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防雷器

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  防雷器,又称避雷器、浪涌保护器、电涌保护器、过电压保护器等,主要包括电源防雷器和信号防雷器,防雷器是通过现代电学以及其它技术来防止被雷击中的设备的损坏。避雷器中的雷电能量吸收,主要是氧化锌压敏电阻和气体放电管。


1历史

  原始的防雷器是羊角形间隙,出现于19世纪末期,用于架空输电线路,防止雷击损坏设备绝缘而造成停电,故称“防雷器”。20世纪20年代,出现了铝防雷器,氧化膜防雷器和丸式防雷器。30年代出现了管式防雷器。50年代出现了碳化硅防雷器。70年代又出现了金属氧化物防雷器。现代高压防雷器,不仅用于限制电力系统中因雷电引起的过电压,也用于限制因系统操作产生的过电压。

2组成

  防雷器包括:电源防雷器和信号防雷器,以及天馈防雷器。防雷器也命名为:避雷器,浪涌保护器,电涌保护器,简称SPD。在信息时代,电脑网络和通讯设备越来越精密,而雷电以及大型电气设备的瞬间过电压会越来越频繁的通过电源、天线、无线电信号收发设备等线路侵入室内电气设备和网络设备,造成设备或元器件损坏,人员伤亡,传输或储存的数据受到干扰或丢失,甚至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪、系统停顿,数据传输中断,局域网乃至广域网遭到破坏。其危害触目惊心,间接损失一般远远大于直接经济损失。防雷器就是依据现代电学以及其它技术集成、制造的过电压和过电流嵌位设备。

3工作原理

  1.管式避雷器,其基本工作原理是内间隙(又称灭弧间隙)置于产气材料制成的灭弧管内,外间隙将管子与电网隔开。雷电过电压使内外间隙放电,内间隙电弧高温使产气材料产生气体,管内气压迅速增加,高压气体从喷口喷出灭弧。管式避雷器具有较大的冲击通流能力,可用在雷电流幅值很大的地方。但管式避雷器放电电压较高且分散性大,动作时产生截波,保护性能较差。主要用于变电所、发电厂的进线保护和线路绝缘弱点的保护。

  2.碳化硅避雷器,其基本工作原理是叠装于密封瓷套内的火花间隙和碳化硅阀片(电压等级高的避雷器产品具有多节瓷套)。火花间隙的主要作用是平时将阀片与带电导体隔离,在过电压时放电和切断电源供给的续流。碳化硅避雷器的火花间隙由许多间隙串联组成,放电分散性小,伏秒特性平坦,灭弧性能好。碳化硅阀片是以电工碳化硅为主体,与结合剂混合后,经压形、烧结而成的非线性电阻体,呈圆饼状。碳化硅阀片的主要作用是吸收过电压能量,利用其电阻的非线性(高电压大电流下电阻值大幅度下降)限制放电电流通过自身的压降(称残压)和限制续流幅值,与火花间隙协同作用熄灭续流电弧。碳化硅避雷器按结构不同,又分为普通阀式和磁吹阀式两类。后者利用磁场驱动电弧来提高灭弧性能,从而具有更好的保护性能。碳化硅避雷器保护性能好,广泛用于交、直流系统,保护发电、变电设备的绝缘。

  3.金属氧化物避雷器,其基本工作原理是密封在瓷套内的氧化锌阀片。氧化锌阀片是以ZnO为基体,添加少量的 Bi2O3、MnO2、Sb2O3、Co3O3、Cr2O3等制成的非线性电阻体,具有比碳化硅好得多的非线性伏安特性,在持续工作电压下仅流过微安级的泄漏电流,动作后无续流。因此金属氧化锌避雷器不需要火花间隙,从而使结构简化,并具有动作响应快、耐多重雷电过电压或操作过电压作用、能量吸收能力大、耐污秽性能好等优点。由于金属氧化锌避雷器保护性能优于碳化硅避雷器,已在逐步取代碳化硅避雷器,广泛用于交、直流系统,保护发电、变电设备的绝缘,尤其适合于中性点有效接地(见电力系统中性点接地方式)的110千伏及以上电网。

4基本特点

  防雷器,也叫浪涌保护器,是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时,浪涌保护器能在极短的时间内导通分流,从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。

