淺析電涌保護器的作用

鄭有為

（唐山三友集團有限公司，河北唐山 063305）

淺析電涌保護器的作用

鄭有為

（唐山三友集團有限公司，河北唐山 063305）

對雷擊造成的繼發電磁脈沖的防護及電涌保護器的應用進行討論。介紹電涌保護器的原理及應用，并提出電涌保護器在選擇與應用中須考慮的若干問題。

電涌保護器；雷擊；位置；電壓保護水平；通流容量

1 繼發電磁脈沖的危害

近些年來，隨著電力電子技術的突破性進展，電氣設備及其系統的研發與制造趨向于低壓化、電子化、智能化。DCS集中控制系統、整流及變頻技術、PLC工業控制技術十分普遍的得到了應用，人們在掌握這些大幅提高生產效率的先進技術的同時，如何維護及保持這些設備的正常運行變得迫在眉睫。

由于這些設備的普遍特點是采用電子化元件作為二次控制，采用電力電子元件作為一次主回路，所以容易受電源波形特性影響，電磁兼容性要求高。這就使得這些設備在運行上高度智能化的同時，因受電力系統及電磁環境影響，而造成誤動作，由于控制的高度集中化，這些誤動作往往會造成很大范圍的電氣影響。下邊是我身邊最近發生的幾個例子：

1）2008年夏天，我市開發區某公司大樓遭雷擊，造成多部電梯計算機控制系統、攝像頭、大樓安防系統損壞。

2）2010年冬天，為我集團供電的220 k V變電站進行主變并列操作，由于PT倒閘操作時發生了鐵磁諧振，造成系統電壓波動，使我集團熱電公司6＃鍋爐的部分給粉機變頻器跳閘。

3）今年初，我區某單位由于配電室PEN線虛接，造成了相電壓的波動，使很多辦公室的計算機主機發生了電源盒燒毀的現象。

從長期實踐的經驗來看：造成這類設備損壞及誤動作的主要原因是系統過電壓及雷擊造成的繼發電磁脈沖。由于電氣現象的物理細節難于觀察，而造成的結果往往相同，故采取防范措施是很重要的。

2 利用電涌保護器預防雷擊

原有的建筑物防雷措施主要是外部防雷裝置（包括：接閃器、引下線和接地裝置）及內部防雷裝置（包括等電位連接）。由于現代建筑物的防雷對象發生了顯著的變化。閃電電涌的預防變得十分重要。閃電電涌的產生主要有兩種方式：一是閃電擊于防雷裝置或線路上，雷電流流經引下線和接地裝置時產生較高的電位對附近電氣和電子系統造成反擊；二是由雷擊電磁脈沖引發的過電壓、過電流的瞬態變化。現在看來，僅有內部、外部防雷裝置既不能避免雷擊電磁脈沖的影響，也不能實際的防止雷電反擊。為了保護建筑物內設備，還必須安裝電涌保護器，電涌保護器與內、外防雷裝置相配合能有效的泄放雷電流。

按照IEC的定義：電涌保護器是“用于限制瞬態過電壓和分泄電涌電流的器件。它至少含有一個非線性元件。”電涌保護器的基本功能限制瞬態過電壓和分泄電涌電流都是通過這個非線性元件完成的，該元件在系統正常時維持極高的阻抗性質，當電涌到來時能在及其短暫的時間內轉變為低阻抗元件，使得其所在線路的電壓保持在較低水平，并使大部分電涌電流經電阻較低的該回路泄放掉。電涌保護器按類型可分為不連續的開關型電涌保護器和連續的箝壓型電涌保護器及兩者的組合型電涌保護器。

3 電涌保護器的選擇與應用

3.1 電涌保護器的安裝位置

電涌保護器的安裝位置是以防雷分區為依據的，通常會按照電磁場的衰減程度將防雷區劃為：LPZ 0A、LPZ 0B、LPZ 1、LPZ 2、......LPZ n。根據安培環路定律：H＝I／L，其中，H是磁場強度，I是通過雷擊點的電流，L是以雷擊點為圓點，雷擊點至計算點的距離為半徑的環形周長。在不考慮屏蔽措施的情況下，應該以空間距離為主要考慮防雷分區的根據，不能按建筑物結構簡單的劃分。依據《GB50057建筑物防雷設計規范》（2010版）的原則：安裝的電涌保護器越靠近入戶線路處即安裝總配電箱處，其保護到的設備越多；電涌保護器越靠近需要保護的設備，其保護越有效。因此，電涌保護器的安裝位置要綜合考慮防雷分區及經濟利益等方面，做出經濟合理的安裝配置。

3.2 各級電涌保護器的電壓保護水平U p要與其保護的電氣設備耐沖擊電壓U w相配合

220／380V三相電源配電系統中設備絕緣耐沖擊電壓額定值如表1。電涌保護器的電壓保護水平Up應小于被保護設備類型的耐沖擊電壓，并大于在特定接地形式下電網的最高運行電壓。

