高层建筑电源SPD的合理配置及能量配合

吴勇福

摘 要：随着经济快速发展，我国高层建筑越来越多。由于近年来雷电灾害的频发，对高层建筑的安全带来了不利的影响，解决高层建筑的雷电防护问题已经刻不容缓，以下是本文就高层建筑电源电涌保护器的合理配置和能量配合问题进行的简单分析。本文就如何防止雷电对建筑物内电子设备产生危害，以及根据不同建筑物的实际情况选择合适的电涌保护器及适合的安装位置进行以下分析。

关键词：高层建筑；电源；SPD；配置；能量配合

中图分类号：TU851 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0208-02

近年来，随着经济的发展，社会现代化水平也在不断提高，建筑物内各种电子设备的使用率也在逐渐上升，由高层建筑物的预雷结果可知，高层建筑受雷电击的概率远远高于矮层建筑，由于高层建筑内电子设备和电线网路密集，而一般电子设备电压较低，耐压水平也较低，很容易受到雷电危害的影响，使得增大雷电对这些电子设备和电线网路的破坏威胁。因此，高层建筑除了除了要建立防雷电措施以外，还电磁脉冲的危害，因此设有信息系统的民用建筑物除应考虑防直击雷措施外，还应考虑雷电电磁脉冲的防护措施、雷击电危害下电源保护的措施。

1 雷电危害

一般情况下雷电的破坏形式有直击和雷电感应两种形式，由于雷电的电热力效应和机械作用较大，当雷电直接击在动植物、树木或建筑物上时，可直接摧动植物、树木或建筑物毁，足以引起人员伤亡和物资大面积损坏，如果建筑物过高，建筑物上的铝合金及各种金属构建很容易受雷电击的破坏，所以高层建筑物要采取防雷电措施。当高层建筑物的防雷装置接触雷电时，强大的雷电电流通过接地装置泻入大地时附近空间磁场产生强烈的变化会在相邻金属物上感应电压，并对电子设备受到影响，即便是很小的电涌或峰值电压也有可能会摧毁电子设备的使用性能，从而使其受到干扰甚至引起烧毁或瘫痪[1]。

2 电涌保护器（SPD）的选用及安装

2.1 电涌保护器的选择

SPD又叫电涌保护器，是电子设备雷电防护过程中必不可少的一种装置。电涌保护器的作用，是把进入电力线的瞬时过电压限制在设备所能承受的范围内，从而保护设备不受强大电流冲击而损坏。电源SPD主要分为电源开关型SPD和电源限压型SPD。一般来说电源开关型SPD主要部件是放电间隙或气体放电管没有电涌是具有高阻抗，对电泳电压相应时能变成低阻抗；电源限压型SPD最常用的主要部件是金属氧化物压敏电阻，没有电涌时为高抗电阻，随着电泳电流和电压的增加阻抗逐渐减小。SPD是一种非线性元件，其工作取决于施加在其两端的电压和触发电压的大小，而触发电压是针对不同的产品的标准给定值。当电压小于触发电压时SPD的电阻很高，只有很小的漏电电流通过，而当电压大于触发电压时，SPD的电阻降到只有几欧姆，会使电压突然下降，等电压小于出发电压时SPD又呈现出高阻抗特性。根据这一原理，SPD广泛备用于低压配电系统用来限制电网中的气过电压，使其不超过各种电气设备和配电装置所能承受的冲击耐受电压，以保护电子设备使其免受雷电灾害的威胁。

从用途上来讲，SPD可分为电源防雷器、天线馈线防雷器和信号防雷器。选用SPD应该考虑到电网最高运行电压，为了保护设备免受雷击电压的威害，SPD的电压保护水平应始终小于被保护设备的耐受电压，而且应该大于电网最高运行电压[2]。

SPD的选用应始终遵循基本的原则，即SPD的电压保护水平饮食中小于被保护设备的耐受电压。如果SPD的电压保护水平比被保护设备的耐受电压过高，则必须在设备上加装二级SPD。电泳保护与被保护设备两端引线要尽量短，尽量控制在50公分以内。为了达到最佳保护状态，既能承受更强的电流，又有较小的残余电压，一般会用SPD作一级和二级保护，一级保护用力承受过高电压和较强电流，而二级保护用来减小系统端的残余电压，为达此效果，两级SPD之间的距离应不小于10米。当进线端的SPD与被保护设备之间的距离过大时，应在被保护设备的近端安装另一个SPD，由于电缆距离较长，如果不增加以及保护，会起不到保护作用，从而损坏设备。选择SPD除了要重点考虑以上几点因素外，还要考虑响应时间的快慢、通流容量是否满足要求、使用寿命长短、性能以及价格因素等。

