建筑物低压电源线路雷电过电压保护

彭文伟　杨红新

[摘要]为了避免电源线路对雷电的感应和传输特性，时常引发雷击过电压侵入建筑物室内，损坏电气设备，乃至人员伤亡事故，通常是在电源线路上安装电源避雷器，然而由于一些技术人员对避雷器特性认识欠缺，造成后续设备或系统仍遭受雷擊的现象。本文根据国家相关防雷技术规范介绍在电源线路上装设电涌保护器的基本原则。

[关键词]SPD；绝缘配合；电涌电压

0引言

预防电源线路感应雷击电磁脉冲损坏系统设备，常用的措施是按照《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB 50343-2012）在建筑物低压电源线路上安装电涌保护器将雷电过电压限制到保护对象能够承受的范围，从而保障设备或系统安全运行。然而，一些技术人员对技术标准及电涌保护器学习了解不够，时常造成安装了电涌保护器但未起到有效的保护作用，为此，本文根据我们的实践经验，介绍电源线路上装设电涌保护器的基本原则。

1电涌保护器（SPD）

电涌保护器，又称过电压保护器，目的在于限制瞬态过电压和分走电涌电流。它至少包含有一非线性元件。它可以是单个非线性元件加工成的保护模块，可以是由多个非线性元件的组合，也可以是线性元件和非线性元件的多功能集合体，将过电压限制到指定的水平，或者为系统提供等电位，又称“保持器”。

电源线路SPD，根据用途，有用于暴露环境孤立建筑物引入电源线路的直击雷电过电压防护，有用于城镇建筑群低压电力线的感应过电压防护。防过电流装置，有可恢复和不可恢复两种。220/380V电源线路雷击过电压防护的SPD，属可恢复类型。

2SPD的选用

SPD有电压开关型、限压型和由这两种组件的组合型。电压开关型SPD，有时又称为“短路开关型”或“克罗巴型”SPD，通常采用放电间隙、充气放电管、闸流管和三端双向可控硅元件组成这类SPD组件，当无电涌出现时为高阻抗，当出现电涌时突变为低阻抗。限压型SPD在无电涌电流出现时为高阻抗，随着电涌电流或电压的增加，阻抗跟着连续变小，内部元件通常为压敏电阻、抑制二极管。有时称这类SPD为“箝压型”SPD。组合型可以显示电压开关型或限压型或两者都有的特性，这决定于所加电压的特性。

2.1SPD的主要特性

电压开关型SPD：具有持续耐雷能力强，通流量大，点火电压高，但存在响应时间长，工频续流的缺点。放电间隙、充气放电管是最坚固耐用的开关器件，它能承受持续时间为数百微妙，电流为数十千安或以上的瞬态雷电流波，以及电力故障时持续承受1s以上数安培交流电流。充气放电管的气体（惰性气体）对雷电压的击穿灵敏度有所改善，雷击过电压的陡度（du/dt）越大，响应时间越快。充气放电管、闸流管等产品的灵敏度较放电间隙又有所改善，它们的响应时间达到100ns等级。续流特点，对不允许有交流续流的用户，不得将这类器件单独并联在电源线上，为了能够及时断开工频续流和起到灭弧，一定要有切断续流装置。一般可在电源回路或设备的回路接人普通电阻器，或者在放电管的分路接入氧化锌压敏电阻（MOV），这类器件工作偏差大，只能用作粗保护。

限压型SPD：产品元件主要是氧化锌压敏电阻（MOV）。它具有通流量大，反映速度快、启动灵敏，无间隙通断雷电流控制，无工频续流等特点。它的材料是直径为几十微米的氧化锌晶粒被其他金属氧化物所形成的晶界层所包围，它的极好的非线性特性就是由晶界层决定的。氧化物晶粒导电性良好，电阻率一般为0.003Ω·m。而晶界层的电阻率高达10～10Ω·m。当晶界层上的电场强度比较低时，只有少量电子由于热发射可以穿过晶界层的势垒，故呈现很大的电阻。当晶界层上的电场强度足够大时，出现隧道效应，大量电子穿过晶界层，电阻值大大降低；成品的氧化锌压敏电阻可以看成是由无数个小型PN结并联组成的，从而具有大量级的通流能力。通常MOV单片耐流能力可达20kA（8/20us，两次），仅次于放电管；响应时间达到20 ns等级。缺点是极间电容大（可达1 000PF），有不同程度的微弱漏流。漏流的不稳定，长期接人电路中会因漏电流加大导致升温而烧坏。

