防雷技术

建筑物防雷的若干问题
作者: www.tj-spd.cn 时间: 2007-11-24
本文章共3219字，


美国创新科技有限公司上海代表处 龚 蔚



[摘 要] 低压侧的瞬态过电压（电涌）由雷击、电网切换和负载切换、非线性负载等引起。它们会在约1微妙的瞬间产生几千至上万伏的电涌，损坏或降低电子设备的性能。因Surge Protection Methods of the Power System for Electronic Information System

Grace W. Gong

Innovative Technology, Inc. Shanghai Rep. Office

Abstract: Surges at low voltage side are caused by external issues such as lightning and power grid switching, and internal issues like load switching and normal equipment operations. Generally they are more than several kV to tens kV within 10－6s, which damage and degrade the electronic equipment. Surge Protective Device(SPD) is an important measure for such protection.

Key words: power supply transient voltage surge protection lightning surge protective device

随着中国现代化建设进程的不断深入，电子系统应用领域日益广泛，对电子设备的保护显得尤为重要。
雷击对敏感电子设备的危害众所周知，但雷电和其它外部因素造成的电涌在一个典型供电系统中出现的“尖刺”在所有电涌中只占20％。用户的各种电力、电子设备，非线性负荷和冲击性负荷不断增加，使得电网电能质量日益恶化，不但影响了电力系统的正常运行，而且对用户的用电设备产生极大的危害，特别是对敏感电子设备的冲击更为突出。


安装电涌保护器就可以解决上述问题。通常在主开关柜的人口处和需考虑的各分开关柜配置电涌保护器。在某些场合，甚至在用户端也需安装电涌保护器。


一、电涌的成因和特性


电涌，是指在微秒级时间内产生的高频尖峰冲击电压。雷击和电子网的暂态过程是造成电涌的二大主要原因。
一般建筑物上的直击雷防护系统只能保护其本身不受雷电直击，而对雷电击中采用共地系统的防雷装置、雷电流经导线引入和雷电感应引起的破坏无能为力。因此，我国建筑物防雷设计规范（GB50057－94）提出“在电源引入的总配电柜处宜装设过电压保护器。”


在电力系统中，开关的分、合闸操作，负荷的投、切， 如荧光灯、大型电感式马达和电子功率控制器和系统短路、接地故障等产生的暂态过电压、过电流，这些暂态过程有害的高次谐波在输电线路上通过电容耦合和电磁耦合方式侵入通信、数据网络、信号控制等线路中，并以流动波的形式损害相关设备。在商用环境中，电子照明控制柜、电梯马达和办公设备中的开关电源是产生电涌的主要因素。在工业环境中，电涌由加工工厂、某些点焊设备、电炉和变速电动机和便携式电动工具等造成。电子设备（如计算机通信网络接口和数字逻辑控制设备）对电源线的干扰和波动十分敏感。计算机内部电路的芯片工作电压一般不大于5V，如果有大于5V的电磁干扰脉冲进入计算机，很可能导致误动作或设备损坏。美国等信息产业发达的国家对电源线的干扰特别重视。

我国的信息产业虽然起步较晚，但发展非常迅速，业内有识之士已认识到这个问题的严重性，并出台了一些相关标准出台，如GB/T 50314－2000《智能建筑设计标准》，要求电气设计师考虑电子设备的电源干扰问题。

二、电涌产生的后果

雷电和操作过电压引起的电涌是信息化时代的一大公害，在全球信息化产业最发达的美国，每年因此造成的损失高达50－60亿美元。电涌造成的破坏性后果体现在对用电设备（负载）和供电设备（配电变压器）两方面。

对用电设备的损坏：电涌产生的脉冲信号侵入数据网络线路或数据库时，传输或储存的信息会丢失，电子设备产生误动作或暂时瘫痪；电子元器件性能衰减，寿命下降；电子线路板烧毁；甚至整个系统停顿，导致银行电脑服务停顿、移动通信中断等间接损失，大大超过设备更换的直接损失。
　

对配电变压器的损坏：雷电击中低压线路或低压线路遭雷电感应，损坏低压侧绝缘，经电磁耦合，损坏高压侧；雷电击中高压线路或高压线路遭雷电感应，则高压避雷器动作，因反变过程影响，也会使中性点附近的绝缘击穿。

