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防雷器在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2011-03-09

中心議題:
  • 雷電防護(hù)基本原理
  • 防雷器簡介
  • 防雷器的選用
  • 防雷器的安裝

1  雷電防護(hù)基本原理

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

雷電是一種破壞性極大的強(qiáng)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(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電阻性、電容性、電感性及電磁場等耦合方式感應(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)。這樣,對于電子信息設(shè)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(gè)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(hù)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)將是一個(gè)系統(tǒng)工程。雷電防護(hù)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(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(gè)區(qū)域:
(1)LPZO(shè)A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(dǎo)走全部雷電流,本區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減;
(2)LPZO(shè)B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(dǎo)體的電流比LPZO(shè)B區(qū)進(jìn)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(jìn)一步減少所導(dǎo)引的電流和電磁場,就應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū),按照需要保護(hù)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(shè)置防雷保護(hù)區(qū)是為了避免因高能耦合而損壞設(shè)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(shè)置的。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、等電位連接等技術(shù)措施的實(shí)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(dǎo)電體的電位在瞬態(tài)現(xiàn)象時(shí)保持基本相等,其實(shí)質(zhì)就是均壓等電位連接的實(shí)施。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(gè)電位補(bǔ)償系統(tǒng),在瞬態(tài)現(xiàn)象存在的極短時(shí)間里,這個(gè)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(gè)等電位,這些導(dǎo)電部件也包括有源導(dǎo)線。通過這個(gè)完備的電位補(bǔ)償系統(tǒng),可以在極短時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)等電位區(qū)域,這個(gè)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。
雷電防護(hù)系統(tǒng)由3部分組成,各部分各施其責(zé),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。

2  防雷器

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),基于防雷器的防護(hù)方案是最簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠的雷電防護(hù)解決方案。防雷器的主要作用是瞬態(tài)現(xiàn)象時(shí)將其兩端的電位保持一致或限制在一個(gè)范圍內(nèi),轉(zhuǎn)移有源導(dǎo)體上多余能量。防雷器的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)均壓等電位連接的重要手段。防雷器的一些主要技術(shù)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(zhuǎn)移雷電流的能力,以kA為單位,與波形形式有關(guān)。

防雷器在功能上分為防直擊雷的防雷器和防感應(yīng)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(hù),如LPZO(shè)A區(qū)與LPZ1區(qū)交界處的保護(hù)。用10/350μs電流波形測試,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LPZO(shè)B區(qū)與LPZ1區(qū)、LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)交界處的保護(hù)。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(jì)算上能量比例為200:1,但實(shí)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(zhì)和形式,在很多應(yīng)用中可以通用。

響應(yīng)時(shí)間:防雷器對瞬態(tài)現(xiàn)象起控制作用所需的時(shí)間,與波形性質(zhì)有關(guān)。響應(yīng)時(shí)間是防雷器的一個(gè)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(zhì)有關(guān)。一般通過雷電流越小,殘壓就越低。在末級保護(hù)里,殘壓必須低于設(shè)備絕緣強(qiáng)度。[page]

