淺談SPD在建筑物電子信息系統中的防雷

李郭然 蔣玉坤 彭書林 牛建仁

摘 要：本文通過對建筑防雷的認識，針對建筑物內電子信息系統的SPD防雷原理做了說明，并對電子信息系統SPD防雷設計方案中應遵循的技術規則及安裝要求進行了分析。

關鍵詞：建筑物；防雷；SPD

1、引言

雷電是一種大氣放電現象，產生于積雨云中，積雨云在形成過程中，某些云團帶正電荷，某些云團帶負電荷。它們對大地的靜電感應，使地面或建筑物表面產生異性電荷，當電荷積聚到一定程度時，不同電荷云團之間，或云團與大地之間的電場強度可以擊穿空氣（一般為25-30kV/cm），開始游離放電。雷電的形成要經過先到放到到主放電階段，在主放電階段里，會出現很大的雷電流（一般為幾十kA至幾百kA），并隨之發生強烈的閃電和巨響，這就形成了雷電[1]。

雷電是一種古老而又神秘的自然現象。在人類社會歷史的各個時期都記錄著人與雷電抗爭的經驗。雷電危害可分為直擊雷和感應雷兩種，直擊雷是雷云之間對建筑物的放電現象，雷電放電過程中伴隨著強大的電流脈沖、極高的溫度及強烈的機械力破壞放電路徑上的建筑物、電子設備甚至危害人生安全[2]。感應雷是雷云與大地之間放電時產生的電磁輻射形成過電壓對建筑物內外的金屬管道、信號線、室內電子設備的損害。在建筑物中的防雷方案中可區分為外部防雷和內部防雷，外部防雷主要對直擊雷的防護，通常的做法就是利用富蘭克林避雷針接引雷電流，通過引下線與接地極把雷電流安全泄放到大地從而保護建筑物避免雷電的傷害。建筑物中的內部防雷主要是對雷電流侵入引起的過電壓對建筑物內的供電系統、計算機、精密電子設備等的干擾和損壞[3]。

2、SPD防雷原理

建筑物內部防雷通常是做等電位連接，屏蔽以及接地措施，所有建筑物內的大尺寸金屬部件、電器設備等都做等電位連接在一起，并與外部防雷裝置相連。在信息時代的今天，以集成電路為核心組件的通信計算機網絡與監控等先進電子設備出現在人們現代生活的各個領域，精密儀器對雷電涌非常敏感，除了通常的等電位連接外大部分的電子信息設備都需要近距離的高精度防雷保護。

目前比較常用的建筑物內電子信息設備的防雷保護主要是利用SPD（Surge protection Device）電涌保護器對建筑物內雷電引起的過電壓電涌進行保護實現極短時間內對過電流進行分流泄放的功能[4]。SPD是用于限制瞬態過電壓和泄放浪涌電流的電器，器件內有非線性元件，可分為電壓開關型浪涌保護器與電壓限制型浪涌保護器兩種，SPD工作原理如圖1所示：

圖1 SPD安裝示意圖[5]

如圖1所示SPD安裝示意圖，其基本工作原理是SPD在正常情況時呈現高阻狀態，當電子信息設備電路遭遇過電壓時，SPD呈現低阻狀態，在納秒級時間內實現低阻導通，瞬間泄放能力到大地，將過電壓控制到一定水平，當瞬態雷擊過電壓消失后，SPD立即就恢復到了高阻狀態，熄滅在過電壓通過后產生的工頻續流從而保護設備不被雷電過電壓傷害[6]。

根據GB50343（2012版）建筑物電子信息系統防雷技術規范電壓開關型SPD是指在無浪涌時呈高阻抗，當出現電壓浪涌時突變為低阻抗，通常采用放電間隙、氣體放電管、晶閘管和三端雙向可控硅元件作為這類浪涌保護器的組件。電壓限制型SPD是指在無浪涌時呈高阻抗，隨著浪涌電流和電壓的增加其阻抗會不斷減小，又稱為限壓型SPD，這類裝置的常用器件有壓敏電阻和抑制二極管。還有一種組合型SPD即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二者兼有的特性，這決定于所加電壓的特性。

3、SPD在電子信息設備中的防雷方案

建筑物電子信息系統的雷電防護，應考慮建筑物的重要性、使用性質、周圍環境因素、信息系統設備的重要性、發生雷擊事故的可能性和后果的嚴重程度等因素，采用雷擊風險評估方法，對電子信息系統雷電防護等級進行綜合評估計算后，將信息系統雷電防護等級定為A、B、C、D四個等級，采取不同的防護措施，參照國標GB50343（2012版）建筑物電子信息系統雷電防護等級的確定如表一所示：

