浅谈雷电防护与SPD选择

宫奇伟 李锐坚

摘 要：电涌保护器（Surge protection Device）是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，过去常称为"避雷器"或"过电压保护器"英文简写为SPD.电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。本文主要概述了雷电的产生、雷电的危害及形式；防护区的分类；电气线路三级防雷；SPD的选择以及SPD后备保护元器件的选择等内容。

关键词：雷电；防护；SPD

0 前言

正雷电直击情况下，由于雷电流有极大峰值和陡度，在它周围的空间有强大的变化的电磁场，处在这电磁场中的导体会感应出较大的电动势。当雷电流通过引下线入地时，在小金属环开口处可感应出高达数千伏的高电压，足以击坏附近的电子元器件。而当SPD安装于界面附近的被保护设备处时，至该设备的线路应能承受所发生的电涌电压及电流，且线路的金属保护层或屏蔽层宜首先在界面处做一次等电位联结，由于弱电系统大量采用了COMS电路，工作电平TTL，极易受到雷击电磁脉冲的冲击。轻则造成软件故障、当机，停工停产。重则造成设备损坏、生产瘫痪。因此应引起各行各业的高度重视。

1 雷电基本知识

1.1雷电产生

大气中的强对流会伴随着电荷分布的变化，大气电场也会随之发生变化，从而形成雷雨云（专业称”积雨云”），雷雨云团之间或雷雨云团与大地之间就可能发生剧烈的放电现象，这种强烈的放电就是闪电，又称雷电或雷击。

1.2雷电的危害和雷电防护区

⑴雷电危害

直击雷：直击雷是雷雨云对大地或建筑物的放电现象。它产生强大的脉冲电流、炽热的高温、猛烈的电动力损坏放电通道上的建筑物、输电线、室外电气、电子设备，击死击伤人员，同时产生的强烈的电磁感应和电磁辐射，对周围的电气、电子设备造成损坏或干扰。

雷击电磁脉冲（LEMP）：雷击电磁脉冲是由于雷雨云之间和雷雨云与大地之间放电时，产生的电磁感应、电磁辐射以及雷雨云与输电线静电感应电荷在雷击放电瞬间泄放，产生的过电压、过电流通过连接建筑物内外的各种金属管道、电源线、信号线、电视天线等进入室内设备，使用电设备损害。

⑵雷电防护区

直击雷非防护区（LPZOA区）：本区内的各类物体完全暴露在外部防雷装置的保护范围之外，都可能遭到直接雷击；本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减，属完全暴露的不设防区。

直击雷防护区（LPZOB区）：本区的各类物体处在外部防雷装置保护范围之内，应很少能遭到大于所选滚球半径的直接雷击；但本区内电磁场未得到任何屏蔽衰减，属充分暴露的直击雷防护区。

第一屏蔽保护区（LPz1区）：本区内的各类物体不可能遭受直接雷击，流经各类导体的雷电流已经分流，比LPZOB区进一步减小；且由于屏蔽措施，本区的电磁场强度也已得到了初步的衰减。为了进一步减小雷击电磁脉冲的影响，可设第二屏蔽保护区LPZ2：和第三屏蔽保护区LPZ3。

2 典型雷电描述

2.1雷电波形

⑴10/350uS是时间与电流的曲线，是典型雷电击穿大地的雷电流曲线，是雷电直接袭击电力线和避雷针的雷电流曲线。我们一般称直击雷波形。

⑵8/20uS是时间与电流的曲线，是典型雷电击穿大地（避雷针或临近接闪物）引起的电磁脉冲感应过电压，这个感应过电压击穿、烧毁设备时的电流曲线。我们一般称感应雷波形。

2.2直击雷波形和感应雷波形的区别

⑴标准与规定的差异性：IEC国际电工委员会标准IEC1024《建筑设计防雷规范》、IEC1312《雷电电磁脉冲防护》均执行10/350uS和8/20uS雷电波形。国家标准GB11032-2000《交流避雷器》、GB3482-3483-83《电子设备雷击实验、导则》均执行8/20uS雷电波形。