表1 220／380V三相電源配電系統中設備絕緣耐沖擊電壓額定值

3.3 各級電涌保護器通流容量的考慮及其配合

在雷電流作用下，電涌保護器動作并于建筑物防雷接地裝置配合泄放雷電流，雷電流一部分經防雷接地裝置導入大地，一部分經外來管線導走，余下的部分經電涌保護器泄放。這就涉及到電涌保護器通流容量的選擇及各級保護器的配合。如果電涌保護器選用不當，流過保護器的電流大于其最大通流容量的限值，那么電涌保護器將發生諸如閃絡，穿孔，燒毀，爆炸等事故，電涌保護器也將起不到應有的作用。因此通流容量是電涌保護器在雷擊情況下動作可靠性的主導性因素，也決定了電涌保護器的價格，還是各級電涌保護器協調配合的主要內容。電涌保護器通流容量限值取決于電涌發生的方式，電涌發生的方式主要有3種：閃電靜電感應電涌、直擊雷電涌及閃電電涌入侵。閃電靜電感應電涌的概率比較大，但是其能量很小；閃電電涌入侵的概率也比較大，但是這種電涌的電壓受到一定限值，而且沿線有一定的行波阻抗，從而限制了電涌電流，所以這種電涌的能量也不很大。當建筑物受到直擊雷時，建筑物內電氣系統的地電位突然升高，由于當今接地電阻最低值是做到1Ω以下，所以假定10 k A的直擊雷電流流過，其接地裝置的電壓也能達到10 k V左右，這一電壓值足以擊穿目前任何低壓電氣電子設備。盡管建筑物遭受直擊雷的概率非常低，但是作為通流容量的上限值，其仍是選擇電涌保護器的依據。

第一級電涌保護器通流容量的確定：如3.2中所述，第一級電涌保護器安裝于LPZ 0A或LPZ 0B進入LPZ 1區界面位置。直擊雷的雷擊電流經建筑物接地裝置及所有進出建筑物的線路泄流（如圖1）。進戶管線基本為3種——通信線路、配電線路、水暖線路。每種線路分流為1／6，由于配電線路為3相線，所以流經電涌保護器每一相的電涌電流為1／18。按照《GB50057－2010建筑物防雷設計規范》附錄F第二類防雷建筑物首次正極性雷擊的雷電流參量計算，第二類防雷建筑物的雷電流為150 k A，電涌保護器每相的雷擊電涌電流為8.33 k A。考慮其它一些減少電涌保護器分流的因素，實際流過電涌保護器的電涌電流要小于上述計算值。由于耐得起10／350μs典型波形的部分雷電流的電涌保護器用Iimp電流做檢驗，故該處應選用Ⅰ級試驗的電涌保護器。

第二級別電涌保護器的確定：在防雷系統中一般是多級電涌保護器配合使用，后級電涌保護器泄放的主要是前級電涌保護器的殘壓及閃電入侵電涌、感應電涌及系統操作過電壓。因此通常用8／20 μs電流波形，用Ⅱ級試驗來檢驗。第三級電涌保護器一般位于設備附近，用來保護設備，流經此處的一級電涌保護器殘壓已經很小，其主要作用已經不是限制電涌電流而是限制電涌電壓，其同流容量不必太大，故以Ⅲ級試驗來檢驗。

圖1 直擊雷的雷擊電流經建筑物泄流

4 總 結

綜上所述，在電氣設備的電子化、智能化的發展趨勢下，相應的對電磁兼容要求不斷提高，防護過電壓的手段也在不斷提高，電涌保護器的應用及其與建筑物防雷設備的配合使用能有效的保護電氣設備。電涌保護器的選擇及應用應根據具體的防雷分區及經濟利益來考慮，以便在設計、施工、維護上做到經濟合理。

［1］ 林維勇，張豐收.SPD設計使用中若干問題的討論［J］.電氣應用，2005（8）.16－21

［2］ 葉蜚譽.建筑物電源電涌保護設計若干問題［J］.電氣工程應用，2003（1，2）

［3］ GB50057－2010建筑物防雷設計規范［S］

TQ 086.1

B

1005－8370（2012）03－44－03

2012－03－31

鄭有為（1982—），畢業于河北農業大學機電工程學院，電氣工程及其自動化專業，在唐山三友化工股份有限公司從事電氣方面的技術、設計工作，助理工程師。主要項目：“濃海水綜合利用項目”的防雷接地、照明和部分動力配電設計，“新節能蒸餾項目”鹽泥壓濾部分、“鹽泥回收再利用項目”（既碳酸鈣生產工藝）的動力、照明、防雷接地設計。