防雷器在電源系統中原理以及應用



摘要：雷電由高能的低頻成份與極具滲透性的高頻成份組成。其主要通過兩種形式，一種是通過金屬管線或地線直接傳導雷電致損設備；一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以各種耦合方式感應到金屬管線或地線產生浪涌致損設備。絕大部分雷損由這種感應而引起。對于電子信息設備而言，危害主要來自于由雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，通過以下三個通道所產生的瞬態浪涌。本文主要簡析防雷器在電源系統中的應用等。

關鍵詞：防雷器 電源系統 應用

一、雷電防護基本原理

雷電及其它強干擾對通信系統的致損及由此引起的后果是嚴重的，雷電防護將成為必需。雷電由高能的低頻成份與極具滲透性的高頻成份組成。其主要通過兩種形式，一種是通過金屬管線或地線直接傳導雷電致損設備；一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以各種耦合方式感應到金屬管線或地線產生浪涌致損設備。絕大部分雷損由這種感應而引起。對于電子信息設備而言，危害主要來自于由雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，通過以下三個通道所產生的瞬態浪涌。金屬管線通道，如自來水管、電源線、天饋線、信號線、航空障礙燈引線等產生的浪涌；地線通道，地電們反擊；空間通道，電磁小組的輻射能量。

其中金屬管線通道的浪涌和地線通道的地電位反擊是電子信息系統致損的主要原因，它的最見的致損形式是在電力線上引起的雷損，所以需作為防擴的重點。由于雷電無孔不入地侵襲電子信息系統，雷電防護將是個系統工程。雷電防護的中心內容是泄放和均衡。

1.泄放是將雷電與雷電電磁脈沖的能量通過大地泄放，并且應符合層次性原則，即盡可能多、盡可能遠地將多余能量在引入通信系統之前泄放入地；層次性就是按照所設立的防雷保護區分層次對雷電能量進行削弱。防雷保護區又稱電磁兼容分區，是按人、物和信息系統對雷電及雷電電磁脈沖的感受強度不同把環境分成幾個區域：LPZOA區，本區內的各物體都可能遭到直接雷擊，因此各特體都可能導走全部雷電流，本區內電磁場沒有衰減。LPZOB區，本區內的各物體不可能遭到直接雷擊，但本區電磁場沒有衰減。LPZ1區，本區內的各物體不可能遭到直接雷擊，流往各導體的電流比LPZOB區進一步減少，電磁場衰減和效果取決于整體的屏蔽措施。后續的防雷區（LPZ2區等）如果需要進一步減小所導引的電流和電磁場，就應引入后續防雷區，應按照需要保護的系統所要求的環境區選擇且續防雷區的要求條件。保護區序號越高，預期的干擾能量和干擾電壓越低。在現代雷電防護技術中，防雷區的設置具有重要意義，它可以指導我們進行屏蔽、接地、等電們連接等技術措施的實施。

2.均衡就是保持系統各部分不產生足以致損的電位差，即系統所在環境及系統本身所有金屬導電體的電位在瞬態現象時保持基本相等，這實質是基于均壓等電位連接的。由可靠的接地系統、等電位連接用的金屬導線和等電位連接器（防雷器）組成一個電位補償系統，在瞬態現象存在的極短時間里，這個電位補償系統可以迅速地在被保護系統所處區域內所有導電部件之間建立起一個等電位，這些導電部件也包括有源導線。通過這個完備的電位補償系統，可以在極短時間內形成一個等電位區域，這個區域相對于遠處可能存在數十千伏的電位差。重要的是在需要保護的系統所處區域內部，所有導電部件之間不存在顯著的電位差。

3.雷電防護系統由三部分組成，各部分都有其重要作用，不存在替代性。外部防護，由接閃器、引下線、接地體組成，可將絕大部分雷電能量直接導入地下泄放。過渡防護，由合理的屏蔽、接地、布線組成，可減少或阻塞通過各入侵通道引入的感應。內部防護，由均壓等電位連接、過電壓保護組成，可均衡系統電位，限制過電壓幅值。

