浅析电涌保护器的作用

郑有为

（唐山三友集团有限公司，河北唐山 063305）

浅析电涌保护器的作用

郑有为

（唐山三友集团有限公司，河北唐山 063305）

对雷击造成的继发电磁脉冲的防护及电涌保护器的应用进行讨论。介绍电涌保护器的原理及应用，并提出电涌保护器在选择与应用中须考虑的若干问题。

电涌保护器；雷击；位置；电压保护水平；通流容量

1 继发电磁脉冲的危害

近些年来，随着电力电子技术的突破性进展，电气设备及其系统的研发与制造趋向于低压化、电子化、智能化。DCS集中控制系统、整流及变频技术、PLC工业控制技术十分普遍的得到了应用，人们在掌握这些大幅提高生产效率的先进技术的同时，如何维护及保持这些设备的正常运行变得迫在眉睫。

由于这些设备的普遍特点是采用电子化元件作为二次控制，采用电力电子元件作为一次主回路，所以容易受电源波形特性影响，电磁兼容性要求高。这就使得这些设备在运行上高度智能化的同时，因受电力系统及电磁环境影响，而造成误动作，由于控制的高度集中化，这些误动作往往会造成很大范围的电气影响。下边是我身边最近发生的几个例子：

1）2008年夏天，我市开发区某公司大楼遭雷击，造成多部电梯计算机控制系统、摄像头、大楼安防系统损坏。

2）2010年冬天，为我集团供电的220 k V变电站进行主变并列操作，由于PT倒闸操作时发生了铁磁谐振，造成系统电压波动，使我集团热电公司6＃锅炉的部分给粉机变频器跳闸。

3）今年初，我区某单位由于配电室PEN线虚接，造成了相电压的波动，使很多办公室的计算机主机发生了电源盒烧毁的现象。

从长期实践的经验来看：造成这类设备损坏及误动作的主要原因是系统过电压及雷击造成的继发电磁脉冲。由于电气现象的物理细节难于观察，而造成的结果往往相同，故采取防范措施是很重要的。

2 利用电涌保护器预防雷击

原有的建筑物防雷措施主要是外部防雷装置（包括：接闪器、引下线和接地装置）及内部防雷装置（包括等电位连接）。由于现代建筑物的防雷对象发生了显著的变化。闪电电涌的预防变得十分重要。闪电电涌的产生主要有两种方式：一是闪电击于防雷装置或线路上，雷电流流经引下线和接地装置时产生较高的电位对附近电气和电子系统造成反击；二是由雷击电磁脉冲引发的过电压、过电流的瞬态变化。现在看来，仅有内部、外部防雷装置既不能避免雷击电磁脉冲的影响，也不能实际的防止雷电反击。为了保护建筑物内设备，还必须安装电涌保护器，电涌保护器与内、外防雷装置相配合能有效的泄放雷电流。

按照IEC的定义：电涌保护器是“用于限制瞬态过电压和分泄电涌电流的器件。它至少含有一个非线性元件。”电涌保护器的基本功能限制瞬态过电压和分泄电涌电流都是通过这个非线性元件完成的，该元件在系统正常时维持极高的阻抗性质，当电涌到来时能在及其短暂的时间内转变为低阻抗元件，使得其所在线路的电压保持在较低水平，并使大部分电涌电流经电阻较低的该回路泄放掉。电涌保护器按类型可分为不连续的开关型电涌保护器和连续的箝压型电涌保护器及两者的组合型电涌保护器。

3 电涌保护器的选择与应用

3.1 电涌保护器的安装位置

电涌保护器的安装位置是以防雷分区为依据的，通常会按照电磁场的衰减程度将防雷区划为：LPZ 0A、LPZ 0B、LPZ 1、LPZ 2、......LPZ n。根据安培环路定律：H＝I／L，其中，H是磁场强度，I是通过雷击点的电流，L是以雷击点为圆点，雷击点至计算点的距离为半径的环形周长。在不考虑屏蔽措施的情况下，应该以空间距离为主要考虑防雷分区的根据，不能按建筑物结构简单的划分。依据《GB50057建筑物防雷设计规范》（2010版）的原则：安装的电涌保护器越靠近入户线路处即安装总配电箱处，其保护到的设备越多；电涌保护器越靠近需要保护的设备，其保护越有效。因此，电涌保护器的安装位置要综合考虑防雷分区及经济利益等方面，做出经济合理的安装配置。

