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防雷器在电源系统中的应用
摘要：叙述防雷器的原理、选用及安装方法。
关键词：雷电防护防雷器选用安装
1雷电防护基本原理
雷电及其它强干扰对电子信息系统的致损及由此引起的后果是严重的，雷电防护将成为必需。事实上，雷电防护是除雷电之外，也是其它诸如开关操作脉冲、静电放电等电磁强干扰防护的共同要求。雷电与雷电电磁脉冲作为一种功率巨大的强干扰源，其破坏作用极其明显，需作为主要的防护对象。
雷电是一种破坏性极大的强干扰源，由高能的低频成分与极具渗透性的高频成分组成。其主要通过两种形式：一种是通过金属管线或地线直接传导雷电致损设备；一种是闪电通道及泄流通道的雷电电磁脉冲以电阻性、电容性、电感性及电磁场等耦合方式感应到金属管线或地线产生浪涌致损设备（绝大部分雷损由这种感应而引起）。这样，对于电子信息设备而言，危害主要来自由于雷电引起的雷电电磁脉冲的耦合能量，通过以下3个通道所产生的瞬态浪涌：
?金属管线通道：如自来水管、电源线、天馈线、信号线等产生的浪涌;
?地线通道：地电位反击;
?空间通道：电磁波的辐射能量。
其中金属管线通道的浪涌和地线通道的地电位反击是电子信息系统致损的主要原因，而由电力线引起的雷损是通过金属管线通道中最常见的致损形式，所以对于电源系统需作为防护的重点。
由于雷电无孔不入地侵袭电子信息系统，雷电防护将是一个系统工程。雷电防护的中心内容是泄放和均衡。
泄放是将雷电与雷电电磁脉冲的能量通过大地泄放，并且应符合层次性原则，即尽可能多、尽可能远地将多余能量在引入通信系统之前泄放入地；层次性就是按照所设立的防雷保护区分层次对雷电能量进行削弱。防雷保护区又称电磁兼容分区，是按人、物和信息系统对雷电及雷电电磁脉冲的感受强度不同把环境分成几个区域：
（1）LPZ?OA区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击，因此各物体都可能导走全部雷电流，本区内电磁场没有衰减；
（2）LPZ?OB区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，但本区内电磁场没有衰减；
（3）LPZ?1区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流往各导体的电流比LPZ?OB区进一步减少，电磁场衰减的效果取决于整体的屏蔽措施。
（4）后续的防雷区（LPZ?2区等）：如果需要进一步减少所导引的电流和电磁场，就应引入后续防雷区，按照需要保护的系统所要求的环境区选择后续防雷区的要求条件。
设置防雷保护区是为了避免因高能耦合而损坏设备，而序号更高的防雷区是为了防止信息失真和信息丢失而设置的。保护区序号越高，预期的干扰能量和干扰电压越低。在现代雷电防护技术中，防雷区的设置具有重要意义，它可以指导我们进行屏蔽、接地、等电位连接等技术措施的实施。
均衡就是保持系统各部分不产生足以致损的电位差，即系统所在环境及系统本身所有金属导电体的电位在瞬态现象时保持基本相等，其实质就是均压等电位连接的实施。由可靠的接地系统、等电位连接用的金属导线和等电位连接器（防雷器）组成一个电位补偿系统，在瞬态现象存在的极短时间里，这个电位补偿系统可以迅速地在被保护系统所处区域内所有导电部件之间建立起一个等电位，这些导电部件也包括有源导线。通过这个完备的电位补偿系统，可以在极短时间内形成一个等电位区域，这个区域相对于远处可能存在数十千伏的电位差。重要的是：在需要保护的系统所处区域内部，所有导电部件之间不存在显著的电位差。
雷电防护系统由3部分组成，各部分各施其责，不存在替代性。
?外部防护：由接闪器、引下线、接地体组成，可将绝大部分雷电能量直接导入地下泄放。