基于微处理器的控制器和PLC（可编程序控制器）对电涌危害尤为敏感。在安装SPD设备前，美国一家主要的汽车生产商不得不每天几次更换汽车装配机器人上的印刷电路板。另外的一些敏感设备包括电子销售设备（EPOS）、计算机和通讯设备。例如：在汽车加油站，抽油机马达产生的电涌会损坏电子控制和通信设备。不仅单个大电涌会使设备损坏，无数个小电涌的累积结果也会烧毁电路板和电子设备、损坏马达的绝缘层和一些矿物绝缘电缆。

三、预防电涌危害的措施

一个典型的SPD系统方案包括主配电柜保护、分配电柜保护、终端配电柜保护和用户端保护几部分。主配电柜保护设备能将高达20kV的外部电涌减至1.1kV的限制电压，这一电压送至分配电柜保护设备进行进一步处理，中央空调、电梯马达等产生的电涌也由分配电柜保护设备处理。这一级的限制电压和其它下级产生的电涌一起被终端配电柜保护设备处理至可忽略不计的电压值。在需要特别保护的通讯和数据设备处，还可安装用户端保护设备。

四、选择和安装

金属氧化可变电阻（Metal Oxide Varistor）是组成大多数SPD的基本器件。早期的SPD产品主要采用单一器件，目前国际上最先进的设计是使用包括箝制电路、滤波器和串联阻抗的混合网络，如美国创新科技公司的Protector系列电涌保护器。

在需要重点保护的场合，主动跟踪网络（Active Tracking Network－ATN）会跟踪电源波形，对发生在任何相位和极性上的瞬态电涌作出响应，有效地抑制高频高次谐波，降低系统的总谐波畸变率。

在选择SPD设备时，有几个参数需要考虑，如最大持续工作电流、输入频率、峰值电涌电流、可测限制电压（measured limiting voltage），也称残压、响应时间、重量和外型尺寸等。

可测限制电压（Vpk）是最重要的一个指标。它表示将加到负载的最大残压。它在评价制造商在哪种条件下引用该值时尤为重要。一些制造商只引用器件的Vpk，另外一些制造商，如美国创新科技，考虑整体指标，即提供的是在模拟实际使用环境下测得的指标。

市场上的许多SPD的峰值电涌电流只有20kA，但40kA和80kA的SPD更好。在大多数重负荷场所，应考虑使用160kA，320kA或640kA 的SPD。

响应时间也是一个值得重视的参数，目前市场充斥的大量几十纳秒级的产品，对含高达几百兆的微处理器芯片的设备，是起不到保护作用的。Protector系列的响应时间已达到1纳秒。电涌保护设备需要在各种模式下工作。在三相星形系统中有十种模式，或称电涌传播路径，即三种相－相、三种相－中线、三种相－地和一种中线－地。

产品的使用寿命也是个重要因素。大多数设备中，器件的性能随着电涌能量耗散而逐渐下降。当器件失效时，必须进行更换。Protector系列产品封装在一种特殊的化合物中，这种化合物能驱散电涌产生的热量并大大减慢器件失效的速度。Protector系列拥有长达20年免费包换的承诺。

许多SPD产品产自美国，因此它们都有Underwriters Laboratory －（UL）证书，也有欧盟的CE标志。目前我国还没有相应的国标，相近的有公安部颁布的计算机信息系统防雷保安器标准GA173－1998，信息产业部也有相关的部标。

SPD产品通常是并行连接的，最好通过一个隔离开关。这种连接距离越短越好，不超过150毫米（6英尺），随着距离的增加，电涌抑制效果会下降。

五、结 论

在主开关柜人口处配置的电涌保护器的作用不应仅局限于预防雷击，在现存的用电系统选配合适的电涌保护器，可大大降低设备受损的机会，并减少用电设备的对电能质量的影响。美国创新科技公司（Innovative Technology，INC）研制生产的保护者（Protector）系列SPD产品，可提供适用于一般商用和工业用的各种环境下的瞬态电涌保护器，并已成功地为中国电信、中国移动、中国联通、中石化、中石油、民航航管中心等多家客户提供了系统电涌保护方案和设备。