[科普中國]-電源防雷器

電源防雷器（SPD）又名避雷器，浪涌保護(hù)器，電涌保護(hù)器。在信息時代，電腦網(wǎng)絡(luò)和通訊設(shè)備越來越精密，其工作環(huán)境的要求也越來越高，而雷電以及大型電氣設(shè)備的瞬間過電壓會越來越頻繁的通過電源、天線、無線電信號收發(fā)設(shè)備等線路侵入室內(nèi)電氣設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，造成設(shè)備或元器件損壞，人員傷亡，傳輸或儲存的數(shù)據(jù)受到干擾或丟失，甚至使電子設(shè)備產(chǎn)生誤動作或暫時癱瘓、系統(tǒng)停頓，數(shù)據(jù)傳輸中斷，局域網(wǎng)乃至廣域網(wǎng)遭到破壞。其危害觸目驚心，間接損失一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直接經(jīng)濟(jì)損失。電源防雷器就是通過現(xiàn)代電學(xué)以及其它技術(shù)來防止被雷擊中的設(shè)備。

簡介電源防雷器是浪涌保護(hù)器中最常用的一種，主要是針對電源系統(tǒng)所選用的浪涌保護(hù)。另外，還有網(wǎng)絡(luò)防雷器，信號防雷器，視頻防雷器，三合一防雷器等等。1

發(fā)展歷史最原始的防雷器是羊角形間隙，出現(xiàn)于19世紀(jì)末期，用于架空輸電線路，防止雷擊損壞設(shè)備絕緣而造成停電，故稱"防雷器"。20世紀(jì)20年代,出現(xiàn)了鋁防雷器,氧化膜防雷器和丸式防雷器。30年代出現(xiàn)了管式防雷器。50年代出現(xiàn)了碳化硅防雷器。70年代又出現(xiàn)了金屬氧化物防雷器。現(xiàn)代高壓防雷器，不僅用于限制電力系統(tǒng)中因雷電引起的過電壓，也用于限制因系統(tǒng)操作產(chǎn)生的過電壓。1992年以來，以德、法為代表的工控標(biāo)準(zhǔn)35mm導(dǎo)軌卡接式可拔插SPD防雷模塊，開始大規(guī)模引進(jìn)到中國，稍后以美、英為代表的一體化箱式電源防雷組合也進(jìn)入了中國

組成電源防雷器包括電源防雷模塊、電源防雷箱、電源防雷插座等。

電源防雷模塊和電源防雷箱的區(qū)別在于體積大小不同，后者功能更加強大，且擁有雷電計數(shù)器等，但模塊比防雷箱更容易安裝且低廉。1

分類按用途分（1）開關(guān)型防雷器

其工作原理是當(dāng)沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)為高阻抗，但一旦響應(yīng)雷電瞬時過電壓時，其阻抗就突變?yōu)榈椭?，允許雷電流通過。用作此類裝置時器件有：放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等。

（2）限壓型防雷器

其工作原理是當(dāng)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。用作此類裝置的器件有：氧化鋅、壓敏電阻、抑制二極管、雪崩二極管等防雷器大多為限壓型。

（3）分流型或扼流型防雷器

分流型：與被保護(hù)的設(shè)備并聯(lián)，對雷電脈沖呈現(xiàn)為低阻抗，而對正常工作頻率呈現(xiàn)為高阻抗。

扼流型：與被保護(hù)的設(shè)備串聯(lián)，對雷電脈沖呈現(xiàn)為高阻抗，而對正常的工作頻率呈現(xiàn)為低阻抗。

用作此類裝置的器件有：扼流線圈、高通濾波器、低通濾波器、1/4波長短路器等1。

按防雷等級分一級防雷器：一般標(biāo)稱在30KA以上。有開關(guān)型和限壓型。

二級防雷器：一般標(biāo)稱在15--20KA之間。均為限壓型。

三級防雷器：一般標(biāo)一般標(biāo)稱在5--10KA之間,均為限壓型。

作用特點防雷器是用來保護(hù)電力系統(tǒng)中各種電器設(shè)備免受雷電過電壓、操作過電壓、工頻暫態(tài)過電壓沖擊而損壞的一種電器。防雷器的類型主要有保護(hù)間隙、閥型防雷器和氧化鋅防雷器。保護(hù)間隙主要用于限制大氣過電壓，一般用于配電系統(tǒng)、線路和變電所進(jìn)線段保護(hù)。閥型防雷器與氧化鋅防雷器用于變電所和發(fā)電廠的保護(hù)，在500KV及以下系統(tǒng)主要用于限制大氣過電壓，在超高壓系統(tǒng)中還將用來限制內(nèi)過電壓或作內(nèi)過電壓的后備保護(hù)。2

