防雷器在电源系统中的应用研究

李 明，宋 娟

（河南机电高等专科学校，新乡 453002）

1 防雷器在电源系统中的应用原理与作用

雷电与雷电电磁脉冲会对电源系统产生极强的干扰，从而导致电源设备的损害，导致电源系统的瘫痪，因此必须切实做好电源系统的雷电防护工作。在雷电对电源系统的损害中，地线通道的电位反击以及金属管线通道的浪涌是造成电源系统破坏的主要原因，雷电的破坏性和危害主要是雷电电磁脉冲的耦合能量。因此泄放过大的雷电电磁脉冲和雷电的耦合能量和均衡电源系统所有金属电线或者导电体的电位是雷电防护的中心内容。因为雷电与雷电电磁冲脉的耦合能量具有层次性，因此，在泄放过程中也必须符合层次性的需求，按照防雷保护区的层次把电源系统中过大的能量泄放入地，以削弱雷电与雷电电磁脉冲的能量，防止电源设备的损害，减轻对电源系统的破坏程度。而均衡方面，主要技术是把等电位连接所用的金属导线、防雷器和可靠的接地系统连结起来，组成一个有效的电位补偿系统，这个补偿系统能够对瞬态现象做出及时迅速的反应，快速的建立起一个等电位，以保护所处区域内的所有导电部件和有源导线。防雷器在防雷系统中的应用由三个部分组成：由引下线、接闪器和接地体组成的外部防护系统，防雷器主要功能是将雷电能量导入地形泄放；有合理的接、布线和屏蔽组成的过渡防护系统，防雷器的主要作用是阻塞和尽量减少地线通道和金属通道等引入的感应；由过电压保护、均压等位线连接组成的内部防护，防雷器能够有效限制过电压的值度，均衡电压系统中的电位。

2 电源系统中防雷器的选用

用于电源系统中的防雷器称为电源防雷器，其主要功能是在瞬态现象时使电源系统两端的带电位保护一致或者把其两端的电位限制在一定范围之内，转移地线和金属电线及所有有源导体上的多余能量，防止电压设备损坏，降低雷电对电压系统的破坏性。防雷器保护方案是电源系统中防雷波爱护最经济和最简单的方案，要保证防雷器取得理想的防雷效果，应该注重选择合适的防雷器、选择合适的防雷器装置地点。

2.1 根据建筑物不同设施进入的雷电流分配情况选用合适的防雷器

由于建筑物各种设施的材质构造等不同，进入建筑物不同设施的雷电流也不相同，在建筑物中各种设施的电流分配情况，大约有百分之五十的雷电流通过外部的防雷器和其他防雷装置泄放到地下，另外的百分之五十雷电流会在整个系统的金属物质中分配。这50%的雷电流分配在整个过程中大部分都在LPZ3OB区、LPZ3OA区、LPZ31区三个区的交界处进行转移。通过估算在LPZ3OB区、LPZ3OA区、LPZ31区三个区交界处作为等待那我连接的防雷器的流通能力、估算等电位连接器和金属导线的规格等。在这三个区的交界处雷电流是10/350µs电流波形，这样就能够切实根据这个数据来选择合理的防雷器。雷电流在金属物质中的分配情况：金属各部分的雷电流数值与幅值取决于各金属分配通道的感抗与阻抗。所谓分配通道就是指各种可能被分配到雷电流的金属物质，如金属导线、电力线、金属信号线、金属自来水管、金属构架等各种接地线和金属导线，这些各种各样的金属管线和地线一般都只以自己的接地电阻值来估算雷电流的大小。在不能确定雷电流大小时，可以粗略的估算接地的电阻都相等，也就是说每种金属管线和接地对雷电流进行平均分配。

2.2 根据电力线雷电流分配的情况，选择保护类型

保护类型的选择主要是指SPD的保护模式。仅选用L-PE、N-PE的共模保护模式是有缺陷的，会引起很多问题，其原由在于我们国家规定在N线上不能安装空开，当电路出现L-N短路故障或零点产生较大漂移时使N-PE上SPD长时间有大电流通过，加速SPD的老化容易引发SPD烧毁。故对于低压侧除选择共模的保护方式外，还应选择包括差模在内的保护，3+1类型的保护模式则可以很好的解决这类问题，采用“3+1”电路，即用3个ZnO压敏电阻模块分别接在L1、2、3与N线间，用一个放电间隙模块接在N/PE间，其优点在于采用这种电路后，限压型SPD模块皆置于L/N间，一旦出现短路失效，由于回路电阻比原来L-PE的方式小了很多 (低压供电系统L/N间短路电流一般为数千安培)，SPD前面的过流保护装置将更容易动作，从而避免火灾，而且实现了差模保护。另外这种类型SPD有个关键在于其N-PE间的模块（对N-PE模块的要求下面单独说明），它通常为一个间隙型放电元件，由于加在N/PE间，不存在动作分散性问题、灭弧问题、响应速度问题，当L-N间SPD动作后促使N-PE间SPD动作从而实现雷电流L-PE对地释放的共模保护。3+1结构是一种全模式的保护方式，适用于各种接地方式的供电系统，故在开关电源的C类SPD的使用上应采用“3+1”这种全保护类型模式。