3  防雷器的選用

為了使防雷器的防護(hù)能力取得理想的效果,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(gè)系統(tǒng)的金屬物質(zhì)內(nèi)進(jìn)行分配。整個(gè)過程中絕大部分能量在LPZO(shè)A區(qū)、LPZO(shè)B區(qū)和LPZ1區(qū)交界處轉(zhuǎn)移。這個(gè)評估模式用于估算在LPZO(shè)A區(qū)、LPZO(shè)B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(dǎo)線的規(guī)格。該處的雷電流為10/350μs電流波形。在各金屬物質(zhì)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(zhì),如電力線、信號線、自來水管、金屬構(gòu)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(rèn)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(hù)裝置保護(hù)之下,電力線可能被直擊雷擊中時(shí),電力線上的雷電流將增大。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。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(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;
供電線纜并接多個(gè)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(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(shí),采用串并式電源防雷器是個(gè)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;
濾波器本身對雷電感應(yīng)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(shí)現(xiàn)能量配合;
減少過電壓、過電流的上升速率,以實(shí)現(xiàn)低殘壓與長壽命以及極快的響應(yīng)時(shí)間。
(5)防雷器的其它參數(shù)選擇取決于各個(gè)被保護(hù)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(zhǔn)。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(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;
安裝的防雷器的通流能力小于應(yīng)轉(zhuǎn)移的雷電流;
防雷器的殘壓高于設(shè)備的絕緣強(qiáng)度;
線纜在建筑物內(nèi)長度較長時(shí)。
(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(gè)電子設(shè)備,或一個(gè)裝有多個(gè)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(shí)接有防雷器。也就是說,防雷器應(yīng)安裝在防雷區(qū)的界面處,以符合防護(hù)的層次性原則,末級防雷器則應(yīng)靠近設(shè)備安裝,設(shè)備外殼實(shí)際上也提供了一個(gè)防雷保護(hù)區(qū)的交界處。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以上將使防護(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過電壓,其輻值與線路長度、負(fù)載阻抗成正比。
(3)在使用電源防雷器的多級防護(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(shí)現(xiàn)能量分配的要點(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(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,適用于保護(hù)地線與被保護(hù)線纜有一定距離(>1m),這時(shí)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(shí),可利用專門的退耦器件,這時(shí)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(shè)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(diǎn),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(yīng)電壓有關(guān),注意在這種情況下,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(xiǎn)的。比如末級防雷器響應(yīng)電壓過低導(dǎo)致其響應(yīng)提早,從而引入的雷電流增大,響應(yīng)殘壓會過高。
實(shí)現(xiàn)電壓分配的要點(diǎn)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(shí),可利用專門的退耦器件,這時(shí)無距離要求。
(5)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、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。
(6)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。比如當(dāng)雷電來臨時(shí),L、N兩條線與地之間的電位被抬高。當(dāng)有一條線的防雷器失效或響應(yīng)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(zhuǎn)化為差模干擾而損壞設(shè)備。這要求必須實(shí)施多級保護(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、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。
(7)在另外一些情況下,錯(cuò)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。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(dá)到5m,20kA(8/20μs)雷電流通過防雷器時(shí),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(dá)到了3.8kV,使得總的殘壓達(dá)到了4.8kV。這時(shí),防雷器是工作了,但加在設(shè)備上的仍是危險(xiǎn)電壓,這個(gè)問題在未級防雷器的應(yīng)用中更加明顯。
解決這個(gè)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(dāng)連接線長度超過該值時(shí),可以采用兩根以上分開的連接線以分擔(dān)磁場強(qiáng)度,減少壓降,單純加粗連接線是沒有什么效果的。
必要時(shí)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)度較原來為小,但仍可能是危險(xiǎn)的。
解決這個(gè)問題的方法是輸入線、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。假設(shè)防雷器泄放20kA雷電流,不計(jì)防雷器限制電壓,防雷接地電阻即使是1Ω,在設(shè)備保護(hù)地與進(jìn)線之間仍會產(chǎn)生20kV的危險(xiǎn)電壓。
解決這個(gè)問題的方法是防雷器的接地應(yīng)與設(shè)備保護(hù)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(jìn)線處保險(xiǎn)裝置后,末級防雷器應(yīng)安裝在漏電保護(hù)裝置前端。
對于有防直擊雷功能的大通流能力的防雷器,應(yīng)在每條放電支路上加裝保險(xiǎn)裝置,容量為前置保險(xiǎn)絲的0.6倍,以防燒毀線纜,并有利于維護(hù)。串并式電源防雷器應(yīng)在前端加裝與載流量相符的保險(xiǎn)裝置。
防雷器除可以保護(hù)設(shè)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(shè)備前端裝設(shè)防雷器,可限制操作過電壓進(jìn)入電網(wǎng)。
防雷器的連接線應(yīng)采用多股銅絞線,不應(yīng)采用單股銅芯線,以便于雷電流泄放。其線徑應(yīng)按等電位連接導(dǎo)體的方法估算。
(9)配電形式對電源防雷器保護(hù)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(hù)模式應(yīng)該是相-地、中-地。
在TN系統(tǒng)里,負(fù)載不平衡、線纜長度短、中性阻抗低的,和TT系統(tǒng)以及一點(diǎn)接地的直流供電系統(tǒng)里,雷電的干擾很容易轉(zhuǎn)化為差模干擾,故對電力線的保護(hù)模式應(yīng)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(yīng)用的一些問題,在實(shí)際的防護(hù)工作中,對電源系統(tǒng)的線纜還應(yīng)該按照相關(guān)防雷規(guī)范做好屏蔽埋地引入、中性點(diǎn)接地和合理布線等基本措施。
(2)防雷器的防護(hù)效果取決于防雷器的選用和安裝技巧,所以應(yīng)向?qū)I(yè)防雷機(jī)構(gòu)或企業(yè)進(jìn)行咨詢。
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