選用要點配電系統(tǒng)首先要搞清楚自己的配電系統(tǒng)，是TT、TN還是IT系統(tǒng)？因為定了配電系統(tǒng)，我們才能確定單相，三相，接線方式等，以此選擇合適的防雷產(chǎn)品，我國多數(shù)配電系統(tǒng)都為TN-S方式。

壓敏電阻防雷產(chǎn)品中的主要材料是氧化鋅壓敏電阻，其材料的品質(zhì)和工藝水平的高低對產(chǎn)品遭受雷擊時是否能產(chǎn)生預(yù)期的保護(hù)作用有直接的影響，所以你在選擇防雷器時一定要了解廠家的壓敏電阻的來源。

重要參數(shù)標(biāo)稱電壓Un：被保護(hù)系統(tǒng)的額定電壓相符，在信息技術(shù)系統(tǒng)中此參數(shù)表明了應(yīng)該選用的保護(hù)器的類型，它標(biāo)出交流或直流電壓的有效值。

最大持續(xù)工作電壓Uc：能長久施加在保護(hù)器的指定端，而不引起保護(hù)器特性變化和激活保護(hù)元件的最大電壓有效值。

標(biāo)稱放電電流In：給保護(hù)器施加波形為8/20s的標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊10次時，保護(hù)器所耐受的最大沖擊電流峰值。

最大放電電流Imax：給保護(hù)器施加波形為8/20s的標(biāo)準(zhǔn)雷電波沖擊1次時，保護(hù)器所耐受的最大沖擊電流峰值。

電壓保護(hù)級別Up：保護(hù)器在下列測試中的最大值：1KV/s斜率的跳火電壓；額定放電電流的殘壓。

安裝位置按照三級防雷保護(hù)原理，電源和設(shè)備所需要的保護(hù)措施被分為三個等級。在總配電柜安裝第一級防雷器，選擇相對通流容量大的電源防雷器（Imax80KA~160KA視情況而定），然后在下屬的區(qū)域配電箱處安裝第二級電源防雷器（Imax40KA左右），最后在設(shè)備前端安裝第三級電源防雷器（Imax10KA-40KA）。3

檢測報告防雷產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)符合國務(wù)院氣象主管機構(gòu)規(guī)定的使用要求。防雷產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)由國務(wù)院氣象主管機構(gòu)授權(quán)的檢測機構(gòu)測試，測試合格并符合相關(guān)要求后方可投入使用。申請國務(wù)院氣象主管機構(gòu)授權(quán)的防雷產(chǎn)品檢測機構(gòu),應(yīng)當(dāng)按照國家有關(guān)規(guī)定通過計量認(rèn)證、獲得資格認(rèn)可。

分級防護(hù)第一級防雷器可以對于直接雷擊電流進(jìn)行泄放，或者當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放，對于有可能發(fā)生直接雷擊的地方，必須進(jìn)行CLASS—I的防雷。第二級防雷器是針對前級防雷器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護(hù)設(shè)備，對于前級發(fā)生較大雷擊能量吸收時，仍有一部分對設(shè)備或第三級防雷器而言是相當(dāng)巨大的能量會傳導(dǎo)過來，需要第二級防雷器進(jìn)一步吸收。同時，經(jīng)過第一級防雷器的傳輸線路也會感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射LEMP，當(dāng)線路足夠長感應(yīng)雷的能量就變得足夠大，需要第二級防雷器進(jìn)一步對雷擊能量實施泄放。第三級防雷器是對LEMP和通過第二級防雷器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)1。

第一級保護(hù)目的是防止浪涌電壓直接從LPZ0區(qū)傳導(dǎo)進(jìn)入LPZ1區(qū)，將數(shù)萬至數(shù)十萬伏的浪涌電壓限制到2500—3000V。

入戶電力變壓器低壓側(cè)安裝的電源防雷器作為第一級保護(hù)時應(yīng)為三相電壓開關(guān)型電源防雷器，其雷電通流量不應(yīng)低于60KA。該級電源防雷器應(yīng)是連接在用戶供電系統(tǒng)入口進(jìn)線各相和大地之間的大容量電源防雷器。一般要求該級電源防雷器具備每相100KA以上的最大沖擊容量，要求的限制電壓小于1500V，稱之為CLASS I級電源防雷器。這些電磁防雷器是專為承受雷電和感應(yīng)雷擊的大電流以及吸引高能量浪涌而設(shè)計的，可將大量的浪涌電流分流到大地。它們僅提供限制電壓（沖擊電流流過電源防雷器時，線路上出現(xiàn)的最大電壓稱為限制電壓）為中等級別的保護(hù)，因為CLASS I級保護(hù)器主要是對大浪涌電流進(jìn)行吸收，僅靠它們是不能完全保護(hù)供電系統(tǒng)內(nèi)部的敏感用電設(shè)備的。

