雷电综合防护措施及SPD的应用

雷电是一种大气物理现象，主要源于雷云与地之间大气的放电和雷云与雷云之间的放电，目前尚没有很好的办法消除和阻止雷击放电，并且雷云对地的闪击产生的危害最大。雷电流和ＬＥＭＰ是雷击放电事件的不同表现形式，雷电流通过路以电流脉冲波形式出现，ＬＥＭＰ以辐射电磁场的形式出现，两者是可以相互转化的。雷电流和ＬＥＭＰ是造成危害的根本原因。
雷击损害类型和程度取决于雷击点的位置和雷电流的能量，通常有以下四种情况：雷击建筑物（Ｓ１）、雷击建筑物邻近区域（Ｓ２）、雷击入户公共设施（Ｓ３）（例如：供电线路、信号线路和其它管道）、雷击入户公共设施邻近区域（Ｓ４）
雷击中建筑物（Ｓ１）和雷击进入建筑物公共设施（Ｓ３）（供电线路、信号线路和其他管道），雷电流会产生机械损害、火灾或爆炸、电弧侵蚀。雷电流通过侵入供电线路、信号线路形成的浪涌使电气和电子设备击毁，产生电阻热和火花发生火灾和爆炸，对于电气和电子设备这是最严重的情况。雷电流引起的接触电压和跨步电压会伤害人和其他生命体。雷击建筑物邻近区域（Ｓ２）和雷击入户公共设施邻近区域（Ｓ４）主要是由ＬＥＭＰ的作用使建筑物内部的电气和电子设备失效或工作失常，严重时产生过电压使线路及其连接处绝缘击穿。
２ 雷电综合防护措施
（1）雷电综合防护系统
雷电防护应采取雷电综合防护系统（如图１所示），由外部ＬＰＳ、内部ＬＰＳ、屏蔽、等电位联接、合理布线、浪涌保护器和共用接地系统组成，它们各司其责，是全系统中的串联子系统，缺一不可。
（2）雷电防护系统（ＬＰＳ）
ＬＰＳ的主要作用是针对极高能量的雷电流产生的损害，防止或减少对建筑物的实体损害和生命危害，由外部ＬＰＳ和内部ＬＰＳ组成。
外部ＬＰＳ，主要由接闪器、引下线和接地系统组成，其作用是截获击向建筑物的直击雷（包括侧击雷），把雷电流从雷击点引导到地并泄放入大地，要求不引起热和机械损害，不产生危险火花触发火灾和爆炸。内部ＬＰＳ，主要保持结构的间隔距离（电气绝缘）和等电位连接，其作用是：避免由于雷电流在外部ＬＰＳ或建筑物内其它导电部件流动时，导致建筑物内产生危险火花触发火灾和爆炸。
ＬＰＳ防止或减小了实体损害但是也增加了被雷击的概率，增强了ＬＥＭＰ的强度，这是我们不希望的。ＬＰＳ的各部件在截获雷击把雷电流引入大地时，伴随雷电流的ＬＥＭＰ会产生很强的辐射电磁场，对被保护目标内的电气和电子系统是很大的威胁，增加对ＬＥＭＰ防护的难度。
对雷电流击中电源线或信号线时的防护，除采用外部ＬＰＳ之外，对电源线（信号线）应采用屏蔽措施，穿铁管后埋地是行之有效的方法，这种方法是侵入的雷电流大部分泄放入大地。另一种方法是对电源线（信号线）进入设备前加装一组适配的浪涌保护器（ＳＰＤ）。对信号线可采用光纤线缆代替金属线缆，这是彻底的解决方法，但光纤的金属护套或金属加强筋都应做好等电位联结。
（3）ＬＥＭＰ防护系统（ＬＰＭＳ）
ＬＥＭＰ防护系统就是要对剩余雷电流、感应产生的浪涌和辐射电磁场进行防护。对建筑物和公共设施的理想防护是将受保护目标封闭在一个完善导电的适当厚度的接地的连续的屏蔽体内，这种屏蔽体是三维的，多重的结构。被保护设备应该放置在电磁场最弱的位置。
公共设施进入建筑物的入点处和屏蔽体之间应提供足够的等电位联结以减小电位差。可直接等电位联结，也可对带电导体通过ＳＰＤ进行准等电位联结。