二、防雷器的作用及技術參數

防雷器又稱等電位連接器、過電壓保護器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷保安器等，用于電源線防護的防雷器稱為電源防雷器。鑒于目前的雷電致損特點，雷電防護尤其在防雷整改中，基于防雷器防護方案是最簡單、經濟的雷電防護解決方案。防雷器的主要作用是瞬態現象時將其兩端的電位保持一致或限制在一個范圍內，轉移有源導體上多余能量。

進入地下泄放，是實現均壓等電位連接的重要組成部分。防雷器的一些主要技術參數：額定工作電壓、額定工作電流，特批串并式電源防雷器的載流量。通流能力，防雷器轉移雷電流的能力，以千安為單位，與波開開式有關。防雷器在功能上可分為可防直擊雷的防雷器和防感應雷的防雷器。可防直擊雷的防雷器通常用于可能被直擊雷擊中的線路保護，如LPZOA區與LPZ1區交界處的保護。用10/35μs電流波形測試與表示其通流能力。防感應雷的防雷器通常用于不可能被直擊雷擊中的線路保護，如LPZOB區與LPX1區、LPZ1區交界處的保護。用8/20μs電流波形測試與表示其通流能力響應時間，防雷器對瞬態現象起控制作用所需的時間，與波形性質有關。殘壓，防雷器對瞬態現象的電壓限制能力，與雷電流幅值及波形性質有關。

三、防雷器的選用

基于防雷器的防護想要取得理想的效果，應注重“在合適的地方合理地裝設合適的防雷器”，防雷器的選擇十分重要。

1.進入建筑物的各種設施之間的雷電流分配情況如下：約有50%的雷電流經外部防雷裝置泄放入地，另有50%的雷電流將在整個系統的金屬物質內進行分配。這個評估模式用于估算在LPAOA區、LPZOB區和LPZ1區交界處作等電位連接的防雷器的通流能力和金屬導線的規格。該處的雷電流為10/35μs電流波形。在各金屬物質中雷電流的分配情況下：各部分雷電流幅值取決于各分配通道有的阻抗與感抗，分配通道是指可能被分配到雷電流的金屬物質，如電力線、信號線、自來水管、金屬構架等金屬管級及其它接地，一般僅以各自的接地電阻值就可以大致估算。在不能確定的情況下，可以認為接是電阻相等，即各金屬管線平均分配電流。

2.在電力線架空引入，并且電力線可能被直擊雷擊中時，進入建筑物內保護區的雷電流取決于外引線路、防雷器放電支路和用戶側線路的阻抗和感抗。如內外兩端阻抗一致，則電力線被分配到一半的直擊雷電流。在這種情況下必須采用具有防直擊雷功能的防雷器。

3.后續的評估模式用于評估LPZ1區以后防護區交界處的雷電流分配情況。由于用戶側絕緣阻抗遠遠大于防雷器放電支路與外引線路的阻抗，進入后續防雷區的雷電流將減少，在數值上不需特別估算。一般要求用于后續防雷區的電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。



后續防雷區防雷器的選擇應考慮各級之間的能量分配和電壓配合，在許多因素難以確定時，采用串并式電源防雷器是個好的選擇。串并式是根據現代雷電防護中許多應用場合、保護范圍層次區分等特點提出的概念（相對于傳統的并式防雷器而言）。其實質是經能量配合和電壓分配的多級放電器與濾波器技術的有效結合。串并式防雷有如下特點：應用廣泛。不但可以按常規進行應用，也適合保護區難以區別的場所。感生退耦器件在瞬態過電壓下的分壓、延遲作用，以幫助實現能量配合。減緩瞬態干擾的上升速率，以實現低殘壓與長壽命以及極快的響應時間。
4.防雷器的其它參數選擇取決于各個被保護物所在防雷區的級別，其工作電壓以安裝在引電路中所有部件的額定電壓為準。串并式防雷器還需注意其額定電流。

5.影響電子線雷電流分配的其它因素：變壓器端接地電阻降低將使電子線中分配電流增大。供電線纜的長度的增加將使電力線中分配電流減少，并使幾要導線中有平衡的電流分配。過短的電纜長度和過低的中性線阻抗將使電流不平衡，從而引起差模干擾。供電線纜并接多用戶將降低有效阻抗，導致分配電流增大，在連成網狀的供電狀態下，雷臨時性流主要流入電力線，這是多數雷損發生在電力線處的原因。
　