3.2 各级电涌保护器的电压保护水平U p要与其保护的电气设备耐冲击电压U w相配合

220／380V三相电源配电系统中设备绝缘耐冲击电压额定值如表1。电涌保护器的电压保护水平Up应小于被保护设备类型的耐冲击电压，并大于在特定接地形式下电网的最高运行电压。

表1 220／380V三相电源配电系统中设备绝缘耐冲击电压额定值

3.3 各级电涌保护器通流容量的考虑及其配合

在雷电流作用下，电涌保护器动作并于建筑物防雷接地装置配合泄放雷电流，雷电流一部分经防雷接地装置导入大地，一部分经外来管线导走，余下的部分经电涌保护器泄放。这就涉及到电涌保护器通流容量的选择及各级保护器的配合。如果电涌保护器选用不当，流过保护器的电流大于其最大通流容量的限值，那么电涌保护器将发生诸如闪络，穿孔，烧毁，爆炸等事故，电涌保护器也将起不到应有的作用。因此通流容量是电涌保护器在雷击情况下动作可靠性的主导性因素，也决定了电涌保护器的价格，还是各级电涌保护器协调配合的主要内容。电涌保护器通流容量限值取决于电涌发生的方式，电涌发生的方式主要有3种：闪电静电感应电涌、直击雷电涌及闪电电涌入侵。闪电静电感应电涌的概率比较大，但是其能量很小；闪电电涌入侵的概率也比较大，但是这种电涌的电压受到一定限值，而且沿线有一定的行波阻抗，从而限制了电涌电流，所以这种电涌的能量也不很大。当建筑物受到直击雷时，建筑物内电气系统的地电位突然升高，由于当今接地电阻最低值是做到1Ω以下，所以假定10 k A的直击雷电流流过，其接地装置的电压也能达到10 k V左右，这一电压值足以击穿目前任何低压电气电子设备。尽管建筑物遭受直击雷的概率非常低，但是作为通流容量的上限值，其仍是选择电涌保护器的依据。

第一级电涌保护器通流容量的确定：如3.2中所述，第一级电涌保护器安装于LPZ 0A或LPZ 0B进入LPZ 1区界面位置。直击雷的雷击电流经建筑物接地装置及所有进出建筑物的线路泄流（如图1）。进户管线基本为3种——通信线路、配电线路、水暖线路。每种线路分流为1／6，由于配电线路为3相线，所以流经电涌保护器每一相的电涌电流为1／18。按照《GB50057－2010建筑物防雷设计规范》附录F第二类防雷建筑物首次正极性雷击的雷电流参量计算，第二类防雷建筑物的雷电流为150 k A，电涌保护器每相的雷击电涌电流为8.33 k A。考虑其它一些减少电涌保护器分流的因素，实际流过电涌保护器的电涌电流要小于上述计算值。由于耐得起10／350μs典型波形的部分雷电流的电涌保护器用Iimp电流做检验，故该处应选用Ⅰ级试验的电涌保护器。

第二级别电涌保护器的确定：在防雷系统中一般是多级电涌保护器配合使用，后级电涌保护器泄放的主要是前级电涌保护器的残压及闪电入侵电涌、感应电涌及系统操作过电压。因此通常用8／20 μs电流波形，用Ⅱ级试验来检验。第三级电涌保护器一般位于设备附近，用来保护设备，流经此处的一级电涌保护器残压已经很小，其主要作用已经不是限制电涌电流而是限制电涌电压，其同流容量不必太大，故以Ⅲ级试验来检验。

图1 直击雷的雷击电流经建筑物泄流

4 总 结

综上所述，在电气设备的电子化、智能化的发展趋势下，相应的对电磁兼容要求不断提高，防护过电压的手段也在不断提高，电涌保护器的应用及其与建筑物防雷设备的配合使用能有效的保护电气设备。电涌保护器的选择及应用应根据具体的防雷分区及经济利益来考虑，以便在设计、施工、维护上做到经济合理。

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［2］ 叶蜚誉.建筑物电源电涌保护设计若干问题［J］.电气工程应用，2003（1，2）

［3］ GB50057－2010建筑物防雷设计规范［S］

TQ 086.1

B

1005－8370（2012）03－44－03

2012－03－31

郑有为（1982—），毕业于河北农业大学机电工程学院，电气工程及其自动化专业，在唐山三友化工股份有限公司从事电气方面的技术、设计工作，助理工程师。主要项目：“浓海水综合利用项目”的防雷接地、照明和部分动力配电设计，“新节能蒸馏项目”盐泥压滤部分、“盐泥回收再利用项目”（既碳酸钙生产工艺）的动力、照明、防雷接地设计。