无论是屏蔽体或等电位连接带（体）都应可靠地与共用接地装置连接。
在实践中，防护只能接近理想状态，应采取多种防护措施相互配合、互为补充，安装浪涌保护器则是其中的一项必要措施。
３ 浪涌保护器（ＳＰＤ）的应用
３．１ 浪涌保护器的作用
将电气、电子系统中不能用使用导体进行等电位联结的带电导体（如电源线、信号线等）使用浪涌保护器与接地系统连接，利用浪涌保护器的特性形成准等电位连接，达到保护电气电子系统和设备的目的。ＳＰＤ可作为电子元件成为电气、电子系统的部件或配套设施。
３．２ 浪涌保护器的安装位置
ＳＰＤ通常安装在每个雷电防护区线路入口处，把注入线路的雷电流和雷电电磁脉冲在回路中感应出的浪涌都泄放到地，以保护人身安全和设备安全。建筑物的各种雷击风险中，电源线路与信号线路所占的比例在９０％以上，因此线路的防护措施尤为重要，一般采取的措施是安装协调配合的ＳＰＤ。由图２可见，协调配合的ＳＰＤ与磁屏蔽体、接地系统共同建立了雷电电磁脉冲防护的内层防护区，将需要保护的设备置于其中，充分保证设备的安全。图２中在ＬＰＺ　０、ＬＰＺ　１、ＬＰＺ　２各雷电防护区的线路入口处设置了参数匹配的三级ＳＰＤ进行保护。
３．３ 选择浪涌保护器应考虑的因素
（1）浪涌保护器形式的选择
ＳＰＤ的形式可分为两种：开关型（实验波形为１０/３５０μｓ，例如ＳＧ）和限压型（实验波形为８/２０μｓ，例如ＭＯＶ）。开关型ＳＰＤ容量较大，可用于ＬＰＺ０Ａ区与ＬＰＺ１区的交界处。ＬＰＺ０Ｂ区与ＬＰＺ１区交界处以及ＬＰＺ１与ＬＰＺ２区等不存在直接雷击的区域，选用限压型ＳＰＤ。
（2）浪涌保护器选用安装时需考虑的参数
ＳＰＤ安装在电源线、信号线路上，所以应考虑ＳＰＤ的安装位置、组合形式以及ＳＰＤ的通流量、负载能力、残压和响应速度等，以便与被保护设备适配。对于信号ＳＰＤ的选择，应根据其防护等级、工作频率范围、接口形式、传输速率、功率选用插入损耗小、电压驻波比小、通流量大的适配的ＳＰＤ，必要时选择ＳＰＤ组。
（3）浪涌保护器的能量配合
当用ＳＰＤ组合时，要考虑各级之间能量配合和ＳＰＤ与被保护设备之间的配合，总之各级ＳＰＤ要泄放的能量比ＳＰＤ能承受的能量低，贴近设备的ＳＰＤ的残压要低于被保护设备耐冲击电压。
（4）多级浪涌保护器的设置依据
常规的多级ＳＰＤ通流量是逐级减小的，以低压供电系统为例，第一级选用大通流量ＳＰＤ安装在ＬＰＺ０Ｂ与ＬＰＺ１界面处，第二、三级选通流较小的ＳＰＤ安装在相应的防雷区界面处。这样安装的条件是雷电流脉冲一定是由ＬＰＺ０Ｂ区外侵入电源线进入的，另一方面各防雷区是严格按定义存在的，这样层层设防是正确的。
实际上很多建筑物不存在定义上的ＬＰＺ１区，常常在ＬＰＺ１区中存在ＬＰＺ０Ｂ区，甚至存在ＬＰＺ０Ａ区。例如在ＬＰＺ１区开放式部分（如门、窗）。
当建筑物由法拉第笼组成的屏蔽体是外部ＬＰＳ构成的自然构件时，强大的雷电流通过法拉第笼通路向地泄放时，在建筑物内整个空间会产生很强的电磁场，并产生反射、谐振，这会在建筑物内各线路中感应很强的过电压、过电流。在常规民用建筑上安装的外部ＬＰＳ在直击雷击中时，也会产生很强的电磁场进入ＬＰＺ１区，以上分级安装的条件起了变化，电子系统所处的电磁环境变了，所以逐级防护就不能起到保护作用，应根据具体雷电电磁环境设置ＳＰＤ.