2.2 SPD的安装

2.2.1 SPD的安装原则

在对计算机、控制设备和信息系统等设别的保护中，需要在供電线路上安装SPD，防御线路传导过来的高电位，如果用以及以上的SPD去保护设备时，就要研究各级电源以及SPD的配合问题，SPD的数量取决于防雷区和被保护设备所用SPD的特性。根据被保护设备所处位置和设备绝缘耐冲值来选择电源SPD，以使其电压保护水平始终小于被保护设备绝缘耐冲值。一是根据静态伏安特性惊醒能量配合，除所辐射的线路以外，不加任何元件，达到SPD级间能量配合。电压开关型SPD的放电取决于取决于退耦元件两端的电压降和限压型SPD两端的残压之和，在电压开关型SPD放电之前，其电压与电压降和残压之和相等。影响退耦元件两端电压降的因素有两个：一是进入电涌的大小，另外就是退耦元件的性质。影响限压型SPD两端残压的因素有限压型SPD的金属氧化物压敏电阻的特性、进入电泳的上升速率和各级SPD的相应时间。金属氧化物压敏电阻一般比放电间隙的响应时间短，根据行波理论分析，只要电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不小于15米，限压型SPD之间的线路长度不小于5米，就可以利用两级SPD之间的导线本身的特性实现能量配合，保证多级SPD有效配合运作[3]。二是利用退耦元件进行能量配合在实际情况中，由于受场地限制安装条件要求无法得到满足。此时可以利用退耦元件的延时、滤波等特性减缓雷电电压。应以各防雷区为层对雷电能量的逐渐减弱次建立多级防护，使各级限制电压相互配合，最终把过点压制限制在设备绝缘范围之内，为了达到有效保护，应把SPD设立在各防雷区域、所以SPD应安装在防雷区的界面处，以实现层次性保护。当进入建筑物的闪电电涌强度较低时，只需要将SPD安装在建筑物电源引入处，但在有例如计算机、控制系统和通信设备等敏感电子设备，且SPD与被保护设备距离较长时应增设一级SPD，尤其是在闪电感应和内部干扰源引起建筑物内部磁场时，更需要设置附加的SPD，SPD越靠近被保护设备，尤其是敏感电子设备，其保护效果越好，越能降低闪电电涌的设备承受限值，是否增设SPD关键还是要看其有效电压保护水平是否满足设备耐受电压，并根据敏感电子设备的耐压能力选用合适的附加SPD。

2.2.2 SPD安装注意事项

安装SPD要注意一级保护SPD应靠近建筑物的入户线的总等电位连接端，二、三级保护SPD应尽量靠近被保护设备安装。电涌保护器接至等电位连接位连接的导线要尽可能短。为满足设备的电力耐受要求，SPD安装要尽可能多级配合，在多级配合的过程中，要考虑到SPD之间的能量配合，一般情况下线路上多级安装且无准确数据时，电源开关型与限压SPD之间的线路长度小于5米时应串接退耦装置。另外，必须要考虑到SPD性能退化或寿命终止后可能产生的故障对设备的影响，因此在SPD的电源侧应安装过电流保护装置。当建筑物的电子设备需加装SPD保护时，如果该建筑没有安装防雷装置时，应该按照第三类防雷建筑安装防雷措施。

3 SPD的级间配合

在电源防护的多级防护中如果不注意能量分配，有可能会使更多的雷电能量进入保护区域，这就要一级SPD要根据实际估算，其同流能力能力越大而防雷器的通流能力就会越小。一条线揽上的过电压通过电压配合逐级降低，这要求SPD的残压逐级减少，在此种情况下不考虑电压配合而仅仅选用低效SPD作为末级保护是很危险的。电压配合是通过各级SPD限制电压值的逐级控制，最终将过电压值限制在设备耐受范围以内，一般SPD的通过电流越大残压就越高，通过能量分配后末级SPD流过的雷电流越小，越有利于电压限制闪电电涌的传导，从危险区向设备的防雷保护区逐渐减小，两个或两个以上的SPD需要能量上的配合，根据每个SPD的能量吸收能力共同分担总的电涌能量，使每一个SPD所能承受的能量都低于其承受能力，从而达到良好的配合效果。在靠近被保护设备处需要安装SPD时，应选用二级或三级SPD，并满足多组SPD之间的距离要求。SPD之间的配合一般要遵循以下几点原则，即限压型SPD采用伏安特性配合；电压开关型和限压型SPD之间的配合应选用触发型SPD配合[4]。

4 SPD的后备保护

SPD的后背保护，一般选择熔断器和小型断路器，熔断器的熔体是易熔金属，呈电阻性，电感量比电阻值小，几乎可以忽略不计，在雷电流冲击时，熔断器上产生的附加电压等同于电阻和SPD连接线路感抗之和；而断路器因其结构中有双金属热敏元件和串联的电磁脱器，呈现出感性阻抗。因此，将断路器作为SPD的后备保护时，线路上的限制电压要比将熔断器作为SPD的后备保护时得线路上的限制电压，所以只要是足够专业的SPD供应商一般都会选择熔断器作为后备保护。

5 结语

随着社会不断发展，建筑物规模也在不断扩大，各種先进的电子设备广泛配备于各大高层建筑中，这些设备普遍存在着雷电耐受能力弱的问题，所以电子设备防雷问题和SPD的级间配合问题越来越受到广泛重视，许多关于电涌保护的标准和规范也都提到了级间配合的问题。实践证明，雷电击危害和雷击感应过电压是威胁高层建筑电线网路和电子设备安全有效使用的最大不利因素，通过正确的选择和合理的使用SPD并有效配合雷电危害防护措施，从而达到有效保护高层建筑极其电子设备的目的。可见做好高层建筑的防雷工作尤为重要。

参考文献

[1]黎莫清，周小武.电源SPD配合器件的应用分析[J].电瓷避雷器，2016，（04）：133-137+141.

[2]廖燕珍，黄声锦，汤宇靖.建筑物电源线路安装SPD注意要点与失效分析[J].福建建设科技，2016，（04）：71-73.

[3]叶平，熊芳瑜.电源SPD在线运行安全问题及解决方案[J].建筑电气，2015，34（02）：47-51.

[4]罗志勇，谢宝永，郑键雄，贾杨.建筑物电源SPD的合理配置及能量配合[J].广东气象，2014，36（05）：55-58.