四、防雷器的安裝

1.電源線應實現多級防護，多級防護是以各防雷區為層次，對雷電能量的逐級減弱（能量分配），使各級限制電壓相互配合，最終使過電壓值限制在設備絕緣強度之內（電壓配合）。在下列情況下，多級防護成為必須：某一級防雷器失效或防雷器某一路失效。防雷器的殘壓不配合設備絕緣強度，線纜在建筑物內長度較長時。

2.幾乎所有情況下的線纜防護，至少應分成兩級以上，同一級防雷器還可能包含多級保護（如串并式防雷器）。為了達到有效的保護，可在各防雷區界面處設置相應的防雷器，防雷器可針對單個電子設備，或一個裝有多個電子設備的空間，所有穿過通常具有空間屏蔽的防雷區的導線，在穿過防雷區界面同時接有防雷器。另外，防雷器的保護范圍是有限的，一般防雷器與設備線路距離超過10m以后將使防護效果劣化，這是因為防雷器和需要保護的設備之間的電纜上有反射造成的振蕩電壓，其幅值與線路長度、負載阻抗成正比。

3.在使用電源孩子雷器的多級防護中，如果不注意能量分配，則可能引入更多的雷電能量進入保護區域。這要求防雷器應根據前述評估模式選擇。一般防雷器都有通過雷電流越大，殘壓越高的特點，通過能量分配后未級防雷器流過的雷電流極小，有利于電壓限制。注意，不考慮電壓配合而僅僅選擇低響應電壓的防雷器作末級保護是危險的。

實現能量分配與電壓配合的要點在于利用兩級防雷器之間線纜本身的感抗。線纜本身的感抗有一定的阻礙埋電流及分壓作用，使雷電流更多地被分配到前級泄放。一般要求兩級防雷器之間線纜長度在15m左右，適??纜之內的情況。線纜上分支線路的長度對線纜要求長度有影響，當保護地線與被保護線纜有一定距離（>1m），這時要求線纜長度大于5m即可。在一些不適合采用線纜本身作退耦??可利用專門的退耦器件，這時無距離要求。

4.退耦器件是實現能量分配與電壓配合的重要措施，以下幾種材料可作為退耦器件：線纜、電感和電阻。

串并式電源防雷器就是一種考慮了能量分配與電壓配合，利用濾波器作為退耦器件的防雷器組合形式，適合于各種場合的應用。

5.在某些極端情況下，裝上防雷器反而會增加設備損壞的可能，必須杜絕；這類情況發生。防雷器保護幾條線，其中一條線上的防雷器失效或響應速度過慢。這可能使共模干擾轉化為差模干擾而損壞設備。這要求必須實施多級防護及注意防雷器的維護。不考慮防雷保護區、能量配合及電壓分配而隨便安裝防雷器，比如僅僅在設備前端裝設一只防雷器，由于沒有前級保護，強大的雷電流將被吸引到設備前端，致使防雷器殘壓超過設備絕緣強度。這要求防雷器必須按層次性原則安裝。

6.在另外的一些情況下，錯誤的安裝將使設備得不到有效保護。過長的防雷器連接線、防雷器工作時，連接線上由感抗引起的電壓將極高，加在設備上的仍會危險電壓，這個問題在末級防雷器的應用中更加明顯。解決這個問題的方法是采用短的連接線，也要以采用兩要以上分開的連接線以分擔磁場強度，減少壓降，單線加粗連接線是沒有什么效果的。必要時可通過改變被保護線的布線，使其靠近等電位連接排（接地點）以減少連接線長度。

防雷器輸出線和輸入線、接地線靠近、并排敷設。這種情況對串并式防雷器的影響比較嚴重。當串并式電源防雷器的輸出線（已保護的線）和輸入線（未保護線）、地線靠近敷設，會使輸出線內感應出瞬態浪涌，雖然其強度較原來小，但仍可能是危險的。解決這個問題的方法是將輸入線、地線與輸出線分開敷設或垂直敷設，盡量減少并行敷設的長度，拉開敷設的距離。

防雷器接地線沒有與被保護設備的保護地相連，即采取單獨的防雷接地。這將使被保護線與設備保護地之間在瞬態時存在危險電壓，解決這個問題的方法是防雷器的接地應與設備保護地相連。