（5）实际应用中应选较大通流量或热备份ＳＰＤ
雷击时不只是单次雷击，往往是多次雷击，所以选择ＳＰＤ时应将通流量选大一些。例如一个１００kＡ（８/２０μｓ）ＳＰＤ和一个２０kＡ（８/２０μｓ）ＳＰＤ，用１０kＡ（８/２０μｓ）的电流进行冲击试验，１００kＡ　ＳＰＤ经３０００次冲击才损坏，２０kＡ　ＳＰＤ经３０次就损坏了。ＳＰＤ的通流量是资源，应根据所处的雷电环境通流量应选大一些。
４ 几种典型浪涌保护器的介绍
４．１ 热备份电源浪涌保护器
热备份功能ＳＰＤ用在重要部位，当常用非线性芯片被击坏之后，备份芯片仍能起到限压分流的作用，建议重要的设备应选用热备份性能的ＳＰＤ.天津市中力防雷技术有限公司具有国家专利技术的热备份电源浪涌保护器ＣＰＭ－Ｒ４０ＴＡ、ＣＰＭ－Ｒ４０ＳＡ，为双芯片结构，一个为常用芯片，一个为备用芯片，当常用芯片受雷击或老化损坏时，备用芯片自动启动，并且可以给出报警信号，因此可以最大限度的保护设备。
４．２ 多级集成电源浪涌保护器
雷击事故调查显示，使用多级ＳＰＤ或单级ＳＰＤ时，在雷击时ＳＰＤ完好无损，被保护设备时而被雷击坏。分析其原因：一是ＳＰＤ的残压高；二是响应速度慢；三是当安装位置远离被保护设备，当终端阻抗与电缆阻抗不匹配时，随着电缆长度增加，ＳＰＤ和负载各自两端的电压振荡逐渐加剧，负载两端的电压甚至已达到ＳＰＤ两端电压的两倍。另外，空间ＬＥＭＰ侵入ＳＰＤ与设备之间线路，在回路中感应出新的浪涌，加重了被保护设备的负担。
针对以上问题建议选用多级集成浪涌保护器（ＩＭＰ），ＩＭＰ的特点：由多级ＳＰＤ和阻抗单元组成内部匹配的ＳＰＤ组，ＩＭＰ与被保护设备串联。典型的ＩＭＰ由三级集成，级间互为备份，且串联有匹配单元，残压≤８００Ｖ，响应速度快，约１０ｎｓ甚至更小，有效保护了设备。ＩＭＰ特别适用于重要设备的保护，紧贴被保护设备安装，也适用于以上所提的特殊电磁环境的防护。多级集成原理示意图如图３所示。
天津市中力防雷技术有限公司研制开发的ＣＰＢ系列多级集成式电源ＳＰＤ产品，是为更加全面充分抑制雷电电磁脉冲和电源线路浪涌过电压而专门设计。采用专有的多级集成－ＩＭＰ雷电浪涌保护技术，从而根本地解决了防护器件的功率与响应速度的矛盾。雷电或其它浪涌经过逐级衰减分流，浪涌过压以半导体的响应速度被嵌位于预定的安全范围之内，充分的保障了设备的安全。
４．３ 熔断组合型浪涌保护器
浪涌保护器（ＳＰＤ）是保护电气、电子设备的器件，其本身的安全性和可靠性是非常重要的。ＳＰＤ在设计安装时应考虑其自保护和后备保护功能及其装置。
（1）ＳＰＤ的自保护
ＳＰＤ都应在ＳＰＤ劣化时有热脱扣装置，在升温到１２０℃时应脱扣从并联线路中断开，保证不发生火灾、爆炸等事故。目前有多种脱扣装置，应选择脱扣性能经过严格检测的ＳＰＤ.
