設(shè)備絕緣強(qiáng)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(hù)，至少應(yīng)分成兩級以上，同一級防雷器還可能包含多級保護(hù)（如串并式防雷器）。為了達(dá)到有效的保護(hù)，可在各防雷區(qū)界面處設(shè)置相應(yīng)的防雷器，防雷器可針對單個電子設(shè)備，或一個裝有多個電子設(shè)備的空間，所有穿過通常具有空間屏蔽的防雷區(qū)的導(dǎo)線，在穿過防雷區(qū)界面同時接有防雷器。另外，防雷器的保護(hù)范圍是有限的，一般防雷器與設(shè)備線路距離超過10m以后將使防護(hù)效果劣化，這是因?yàn)榉览灼骱托枰Ｗo(hù)的設(shè)備之間的電纜上有反射造成的振蕩電壓，其幅值與線路長度、負(fù)載阻抗成正比。
3.在使用電源孩子雷器的多級防護(hù)中，如果不注意能量分配，則可能引入更多的雷電能量進(jìn)入保護(hù)區(qū)域。這要求防雷器應(yīng)根據(jù)前述評估模式選擇。一般防雷器都有通過雷電流越大，殘壓越高的特點(diǎn)，通過能量分配后未級防雷器流過的雷電流極小，有利于電壓限制。注意，不考慮電壓配合而僅僅選擇低響應(yīng)電壓的防雷器作末級保護(hù)是危險的。
實(shí)現(xiàn)能量分配與電壓配合的要點(diǎn)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埋電流及分壓作用，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(hù)地線與其它線纜緊貼敷設(shè)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，當(dāng)保護(hù)地線與被保護(hù)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的如兩級防雷區(qū)界面靠近或線纜長度較短時，可利用專門的退耦器件，這時無距離要求。
4.退耦器件是實(shí)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、電感和電阻。
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(yīng)用。
5.在某些極端情況下，裝上防雷器反而會增加設(shè)備損壞的可能，必須杜絕；這類情況發(fā)生。防雷器保護(hù)幾條線，其中一條線上的防雷器失效或響應(yīng)速度過慢。這可能使共模干擾轉(zhuǎn)化為差模干擾而損壞設(shè)備。這要求必須實(shí)施多級防護(hù)及注意防雷器的維護(hù)。不考慮防雷保護(hù)區(qū)、能量配合及電壓分配而隨便安裝防雷器，比如僅僅在設(shè)備前端裝設(shè)一只防雷器，由于沒有前級保護(hù)，強(qiáng)大的雷電流將被吸引到設(shè)備前端，致使防雷器殘壓超過設(shè)備絕緣強(qiáng)度。這要求防雷器必須按層次性原則安裝。
6.在另外的一些情況下，錯誤的安裝將使設(shè)備得不到有效保護(hù)。過長的防雷器連接線、防雷器工作時，連接線上由感抗引起的電壓將極高，加在設(shè)備上的仍會危險電壓，這個問題在末級防雷器的應(yīng)用中更加明顯。解決這個問題的方法是采用短的連接線，也要以采用兩要以上分開的連接線以分擔(dān)磁場強(qiáng)度，減少壓降，單線加粗連接線是沒有什么效果的。必要時可通過改變被保護(hù)線的布線，使其靠近等電位連接排（接地點(diǎn)）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(shè)。這種情況對串并式防雷器的影響比較嚴(yán)重。當(dāng)串并式電源防雷器的輸出線（已保護(hù)的線）和輸入線（未保護(hù)線）、地線靠近敷設(shè)，會使輸出線內(nèi)感應(yīng)出瞬態(tài)浪涌，雖然其強(qiáng)度較原來小，但仍可能是危險的。解決這個問題的方法是將輸入線、地線與輸出線分開敷設(shè)或垂直敷設(shè)，盡量減少并行敷設(shè)的長度，拉開敷設(shè)的距離。
防雷器接地線沒有與被保護(hù)設(shè)備的保護(hù)地相連，即采取單獨(dú)的防雷接地。這將使被保護(hù)線與設(shè)備保護(hù)地之間在瞬態(tài)時存在危險電壓，解決這個問題的方法是防雷器的接地應(yīng)與設(shè)備保護(hù)地相連。