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、財產損失不計其數。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代防雷技術的重要環節之一。
1 雷電的特性
防雷包括外部防雷和內部防雷。外部防雷以避雷針(帶、網、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、線)、引下線等泄放入大地。內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,從而保護建筑物內人員和設備的安全。
雷電的特點是電壓上升非常快(10μs以內),峰值電壓高(數萬至數百萬伏),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所能承受的電壓范圍內,或將強大的雷電流泄流入地,保護被保護的設備或系統不受沖擊。
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高阻抗,一旦響應雷電瞬時過電壓,其阻抗就突變為低阻抗,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(LPZ0A)或在直擊雷防護區(LPZ0B)與第一防護區(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。在第一防護區之后的各分區(包含LPZ1區)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內感應雷擊的防護設備,在前級發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)最大持續耐壓Uc(rms)指可連續施加在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,其值可從優選值的列表中選取,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參數選擇如表1所示。
表1 電源線路SPD參數選擇
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。如果小于規定的長度,則應在兩級SPD之間串聯加裝去耦電感。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時, SPD將對地導通,實現對地分流,從而達到間接等電位的目的。對于不同的接地系統, 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
隨著信息系統的廣泛應用,由于網絡線路多,電子設備的耐壓水平低,雷擊對信息系統的危害越來越大。雷電對信息系統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、等電位聯結、屏蔽、接地、合理布線等。在信號線路上安裝SPD是信息系統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供電。
正確、合理地選用后備保護元件,直接關系到系統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,以保證系統及用電設備安全。
目前多數SPD產品選擇熔斷器、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中低壓供配電系統的電源保護和電子信息系統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。