?过渡防护：由合理的屏蔽、接地、布线组成，可减少或阻塞通过各入侵通道引入的感应。
?内部防护：由均压等电位连接、过电压保护组成，可均衡系统电位，限制过电压幅值。
2防雷器
防雷器又称等电位连接器、过电压保护器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷保安器等，用于电源线防护的防雷器称为电源防雷器。鉴于目前的雷电致损特点，基于防雷器的防护方案是最简单、经济、可靠的雷电防护解决方案。防雷器的主要作用是瞬态现象时将其两端的电位保持一致或限制在一个范围内，转移有源导体上多余能量。防雷器的应用是实现均压等电位连接的重要手段。防雷器的一些主要技术参数：
?额定工作电压：指允许长期加在防雷器上的电压；
?额定工作电流：特指串并式电源防雷器的载流量；
?通流能力：防雷器转移雷电流的能力，以kA为单位，与波形形式有关。
防雷器在功能上分为防直击雷的防雷器和防感应雷的防雷器。
防直击雷的防雷器通常用于可能被直击雷击中的线路保护，如LPZ?OA区与LPZ?1区交界处的保护。用10/350μs电流波形测试，表示其通流能力。防感应雷的防雷器通常用于不可能被直击雷击中的线路保护，如LPZ?OB区与LPZ?1区、LPZ?1区与LPZ?2区交界处的保护。用8/20μs电流波形测试，表示其通流能力。
10/350μs电流波形与8/20μs电流波形在计算上能量比例为200：1，但实际上比例约为5：1左右，即通流能力为20kA（8/20μs）的防雷器可以承受4kA（10/350μs）的直击雷电流。所以通流能力必须考虑雷电性质和形式，在很多应用中可以通用。
?响应时间：防雷器对瞬态现象起控制作用所需的时间，与波形性质有关。响应时间是防雷器的一个重要参数。
?残压（限制电压）：防雷器对瞬态现象的电压限制能力，与雷电流辐值及波形性质有关。一般通过雷电流越小，残压就越低。在末级保护里，残压必须低于设备绝缘强度。
3防雷器的选用
为了使防雷器的防护能力取得理想的效果，应注重“在合适的地方合理地装设合适的防雷器”，防雷器的选择十分重要。
（1）进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配情况如下：约有50％的雷电流经外部防雷装置泄放入地，另有50％的雷电流将在整个系统的金属物质内进行分配。整个过程中绝大部分能量在LPZ?OA区、LPZ?OB区和LPZ?1区交界处转移。这个评估模式用于估算在LPZ?OA区、LPZ?OB区和LPZ?1区交界处作等电位连接的等电位连接器、防雷器的通流能力和金属导线的规格。该处的雷电流为10/350μs电流波形。在各金属物质中雷电流的分配情况如下：各部分雷电流幅值取决于各分配通道的阻抗与感抗，分配通道是指可能被分配到雷电流的金属物质，如电力线、信号线、自来水管、金属构架等金属管线及其它接地，一般仅以各自的接地电阻值就可以大致估算。在不能确定的情况下，可以认为接地电阻相等，即各金属管线平均分配电流。
（2）在电力线架空引入，并且没有处在防直击雷保护装置保护之下，电力线可能被直击雷击中时，电力线上的雷电流将增大。进入建筑物内保护区的雷电流取决于外引线路、防雷器放电支路和用户侧线路的阻抗。如内外两端阻抗一致，则电力线被分配到一半的雷击电流。在这种情况下必须采用具有防直击雷功能的防雷器。
（3）影响电力线雷电流分配的其它因素：
?变压器端接地电阻降低将使电力线中分配电流增大；
?供电线缆长度的增加将使电力线中分配电流减少，并使几根导线中有平衡的电流分配；
?过短的电缆长度和过低的中性线阻抗将使电流不平衡，从而引起差模干扰；
?供电线缆并接多个用户将降低有效阻抗，导致分配电流增大，在连成网状的供电状态下，雷电流主要流入电力线，这是多数雷损发生在电力线处的原因。