2.2主要参数

Ipeak：SPD使用在LPZOA区或LPZOB区与LPZl区界面，有直击雷保护，Ipeak=I÷2÷n。无直击雷保护，Ipeak=I÷n。后续安装的SPD通流量与上述计算方法相同，但I应为首次以后的雷电流参量。电缆内各芯线的电流按Ipeak÷m选取。（I-首次雷击电流相应参量，n-管、线的数量，m-电缆内芯线根数）。对有屏蔽层的线路Ipeak按上述计算电流的30%选取。

Up：SPD的保护水平应与保护对象的耐冲击电压相匹配。当无法获得电力线路、设备的耐冲击电压值时按下列值选取：

Uc：SPD的最大连续工作电压，应符合如下规定：

TT系统，SPD安装在剩余电流保护器负荷侧，Uc不应小于1.55U0；而SPD安装在剩余电流保护器的电源侧，则Uc不应小于1.15%.

TN系统，Uc不应小于1.15%.

IT系统，SPD安装在剩余电流保护器负荷侧，Uc不应小于1.15U（U为线间电压）。

220/380V三相系统中，Un=220V。系数1.15中0.1考虑系统的电压偏差（即规定允许的10%电压波动），0.05考虑电涌保护器的老化。Uc值与产品的使用寿命、电压保护水平有关。Uc选高了，寿命长了，但电压保护水平，即SPD的残压也相应提高，要综合考虑。

3SPD的设置原则

3.1防雷区划分

图1为防雷区划分示意图。

LPZOA区：本区域内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；本区内的电磁场强度没有衰减。

LPZOB区：本区域内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，但本区内的电磁场强度没有衰减。

LPZ1区：本区域内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZOB区更小；本区内的电磁场强度可能衰减，这取决于屏蔽措施。

IPZn+1后续防雷区：当需要进一步减小流入的电流和电磁场强度时，应增设后续防雷区，并按照需要保护的对象所要求的环境区选择后续防雷区的要求条件。

将一具有直击雷防护的建筑物划分成不同防雷区的电力线、信号线等电位连接原则：

LPZOA区与LPZOB区之间无界面。

各区交界处是等电位连接位置；防雷区的数越高电磁场强度越小。

建筑物内电磁场受到如窗户这样的洞的影响和金属导体（如等电位连接带、电缆屏蔽层、管子）上电流的影响以及电缆路径的影响。

3.2SPD安装要求

LVZOA或LPZOB与LPZl区交界处的SPD。应选用符合I级分类产品，器件的试验波形应为10/350us冲击电流波形。用于后续界面的SPD应选用符合Ⅱ级或Ⅲ级分类产品，试验波形一般为8/20us冲击电流波形。

同一线路多处装设SPD，限压型SPD之间间隔的线路长度应≥5m；电压开关型SPD与限压型SPD之间间隔的线路长度应≥10m。

因接线存在电感，SPD接线后的最大电涌电压比SPD标称的限制电压高，不利于与保护对象允许的最大承受力协调。为了降低电涌电压，对SPD的接线有以下要求：

①两端的接线尽量做到短、直；②多余联结接线不得采用缠绕方式；③接地线尽量不与被保护线近距离平行敷设、高位敷设，以免再次感应对已经作了限压保护的线路；④保护要求较高的设备，SPD的接地线、后续的电源线，宜采取屏蔽措施。

4结语

电源线路按照相关国家标准设计安装电涌保护器能有效预防电源线路雷击电磁脉冲的危害，技术人员熟悉技术标准、电涌保护器技术参数以及电子信息系统设备性能是一个重要环节，同时正确安装电涌保护器也是使安装的电涌保护器正常运行所不可忽略的。