电气系统中电涌保护器的雷电流能量配合设计

摘 要：在这个科技与信息高速发展的时代，越来越多的电子信息技术产品被开发研制并广泛应用在社会生活中的各个领域。尤其是在城市现代化建设不断发展的今天，建筑物的电气工程、计算机室以及电梯房等都离不开大量的微电子设备。但是，在这些高科技产品的应用过程中，也常常会有一些外界因素严重影响到其正常的使用功能，甚至会造成设备损坏，给人们的经济财产造成巨大的损失。雷电就是这样一种能够破坏微电子设备正常使用的因素之一。如何避免雷击给各种机电设施造成过电压或过电流的损害，是防雷科技人员需要关注和重视的重要问题。目前，解决这一问题最好的方法就是使用电涌保护器的装置。以下本文就针对电气系统中如何使用电涌保护器来避免雷电带来的危害作以简要分析，阐述了电涌保护器的雷电流能量配合设计。

关键词：电涌保护器 能量配合 防雷区 电流

雷电是一种人类无法控制的自然界现象，具有电压上升速度快，峰值电压极高，瞬间电流很大，持续时间较短，传输速度快，能量巨大的特点，这些特性使得雷电给电子设备的正常运行带来了极大的影响和危害。而电涌保护器的研发和应用大大降低了雷电对设备的冲击力度，保护了设备的安全。以下本文就对建筑物电气系统内运行的电涌保护器（SPD）之间以及与被保护设备之间的雷电流能量配合设计作初步分析，并对应用于电气系统防雷电流入侵的SPD的能量配合设计提出操作可行的建议。

一、电涌保护器

电涌保护器，英文简写为SPD。SPD是目前是电子设备雷电防护中必不可少的重要装置，其工作原理是把窜入电力线、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。为防止雷击电流对用电设备或者线路的冲击过电压和过电流，电源SPD是很重要的选择，目前最常使用的电源SPD主要有开关型和限压型两种方式。

1、开关型SPD。开关SPD的主要结构是精致的金属间隙，又称火花间隙。其工作原理是当雷击电流产生的过电压加在其两端，达到其动作电压（又称点火电压）时，以较快的速度产生电弧短路接地，泄放雷电流入地，当两端电压已经不足以产生电弧时，则自动关闭，恢复到开路状态，好比开关。

2、限压型SPD。限压型SPD的内部核心元件是压敏电阻。限压型SPD的工作原理是在雷击产生强大的电压和电流时，过电压会加在SPD的两端，压敏电阻就会在强大的电压下减小自身电阻，呈现非线性变化，这样就能将雷击产生的巨大电流泄放入地，在限压型SPD自身能够承受的能量范围内，两端的电压就会保持在相对较低的水平，从而达到限压的目的。

二、SPD之间、SPD与被保护设备之间的能量配合设计基本原理

防雷击过电压、过电流归根结底是防雷击在线路上产生的瞬态电磁能，有序地将这些能量泄放入地，即需讲究在这些SPD及线路上各种设备之间的能量分配。通常来讲，精确的能量配合应该包括电压和电流基本物理量的分别配合。在实际的实践过程中，电压的配合一般可以用来近似模拟能量配合的基本原理。只要在不超过防雷设计的性能指标和其相应保护范围内的前提下，雷电流能量泄放不超过每级SPD的能量承受能力，并且其所产生的过电压不超过对有关设备耐受电压时，这种SPD雷电流能量配合就能实现。

1、单级SPD保护的能量配合设计

在现实的实际情况中，当被保护的设备自身耐冲击电压较强（不考虑设备内置SPD情形），或者防雷设计性能相对要求较低，当仅采用1级SPD就有可能满足防雷击过电压和电流的要求。

根据各个防雷区LPZ的划分原则，SPD的安装地点需要考虑雷电击中建筑或者电气线路、雷击发生在建筑物或电气线路附近等特殊情形，一般寻找靠近线路进入建筑物的入口作为首级SPD的安装地点。越接近该入口，SPD的保护范围也越大，但是越接近设备端，其相关设备能量配合效率则越高。当设备耐冲击电压大于SPD的保护电平（或称限压、残压）和线路上电阻和电感的压降之和时，单级SPD与被保护设备之间就基本实现能量配合。但在大多数情况下，这种单级SPD都是采用限压型，在安装SPD的过程中，需要考虑到其安装地点与被保护设备的最大振荡距离和最大耦合距离。

由于雷击电流产生的磁场在建筑物内部供电线路上引起的感应过电压也会叠加到限压，从而减弱SPD的有效性，而且该电压会随着电源线和其他工作导线的围合面积、敷线的长度、电源线和PE线的距离的增加而增大，故尚需考虑SPD与被保护设备之间的最大耦合距离，通常采用加大空间屏蔽或线路屏蔽，以及设法减小SPD与设备之间的回路面积。

2、两级SPD保护的能量配合设计

当设备的自身耐冲击电压较弱或者对防雷设计的要求较高时，采用单级的SPD不能够很好的满足防雷击的技术要求。目前，在我国的电气系统的设备中，采用较多是使用两级电涌保护器或者多级电涌保护器的方式，有效的保证了在雷击情况下，电涌保护器能够通过各级之间的相互配合，很好的将雷击所产生的巨大电流泄放入地，从而达到保护电子设备的目的。其中两级电涌保护器根据其配合方式的不同，按照前级+后级的顺序来说，一般有开关+限压、限压+限压、开关+开关这三种形式。

经过长期的实践与经验，我们发现在使用两级SPD来进行设备防雷击保护时，一级SPD采用开关方式，二级SPD采用限压方式的组合形式在综合的泄流和限压上效果最为显著，因此，这种组合形式的应用范围较其他两种形式来说较为广泛。在使用这种组合形式时，第二级SPD为限压型电源防雷器，其雷电流容量一般不应低于20KA，应安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电处。这些电源防雷器对于通过了用户供电入口处SPD的剩余浪涌能量进行更完善的吸收，对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。

3、3级及以上SPD保护的能量配合设计

如果末端能量配合评估失败，就应该考虑再增加一级SPD，即3级SPD组合保护。其能量配合分析，可以先将前2级作能量配合分析，然后将前2级看作单级与最后一级作配合分析。

3级及以上的SPD大致采用3种组合形式：①均采用压敏电阻MOV，电压/电流特性完全一样SPD组合，各自的残压相同；②均采用MOV，但各级SPD的残压依次升高。③采用首级为火花间隙SO和后级为压敏电阻MOV相结合的SPD组合，但是后级各SPD的残压相同。

在使用两级或多级SPD时，如果各级间的配合不协调，则很有可能就会出现雷击电磁脉冲沿入户线缆侵入建筑物内时，后面的保护设备打坏了而前面安装的电涌保护器没有动作的情况。因此，在使用SPD进行防雷击保护时，我们需要严格规范技术要求，按照科学可行的方式进行SPD之间的配合，加强质量监督检验，检查各级SPD之间的配合情况，保证电气系统中电子设备的安全。

三、结论

在科技发展日新月异的今天，如何避免自然灾害给我们的生活环境带来影响，是科技进步的主要目的。在电涌保护器的使用不断得到推广的情况下，雷电冲击对我们生活中的各种电子设备的影响已经越来越小。不过，雷击电流的强大电压与瞬间电流仍然是我们不可轻视的重要危害因素，在选用SPD进行设备保护时，一定要根据具体的实际情况认真分析，采用最佳的SPD方式以及设备的能量配合形式设计，运用科技手段进行模拟试验，以求最大程度的利用SPD将雷击产生的过电压过电流抑制在可控制范围内，保证设备的安全和正常使用性能。