表一 建筑物電子信息系統雷電防護等級

根據雷電防護等級評估為A、B等級的電子信息系統，應安裝三級SPD進行防護，風險評估為C、D等級的電子信息系統應安裝兩級SPD防護，其它類型信息設備及線路SPD的選擇，應根據信息設備的工作頻率、電壓、阻抗特性、傳輸頻率、頻帶寬度、接口類型選用電壓駐波比和插入損耗小的適配的SPD。對于無極性的信號傳輸線路不能靠安裝信號SPD方法防止雷電感應損壞設備，而應對傳輸線路采用電磁場完善屏蔽或采用特殊結構的線纜實現防止雷電感應損壞設備。無極性信號傳輸線路不能安裝信號SPD，否則安裝在無極性信號傳輸線路的SPD在雷擊瞬間初始階段雷擊電壓達到峰值之前，由于SPD內的瞬態二極管導通近似短路，設備的接口板或主板已損壞，解決無極性信號傳輸線路防雷的有效措施是對雷電感應采取完善屏蔽或利用損耗型線纜，對無極性信號傳輸線路防雷有良好效果。

建筑物電子系統防雷中在設計SPD時，首先要確定SPD的測試類型，依據信號用SPD安裝部位防雷分區及浪涌進入的耦合機制來確定。對建筑物中電子信息系統的保護使用SPD還應當確定SPD的保護水平，要充分從被保護設備沖擊抗擾度的基礎上來確定SPD 的保護水平，然后通過設備所在的防雷區劃分和設備所處的電磁環境上選擇SPD 的類型、安裝位置和安裝方法，并確認其注意事。

SPD的安裝使用中最重要的要遵循合理的配合，在需要保護系統中安裝SPD的數量取決于防雷區的概念以及保護設備的抗擾度和易損性，在對電子信息設備的保護中各SPD的配合應避免系統內的SPD承受過分壓力，各個SPD的壓力取決于他們的安裝位置及性能。只要順序安裝了兩個及其以上的SPD，就需要遵循SPD與保護設備的配合，對于所有的電涌電流流經由任何SPD耗散的部分能量低于或等于它承受的能量的話，能量配合就實現了，配合的目的就是利用SPD將總威脅設備安全值減到被保護設備能耐受的范圍內。各個SPD承擔泄放的電涌電流量不超過額定值，為了確保SPD充分配合好，必須滿足如果電涌電流經過任何SPD耗散的部分能量低于或等于該SPD能承受的能量則實現了配合，這個最大耐受能量定義為SPD所能承受不致引起性能惡化的最大能量，為了確保SPD的使用壽命，最好設計為SPD的雷電流不超過SPD標稱導通電流。目前的技術是通過選擇不使用退藕元件的配合以及使用退藕元件的配合這兩個原則來實現SPD之間的能量配合。不使用退藕元件的配合是以靜態伏安特性進行配合，這種方法不需要退藕元件，退藕是由線路的自然阻抗供給的，這一原則最適合于限壓型SPD。使用退藕元件的配合是使用具有足夠電涌承受能力的阻抗作為退藕元件，退藕元件既可采用分立元件也可采用各防雷區界面及設備之間電纜的固有電阻及電感實現。

在建筑物內電子信息設備防雷中接線中， SPD可連接在L（相線）、N（中性線）、PE（保護線）間，如L-L、L-N、L-PE、N-PE，這些連接方式稱為保護模式，它們與供電系統的接地型式有關。按GB50054-95《低壓配電設計規范》規定，供電系統的接地形式可分為：TN-S系統（三相五線）、TN-C系統（三相四線）TN-C-S系統（由三相四線改為三相五線）、IT系統（三相三線）和TT系統（三相四線，電源有一點與地直接連接，負荷側電氣裝置外露可導電部分連接的接地極與電源接地極無電氣聯系）。目前，浪涌保護器的保護模式大部分是4個保護模式（L-PE，N-PE），即三根火線分別與保護線，中性線與保護線連接。

4、總結

在建筑物電子信息系統SPD防雷設計中，要堅持綜合防雷的原則，安裝設計要符合安裝現場的實際，充分了解分析現場安裝電磁環境，結合經濟效益綜合評估，堅持科學實用的原則參照國標等專業技術做好防雷工作。

參考文獻

[1] 吳恩鑫，丘炎仁. 淺談建筑物電源SPD[J]. 科技致富向導，2015， 264.

[2] 曹興華. 電涌保護器（SPD）的原理及應用[J] 中國高新技術企業旬刊，2012（26）：93-95.

[3] 張貴鵬. 建筑物防雷的SPD三級防護設計[J] 城市建設理論研究，2014.

[4] 葉平，劉仲達，熊芳瑜等. 建筑物電子系統用SPD設計的基本原則、內容和方法[J]. 城市建設理論研究：電子版，2012，1-9.

[5] 鄭文健. 淺談浪涌保護器SPD在防雷設計中的應用[J]. 江蘇電器，2006， （2）：24-27.

[6] 胡瑋. 現代新建筑的電涌保護器應用[J]. 安徽電子信息職業技術學院學報，2007， 2：105-107.

第一作者簡介：李郭然，國網漳州供電公司，本科，工程師，1979年4月出生。