  防雷器基本特点有:

  1、保护通流量大,残压极低,响应时间快;

  2、采用新灭弧技术,彻底避免火灾;

  3、采用温控保护电路,内置热保护;

  4、带有电源状态指示,指示浪涌保护器工作状态;

  5、结构严谨,工作稳定可靠。

5性能特点

  ·单相一体化电源防雷箱采用共模、差模全保护模式;

  ·单相一体化电源防雷箱采用多级压敏嵌位并联技术;

  ·单相一体化电源防雷箱采用通流量大残压低、响应时间快;

  ·单相一体化电源防雷箱采用带负载过流、过热、失效分离装置;

  ·单相一体化电源防雷箱的。

6作用特点

  防雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一种电器。防雷器的类型主要有保护间隙、阀型防雷器和氧化锌防雷器。保护间隙主要用于限制大气过电压,一般用于配电系统、线路和变电所进线段保护。阀型防雷器与氧化锌防雷器用于变电所和发电厂的保护,在500KV及以下系统主要用于限制大气过电压,在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。

7主要分类

  防雷器有高压和低压防雷器之分,本节介绍的是低压配电系统中的防雷器(电涌保护器SPD)。

  ⒈ 电涌保护器的种类名目繁多的防雷器在中国的市场上已经超过了上百种,如何对不同品牌、不同型号的防雷器进行分类也许就摆在我们面前。

  从组合结构分;现在市场上的避雷器有几下几种:

  1)间隙类————开放式间隙、密闭式间隙

  2)放电管类———开放式放电管密封式放电管

  3)压敏电阻类——单片、多片

  4)抑制二极管类

  5)压敏电阻/气体放电管组合类----简单组合、复杂组合

  6)碳化硅类

  按照其保护性质有可以分为:开路式避雷器、短路式避雷器或开关型、限压型;

  按照工作状态(安装形式)又可分为:并联避雷器和串联式避雷器。

  ⒉ 避雷器的结构及特性

  ⒉1.1 开放式间隙避雷器

  间隙避雷器的工作原理:基于电弧放电技术,当电极间的电压达到一定程度时,击穿空气电弧在电极上进行爬电。

  优点:放电能力强,通流量大(可以达到100KA)漏电流小

  热稳定性好

  缺点:残压高,反映时间慢,存在续流

  工艺特点:由于金属电极在放电时承受较大电流,所以容易造成金属的升华,使放电腔内形成金属镀膜影响避雷器的启动和正常使用。放电电极的生产主要还是集中在国外一些避雷器生产企业,,电极的主要成分是钨金属的合金。

  工程应用:该种结构的避雷器主要应用在电源系统做B级避雷器使用。但由于避雷器自身的原因容易引起火灾,避雷器动作后(飞出)脱离配电盘等事故。根据型号的不同适合与各种配电制式。

  工程安装时一定要考虑安装距离,避免引起不必要的损失和事故。

  ⒉1.2 密闭式间隙避雷器

  现在国内市场有一种多层石墨间隙避雷器,这种避雷器主要利用的是多层间隙连续放电,每层放电间隙相互绝缘,这种叠层技术不仅解决了续流问题而且是逐层放电,无形中增大了产品自身的通流能力。

  优点:放电电流大 测试大50KA(实际测量值)漏电流小

  无续流 无电弧外泻 热稳定性好

  缺点:残压高,反映时间慢

  工艺特点:石墨为主要材料,产品内采用全铜包被解决了避雷器在放电时的散热问题,不存在后续电流问题,大的特点是没有电弧的产生,且残压与开放式间隙避雷器比较要低很多。

  工程应用:该种避雷器应用在各种B、C类场合,与开放式间隙比较不用考虑电弧问题。根据型号的不同该种产品适合与各种配电制式。

  ⒉2 放电管类避雷器

  ⒉2.1 开放式放电管避雷器

  开放式放电管避雷器,实质与开放式间隙避雷器是一样的产品,都属于空气放电器。但是与间隙放电器比较它的通流能力就降了一个等级。

  优点:体积小 通流能力强(10-15KA) 漏电流小 无电弧喷泻

  缺点:残压较高 有续流 产品一致性差反映时间慢

  ⒉2.2 密闭式气体放电管

  密闭式气体放电管也叫惰性气体放电管,主要是内部充盈了惰性气体,放电方式是气体放电,靠击穿气体来起到一次性泻放电流的目的。一般有2极和3极两种结构。外型与上图相似。优点:体积小(气体管可以很小)通流量大 无电弧