（4）后续的评估模式用于评估LPZ?1区以后防护区交界处的雷电流分配情况。由于用户侧绝缘阻抗远远大于防雷器放电支路与外引线路的阻抗，进入后续防雷区的雷电流将减少，在数值上不需特别估算。一般要求用于后续防雷区的电源防雷器的通流能力在20kA（8/20μs）以下，不需采用大通流能力的防雷器。后续防雷区防雷器的选择应考虑各级之间的能量分配和电压配合，在许多因素难以确定时，采用串并式电源防雷器是个好的选择。串并式是根据现代雷电防护中许多应用场合、保护范围、层次区分等特点提出的概念（相对于传统的并式防雷器而言）。其实质是经能量配合和电压分配的多级放电器与滤波器技术的有效结合。串并式有如下特点：
?应用广泛：不但可以按常规进行应用，也适合保护区难以区别的场所；
?滤波器本身对雷电感应的抑制；
?感性退耦器件在瞬态过电压下的分压、延迟作用，以帮助实现能量配合；
?减少过电压、过电流的上升速率，以实现低残压与长寿命以及极快的响应时间。
（5）防雷器的其它参数选择取决于各个被保护物体所在防雷区的级别，其工作电压以安装在此电路中所有部件的额定电压为准。串并式防雷器还需注意其额定电流。
4防雷器的安装
（1）电源线应实现多级防护，多级防护是以各防雷区为层次，对雷电能量的逐级减弱（能量分配），使各级限制电压相互配合，最终使过电压值限制在设备绝缘强度之内（电压配合）。在下列情况下，多级防护成为必须：
?某一级防雷器失效或防雷器某一路失效；
?安装的防雷器的通流能力小于应转移的雷电流；
?防雷器的残压高于设备的绝缘强度；
?线缆在建筑物内长度较长时。
（2）几乎所有情况下的线缆防护，至少应分成两级以上，同一级防雷器还可能包含多级保护（如串并式防雷器）。为了达到有效的保护，可在各防雷区界面处设置相应的防雷器，防雷器可针对单个电子设备，或一个装有多个电子设备的空间，所有穿过通常具有空间屏蔽的防雷区的导线，在穿过防雷区界面同时接有防雷器。也就是说，防雷器应安装在防雷区的界面处，以符合防护的层次性原则，末级防雷器则应靠近设备安装，设备外壳实际上也提供了一个防雷保护区的交界处。另外，防雷器的保护范围是有限的，一般防雷器与设备线路距离超过10m以上将使防护效果劣化，这是因为防雷器和需要保护的设备之间的电缆上有反射造成的振荡过电压，其辐值与线路长度、负载阻抗成正比。
（3）在使用电源防雷器的多级防护中，如果不注意能量分配，则可能引入更多的雷电能量进入保护区域。这要求用于第一级的防雷器根据前述评估模式估算，其通流能力要求较大，而后续防雷器的通流能力可逐级减少。
?实现能量分配的要点在于利用两级防雷器之间线缆本身的感抗。线缆本身的感抗有一定的阻碍雷电流作用，使雷电流更多地被分配到前级泄放。
?一般要求两级防雷器之间线缆长度在15m左右，适用于保护地线与其它线缆紧贴敷设或处于同一条电缆之内的情况。
?线缆上分支线路的长度对线缆要求长度有影响，适用于保护地线与被保护线缆有一定距离（>1m），这时要求线缆长度大于5m即可。
?在一些不适合采用线缆本身作退耦措施如两级防雷区界面靠近时，可利用专门的退耦器件，这时无距离要求。
（4）电压配合是通过各级防雷器限制电压值的逐级控制，最终将过电压值限制在设备允许范围内。一般防雷器都有通过雷电流越大，残压越高的特点，通过能量分配后末级防雷器流过的雷电流极小，有利于电压限制。
?在一条线缆上的过电压通过电压配合一级级降低，这要求防雷器的残压逐级减少。
?在流过同样雷电流的情况下，防雷器的残压与其响应电压有关，注意在这种情况下，不考虑电压配合而仅仅选择低响应电压的防雷器作末级保护是危险的。比如末级防雷器响应电压过低导致其响应提早，从而引入的雷电流增大，响应残压会过高。
?实现电压分配的要点在于利用线缆本身的分压作用，对其长度要求与能量分配一致。
?在一些不适合采用线缆本身作退耦措施如线缆长度较短时，可利用专门的退耦器件，这时无距离要求。