（2）ＳＰＤ的后备保护
一般电源ＳＰＤ在线路中安装时需同时安装ＳＰＤ的后备保护装置（如熔断器、断路器等）。对各种后备保护装置的保护性能进行分析。
当雷电流冲击时，熔断器作后备保护，线路两端限制电压为：Ｕ熔＝Ｒｉ＋Ｌ（ｄｉ/ｄｔ），Ｌ为连接导线电感，Ｒ为熔断器电阻；断路器作后备保护，线路两端限制电压为：Ｕ断＝Ｌ（ｄｉ/ｄｔ）＋ＬＢ（ｄｉ/ｄｔ），Ｌ为连接导线电感，ＬＢ为断路器电感。上海电器科学研究所对同一型号ＳＰＤ安装不同后备保护装置进行测试（如图4所示）。
当Ｉｎ＝２０kＡ，Ｉｍａｘ＝４０kＡ时，串联ＲＴ１４－６３熔断器，在１９．８ｋＡ大电流冲击时，熔断器断开，测得ＡＢ两端限制电压Ｕ熔为２６７４Ｖ.串联ＤＺ４７－６３断路器，在１８．２９ｋＡ大电流冲击时，断路器脱扣断开，测得限制电压为Ｕ断为５０１４Ｖ，其中断路器附加电压为３kＶ，ＳＰＤ残压为１kＶ，连接导线压降约为１kＶ.
上述分析和实验表明：
１）用断路器作后备保护时，线路上的限制电压ＵＡＢ要高于用熔断器作后备保护的线路上的限制电压，故大多数专业ＳＰＤ供应厂家都采用熔断器作后备保护。另一方面，由于断路器和导线电感的存在，其响应时间长，这也是系统不希望的。
２）由于连接导线存在着与ＳＰＤ残压水平相当的压降，造成ＳＰＤ保护回路整体残压升高，不利于系统设备的雷电防护。
天津市中力防雷技术有限公司推出的ＣＰＭ－Ｒ系列产品，集熔断器和防雷模块为一体，即将ＳＰＤ所必需的短路保护的熔断器集成于ＳＰＤ内，不需另外配置熔断器和与其连接的导线，缩短了连接导线的长度，有效降低了残压，加快了响应速度。
４．４ 在线热插拔信号ＳＰＤ
信号ＳＰＤ一般串联安装于设备前端，存在的问题是：当信号ＳＰＤ失效时或工作不正常时，不容易被发现，对ＳＰＤ检测或维护时需将信号线路断开，影响了设备的正常工作。为解决以上问题，中力公司开发研制了测控类浪涌保护器ＣＰＩ系列产品，该系列ＳＰＤ属于在线热插拔式，其防雷器件位于可插拔模块内，当模块检测或更换时，在线拔出防雷模块，不影响信号的传输，线路仍为通路，且有专门的ＣＰＩ模块检测仪器，检测模块的参数和状态。
４．５ 信息接入防雷箱
天津市中力防雷技术有限公司的专利产品信息接入防雷箱（ＣＰＳ系列），作为智能建筑信息系统的终端设备，安装于户内，起着信息接入配线的作用，同时将防雷功能集为一体，将所有进出户线路做好防雷保护，避免了由于雷电浪涌造成的系统设备的故障，提高了智能建筑信息系统的安全可靠性。