  缺点:产品一致性差(启动电压、残压)有续流残压较高

  工艺特点:空气放电管还是属于开放式产品,在工作时不保证没有点火花从排压孔喷出,气体放电管是密封结构,一般有2极和3极良种结构形式,一般3极有热保护装置(短路装置),在放电管工作时温度超过了一定范围,短路装置启动使放电管整体导通。防止温度过高造成放电管内气压生高器件爆裂。工程应用:一般空气放电管现在很少应用,而气体放电管现今被广泛的应用在信号防雷器上。型号的不同也有在电源避雷器上使用。

  ⒉3 氧化锌电阻类避雷器

  ⒉3.1 单片压敏电阻避雷器

  单片压敏电阻避雷器是80年代由日本先发明使用。直到现在,单片敏电阻的使用率也是避雷器中高的。压敏电阻避雷器的工作原理是利用了压敏电阻的非线性特点。当电压没有波动时氧化锌呈高阻态,当电压出现波动达到压敏电阻的启动电压时压敏电阻迅速呈现低阻态,将电压限制在一定范围内。

  ⒉3.2 多片压敏电阻避雷器

  由于单片压敏电阻的通流量一直不够理想(一般单片压敏电阻大放电电流在20KA\8/20uS),在这种前提下多片组合压敏电阻避雷器产生,多片压敏电阻组合避雷器主要是解决了单片压敏电阻的通流量较小,不能满足B级场合的使用。多片压敏电阻的产生从根本上解决了压敏电阻通流量的问题。

  优点:通流容量大,残压较低,反应时间较快(≤25ns),

  无跟随电流(续流)

  缺点:漏电流较大,老化速度快。热稳定一般

  工艺特点:多数采用积木结构。

  工程应用:根据结构不同,压敏电阻避雷器广泛的应用在B、C、D级以及信号避雷器。但是应解决的问题是工程中有个别产品存在燃烧现象,所以在产品选型时应注意厂家使用的外壳材料。

  ⒉4 抑制二极管类防雷器

  抑制二极管类防雷产品主要是网络等信号避雷产品中大量的应用,主要采用的器件有P*KE(雪崩管)等系列等产品。工作原理是基于PN结反向击穿保护。

  优点:残压低 动作精度高 反应时间快无续流 体积小

  缺点:通流量小2.5 压敏电阻/气体放电管组合类

  ⒉5.1 简单组合避雷器

  组合式避雷器典型结构是N-PE结构形式,这种避雷器与单一结构的避雷器相比,综合了两种不同产品的优点,而减少了单一器件的缺点。

  优点:通流量大 反应时间快

  缺点:残压相对较高

  工程应用:仅在N-PE制式使用的避雷器,适合电压波动率较大地区使用。

  ⒉5.2 复杂型组合式避雷器

  这种避雷器充分发挥各种元器件的优点,在结构上一般使用数量较多的压敏电阻和气体放电管。这种结构的避雷器一般具有较高的通流能力,且残压较低。行业内也称这种结构的避雷器为一体化避雷器。

  优点:通流量大 反映时间快 残压低无续流 热稳定性好

  缺点:无声音报警 无计数器

  工艺特点:一体化避雷器的电路结构紧凑,充分发挥了氧化锌电阻反映时间快的特点,有结合了气体放电管具有较高通流能力的优点。在电路上避雷器使用了较多的氧化锌电阻来提高整体避雷器的通流能力,用气体放电管作为备用放电通道。基于这种完善的电路结构使避雷器的使用寿命大大提高。

  工程应用:

  一体化避雷器根据型号的不同广泛应用与B、C、D各种安装环境。由于是一体化设计,所以更适合在不具备安装距离的场合使用。(IEC规定B、C、D模块化避雷器三级间的短距离在10M以上)

  ⒉6 碳化硅避雷器(阀式避雷器)