（5）退耦器件是实现能量分配与电压配合的重要措施，以下几种材料可作为退耦器件：线缆、电感、电阻。
串并式电源防雷器就是一种考虑了能量分配与电压配合，利用滤波器作为退耦器件的防雷器组合形式，适合于各种场合的应用。
（6）在某些极端情况下，装上防雷器反而会增加设备损坏的可能，必须杜绝这类情况发生。
?防雷器保护几条线，其中一条线上的防雷器失效或响应速度过慢。比如当雷电来临时，L、N两条线与地之间的电位被抬高。当有一条线的防雷器失效或响应速度过慢，如L相防雷器失效，则N相电位被拉下，而L相还处于高电位，使共模干扰转化为差模干扰而损坏设备。这要求必须实施多级保护及注意防雷器的维护。
?不考虑防雷保护区、能量配合、电压分配而随便安装防雷器，比如仅仅在设备前端装设一只防雷器，由于没有前级保护，强大的雷电流将被吸引到设备前端，致使防雷器残压超过设备绝缘强度。这要求防雷器必须按层次性原则安装。
（7）在另外一些情况下，错误的安装将使设备得不到有效保护。
?过长的防雷器连接线。根据雷电流在连接线上产生电压的式子U=L·di/dt，假如接地线长达到5m，20kA(8/20μs)雷电流通过防雷器时，防雷器两端电压被限制在1kV，而连接线上由感抗引起的电压却达到了3.8kV，使得总的残压达到了4.8kV。这时，防雷器是工作了，但加在设备上的仍是危险电压，这个问题在未级防雷器的应用中更加明显。
解决这个问题的方法是采用短的连接线，一般电源防雷器连线长度要求在25cm之内。当连接线长度超过该值时，可以采用两根以上分开的连接线以分担磁场强度，减少压降，单纯加粗连接线是没有什么效果的。
必要时可通过改变被保护线的布线，使其靠近等电位连接排（接地点）以减少连接线长度。
?防雷器输出线和输入线、接地线靠近、并排敷设。这种情况对串并式防雷器的影响比较严重。当串并式电源防雷器的输出线（已保护的线）和输入线（未保护线）、地线靠近敷设，会使输出线内感应出瞬态浪涌，虽然其强度较原来为小，但仍可能是危险的。
解决这个问题的方法是输入线、地线与输出线分开敷设或垂直敷设，尽量减少并行敷设的长度，拉开敷设的距离。
?防雷器接地线没有与被保护设备的保护地相连，即采取单独的防雷接地。假设防雷器泄放20kA雷电流，不计防雷器限制电压，防雷接地电阻即使是1Ω，在设备保护地与进线之间仍会产生20kV的危险电压。
解决这个问题的方法是防雷器的接地应与设备保护地相连。
（8）防雷器安装的其它要求
?前级防雷器一般安装在进线处保险装置后，末级防雷器应安装在漏电保护装置前端。
?对于有防直击雷功能的大通流能力的防雷器，应在每条放电支路上加装保险装置，容量为前置保险丝的0.6倍，以防烧毁线缆，并有利于维护。串并式电源防雷器应在前端加装与载流量相符的保险装置。
?防雷器除可以保护设备，也可以用于对干扰源的限制。比如在可能产生操作过电压的设备前端装设防雷器，可限制操作过电压进入电网。
?防雷器的连接线应采用多股铜绞线，不应采用单股铜芯线，以便于雷电流泄放。其线径应按等电位连接导体的方法估算。
（9）配电形式对电源防雷器保护模式的影响。
?在TN－C，TN－S，TN－C－S系统里，雷电的干扰是共模干扰，故对电力线的保护模式应该是相－地、中－地。
?在TN系统里，负载不平衡、线缆长度短、中性阻抗低的，和TT系统以及一点接地的直流供电系统里，雷电的干扰很容易转化为差模干扰，故对电力线的保护模式应该是相－中、中－地。
5其它说明
（1）这里仅仅简单地探讨了防雷器在电源系统中应用的一些问题，在实际的防护工作中，对电源系统的线缆还应该按照相关防雷规范做好屏蔽埋地引入、中性点接地和合理布线等基本措施。
（2）防雷器的防护效果取决于防雷器的选用和安装技巧，所以应向专业防雷机构或企业进行咨询。
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