第一級電源防雷器可防范10/350μs、100KA的雷電波，達(dá)到IEC規(guī)定的最高防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。其技術(shù)參考為：雷電通流量大于或等于100KA（10/350μs）；殘壓值不大于2.5KV；響應(yīng)時間小于或等于100ns。

第二級防護(hù)目的是進(jìn)一步將通過第一級防雷器的殘余浪涌電壓的值限制到1500—2000V，對LPZ1—LPZ2實施等電位連接。

分配電柜線路輸出的電源防雷器作為第二級保護(hù)時應(yīng)為限壓型電源防雷器，其雷電流容量不應(yīng)低于20KA，應(yīng)安裝在向重要或敏感用電設(shè)備供電的分路配電處。這些電源防雷器對于通過了用戶供電入口處浪涌放電器的剩余浪涌能量進(jìn)行更完善的吸收，對于瞬態(tài)過電壓具有極好的抑制作用。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相45kA以上，要求的限制電壓應(yīng)小于1200V，稱之為CLASS Ⅱ級電源防雷器。一般用戶供電系統(tǒng)做到第二級保護(hù)就可以達(dá)到用電設(shè)備運行的要求了

第二級電源防雷器采用C類保護(hù)器進(jìn)行相—中、相—地以及中—地的全模式保護(hù)，主要技術(shù)參數(shù)為：雷電通流容量大于或等于40KA（8/20μs）；殘壓峰值不大于1000V；響應(yīng)時間不大于25ns。

第三級保護(hù)目的是最終保護(hù)設(shè)備的手段，將殘余浪涌電壓的值降低到1000V以內(nèi)，使浪涌的能量不致?lián)p壞設(shè)備。

在電子信息設(shè)備交流電源進(jìn)線端安裝的電源防雷器作為第三級保護(hù)時應(yīng)為串聯(lián)式限壓型電源防雷器，其雷電通流容量不應(yīng)低于10KA。

最后的防線可在用電設(shè)備內(nèi)部電源部分采用一個內(nèi)置式的電源防雷器，以達(dá)到完全消除微小的瞬態(tài)過電壓的目的。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相20KA或更低一些，要求的限制電壓應(yīng)小于1000V。對于一些特別重要或特別敏感的電子設(shè)備具備第三級保護(hù)是必要的，同時也可以保護(hù)用電設(shè)備免受系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓影響。

對于微波通信設(shè)備、移動機站通信設(shè)備及雷達(dá)設(shè)備等使用的整流電源，宜視其工作電壓的保護(hù)需要分別選用工作電壓適配的直流電源防雷器作為末級保護(hù)。

第四級及以上根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐壓等級，假如兩級防雷就可以做到限制電壓低于設(shè)備的耐壓水平，就只需要做兩級保護(hù)，假如設(shè)備的耐壓水平較低，可能需要四級甚至更多級的保護(hù)。第四級保護(hù)其雷電通流容量不應(yīng)低于5KA。3

安裝方法SPD常規(guī)安裝要求浪涌保護(hù)器采用35MM標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，對于固定式SPD，常規(guī)安裝應(yīng)遵循下述步驟1：

1）確定放電電流路徑

2）標(biāo)記在設(shè)備終端引起的額外電壓降的導(dǎo)線，。

3）為避免不必要的感應(yīng)回路，應(yīng)標(biāo)記每一設(shè)備的 PE導(dǎo)體，

4）設(shè)備與SPD之間建立等電位連接。

5）要進(jìn)行多級SPD的能量協(xié)調(diào)

為了限制安裝后的保護(hù)部分和不受保護(hù)的設(shè)備部分之間感應(yīng)耦合，需進(jìn)行一定測量。通過感應(yīng)源與犧牲電路的分離、回路角度的選擇和閉合回路區(qū)域的限制能降低互感，當(dāng)載流分量導(dǎo)線是閉合回路的一部分時，由于此導(dǎo)線接近電路而使回路和感應(yīng)電壓而減少。

一般來說，將被保護(hù)導(dǎo)線和沒被保護(hù)的導(dǎo)線分開比較好，而且，應(yīng)該與接地線分開。同時，為了避免動力電纜和通信電纜之間的瞬態(tài)正交耦合，應(yīng)該進(jìn)行必要的測量。

SPD接地線徑選擇數(shù)據(jù)線：要求大于2.5mm2；當(dāng)長度超過0.5米時要求大于4mm2。YD/T5098-1998。

電源線：相線截面積S≤16mm2 時，地線用S ；相線截面積16mm2≤S≤35mm2 時，地線用16mm2 ；相線截面積S≥35mm2時，地線要求S/2 ；GB 50057第2.2.9條3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)