⑵根据理论计算，同等雷击电流作用下，10/350uS和8/20uS雷电焦耳能量之比为17.5（比如：一个8/20uS雷电流10KA其雷电焦耳为1000J，那么，一个10/350uS雷电流10KA其雷电焦耳近似为17500J），10/350uS和8/20uS雷电焦耳能量是有本质上的区别。

⑶2000年10月1日，国家颁布了GB50057-2000《建筑设计防雷规范》标准，第一次强制要求必须执行10/350uS雷电波形，这是我国与国际接轨的第一个雷电防护标准

3 电源线路SPD的选择要求

3.1 SPD的选择

⑴保护系统中安装SPD的数量，依据雷电防护区概念的要求，被保护设备的抗扰能力和雷电防护分级而定。

⑵在LPZ0区与LPZ1区交界处应安装Ⅰ级分类实验的SPD或限压型SPD作为第一级保护；在LPZ1区与LPZ2区交界处应安装限压型SPD作为第二级保护；在住宅配电箱输出端应安装限压型SPD作为第三级保护。

⑶SPD连接导线应短而直，其长度不宜大于0.5m。如果电网中有几个浪涌保护器，它们将会互相影响，并联的保护器之间必须达到能量的配合才能确保被保護线路的安全。配合的效果是：当由雷电形成一个浪涌过电压时，电涌保护器（B级）将可靠地响应，带走高能量的电流，以保护由于过载而损坏其它浪涌保护器（C级或D级）。当SPD具有能量自动配合功能时，线路长度不受上述规定限制。为防止SPD老化造成短路，SPD安装线路上应有过电流保护装置，宜选用有劣化显示功能的SPD。

⑷在电源总配电柜输出端应安装标称放电电流In≥15KA（10/350μs波形）的开关型浪涌保护器；也可安装标称放电电流In≥80KA（8/20μs波形）的限压型SPD作为一级防护。

⑸在分配电柜输出端应安装标称放电电流In≥40KA（8/20μs波形）的限压型SPD作为二级防护。

⑹在住宅终端配电箱输出端应安装标称放电电流In≥20KA（8/20μs波形）限压型SPD作为三级防护。

⑺在配电箱输出端也可安装混合型或串联型SPD，其技术指标应满足设备要求。

3.2 SPD后备保护元件的选择

基于电气安全原因，并联安装在市电电源的SPD，为防止其失效后造成故障短路，必需在SDP前安装短路保护器件。SPD的后备保护有熔断器、断路器和漏电断路器三种。

在国内外公司SPD的样本中，对SPD后备保护的推荐方案比较乱，没有统一的标准可遵循。国内某公司使用手册中推荐的熔断器规格如下：

第一级SPD为开关型15kA，10/350，断路器为63A；

第二级SPD为限压型40kA，8/20，断路器为32A；

第三级SPD为限压型10kA，8/20，断路器为16A。

断路器选择C脱扣曲线

4 弱电系统SPD选择中应注意的问题

首先要弄清楚测量和控制系统（或电信系统）是否受电涌威胁，还是也受到首次雷击分流的威胁；共模保护还是差模保护；是否先用带去耦电路的SPD；频率特性的选择；SPD的标称通流In；SPD的标称耐压Un选择；线/线或线/低电压的选择；SPD的串联阻抗数据的选择；SPD的配合特性的选择；选择单级还是多级保护。

SPD安装位置原则上应安装在各防雷区界面处，并宜靠近建筑入口及被保护设备安装，当SPD安装于界面附近的被保护设备处时，至该设备的线路应承受所发生的电涌电压及电流，在线路的金属保护层或屏蔽层宜在界面处做一次等电位联结。

SPD的使用安装应对低压电器线路和设备起到电涌保护作用，同时不应因SPD的安装造成低压电器系统故障和事故。

5 结论

电涌保护器的电路根据不同需要，有不同的形式，其基本元器件就是上面介绍的几种，一个技术精通的防雷产品研究工作者，可设计出五花八门的电路，好似一盒积木可搭出不同的结构图案。研制出既有效又性能价格比好的产品，是防雷工作者的重任。