2.3 后续防雷区选择合适的电源防雷器

后续防雷区的雷电流分配情况主要采用后续评估模式，也就是对估LPZ 3 1区以后的防护区交界处的电流分配情况进行评估，从而为防雷器的选择提供依据。由于用户的侧绝缘阻抗相对于外引线路的阻抗和防雷器的放电支路阻抗来说，远远大于这两者，因此，切实进入后续防雷区的雷电流量也会相应的减少，在具体的雷电流数值上不需求再进行特别估算。所以在后续防雷区的防雷器选择上不需要采用流通能力大的防雷器，但是必须要保证用于后续防雷区的电源防雷器的流通能力在20kA（8/20µs）以下。此外，由于各级防雷区之间的电压配合和能量分配不明确，并且其他很多相关的因素也难以确定时，电源防雷器的选择上可以采用串联式的电源防雷器。串联式的电源防雷器相对于传统的并联式防雷器而言，比较符合现代的保护范围广、层次分区等特点，并且也能满足现代防雷器多种场合应用的需求。串联式防雷器的主要优势与特色有：1）应用广泛，从常规的建筑物防雷到保护区难以区别的防雷场所都能应用；2）串联式防雷器本身的滤波器在一定程度上能够抑制雷电感应；3）感性退耦器件能够有效的对瞬态过电压进行延迟和分压、因而能够有效的实现能能量的配合；4）串联式的防雷器能够减少过电流上升速度，降低过电压的上升速率，以实现低残压与长寿命以及极快的响应时间。

3 电源系统中防雷器的安装

在电源系统的防雷工作必须实现电源线多级防护，也就是根据每一个防雷区主机减弱的层次保证各级限制电压之间的相互配合，从而保证过电压值得到限制，稳定在设备绝缘强度之内。在电源防雷区的某一级防雷器失效或者是防雷器中的某一路失效的情况下，电线电缆在建筑物中的长度过长时、防雷器的残压与设备之间的绝缘强度不相配合时，必须切实做好电源系统中的多级防护。电源系统中的电缆防护至少必须是分两级以上，为了达到切实的防雷效果，必须在各级防雷区设置相应功能的防雷器，并且可以通过设置串联式防雷器实施多级保护。防雷器的安装可以针对某一单个电源设备，也可以装置与多个电源设备的空间之内，并且保证所有穿过空间屏蔽的防雷区的导线和防雷界面接设防雷器。

在电源系统的孩子防雷器的多级防护中，必须切实注意电源能量的分配，以防止引入更多的雷电能量进入防雷区域。在电源孩子防雷器设置中必须根据规定的书评估模式来选择相应的防雷器，切实减少防雷器流过的雷电流极，限制电压。防雷器之间线缆的感抗是实现电压配合和能量分配的焦点，因此必须切实保证两级防雷器之间的线缆长度适宜，保证在15米左右为最佳。同时防雷器之间的分支线路电缆长度对防雷器效果也有实际的影响，当保护线缆与保护地线之间的距离大于1米时，线缆长度必须保证大于5米以上。此外，在不适宜采用线缆本身作退耦时，可以利用专门的退耦器件进行防雷设置，可以不需要考虑到电缆之间的距离与长度要求。退耦器件能够有效的实现电压配合和能量分配，作为退耦器件的材料主要有电缆、电阻和电感。滤波器作为退耦器件的防雷器组合形式能够使用与各种防雷场所。

在防雷器的安装上也必须切实防止在某些极端情况下进行，以杜绝因为防雷器可能带来的设备损坏现象发生。在防雷器保护的几条线其中一条线上的是失效或者反应速度过慢时，要求安装多级防护防雷器，同时必须注意加强对防雷器的维护。防雷器必须安装电流层次原则进行安装，充分考虑到防雷保护区的能力配合、电压分配。要避免防雷器的接地线靠近、输出线和输入线、并排敷设情况的发生，对输出线、输入线和地线垂直敷设或者是分开敷设，并且尽量减少线路并行敷设的长度，以拉开敷设距离切实保障防雷器的效果。

4 结论

雷电和雷电电磁冲脉是一种破坏性极强、功率极大的强干扰源。雷电干扰源主要的组成部分是高频成分和低频成分，高频成分具有极强的渗透性。雷电主要通过两种形式对电源系统产生损伤和破坏：其一是通过闪电通道和泄流通道的雷电电磁脉冲以电感性、电容性、电阻性以及电磁场等耦合方式感应到地线或者是其他金属管线中，从而产生波浪导致电源设备的损害；其二是雷电和雷电脉冲直接通地线或者其他金属管线传导，从而导致电源设备或者其他相关设备的损害。对于电源系统来说，雷电的破坏性和危害主要是雷电电磁脉冲的耦合能量。在电源系统的防雷器选择和安装上，要趋利避害，根据电源系统与建筑物的实际情况选择有效的防雷器，并且科学合理的安装。

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