  碳化硅避雷器主要应用于高压电力防雷,现今仍是电力系统使用率较高的电力防雷产品。

8主要参数

  1、标称电压Un:设备正常耐受电压,防雷器不动作。与被保护系统的额定电压相符,在信息技术系统中此参数表明了应该选用的保护器的类型,它标出交流或直流电压的有效值。

  2、大持续工作电压Uc:能长久施加在保护器的指定端,而不引起保护器特性变化和激活保护元件的大电压有效值。

  3、标称放电电流In:也称额定放电电流Isn,给保护器施加波形为8/20μs的标准雷电波冲击10次时,保护器所耐受的大冲击电流峰值。

  4、大放电电流Imax:给保护器施加波形为8/20μs的标准雷电波冲击1次时,保护器所耐受的大冲击电流峰值。

  5、电压保护水平Up:保护器在下列测试中的大值:1KV/μs斜率的跳火电压;标称放电电流时的残压。

  6、响应时间Ta:主要反应在保护器里的特殊保护元件的动作灵敏度、击穿时间,在一定时间内变化取决于du/dt或di/dt的斜率。

  7、数据传输速率Vs:表示在一秒内传输多少比特值,单位:bps;是数据传输系统中正确选用防雷器的参考值,防雷保护器的数据传输速率取决于系统的传输方式。

  8、插入损耗Ae:在给定频率下保护器插入前和插入后的电压比率。

  9、回波损耗Ar:表示前沿波在保护设备(反射点)被反射的比例,是直接衡量保护设备同系统阻抗是否兼容的参数。

  10、大纵向放电电流:指每线对地施加波形为8/20μs的标准雷电波冲击1次时,保护器所耐受的大冲击电流峰值。

  11、大横向放电电流:指线与线之间施加波形为8/20μs的标准雷电波冲击1次时,保护器所耐受的大冲击电流峰值。

  12、在线阻抗:指在标称电压Un下流经保护器的回路电阻和感抗的和。通常称为“系统阻抗”。

  13、峰值放电电流:分两种:标称放电电流In和大放电电流Imax。

  14、漏电流:指在75或80标称电压Un下流经保护器的直流电流。

  15、 续流 If - follow current:冲击放电电流以后,由电源系统流入SPD的电流。续流与持续工作电流Ic有明显区别。

  16、 额定负载电流 IL - rated load current:能对SPD保护的输出端联接负载提供的大持续额定交流电流有效值或直流电流。

  17、 电压保护水平 Up - voltage protection :level表征SPD限制接线端子间电压的性能参数,其值可从优先值的列表中选择。该值应大于限制电压的高值

  18、限制电压 measured limiting voltage:施加规定波形和赋值的冲击电压时,在SPD接线端子间测得的大电压峰值。

  19、残压 Ures - residual voltage:放电电流流过SPD时,在其端子间的电压峰值。

  20、 暂态过电压(TOV)特性 temporary overvoltage(TOV) characteristic:SPD承受一个暂态过电压UT至规定时间tT时的工作状况。

9如何选用

  基于防雷器的防护想要取得理想的效果,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。

  ⒈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。这个*估模式用于估算在LPAOA区、LPZOB区和LPZ1区交界处作等电位连接的防雷器的通流能力和金属导线的规格。该处的雷电流为10/35μs电流波形。在各金属物质中雷电流的分配情况下:各部分雷电流幅值取决于各分配通道有的阻抗与感抗,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、金属构架等金属管级及其它接地,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,可以认为接是电阻相等,即各金属管线平均分配电流。

  ⒉在电力线架空引入,并且电力线可能被直击雷击中时,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和感抗。如内外两端阻抗一致,则电力线被分配到一半的直击雷电流。在这种情况下必须采用具有防直击雷功能的防雷器。

  ⒊后续的*估模式用于*估LPZ1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。串并式防雷有如下特点: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。感生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。减缓瞬态干扰的上升速率,以实现低残压与长寿命以及极快的响应时间。

  ⒋防雷器的其它参数选择取决于各个被保护物所在防雷区的级别,其工作电压以安装在引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。

  ⒌影响电子线雷电流分配的其它因素:变压器端接地电阻降低将使电子线中分配电流增大。供电线缆的长度的增加将使电力线中分配电流减少,并使几要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,雷临时性流主要流入电力线,这是多数雷损发生在电力线处的原因。

参考资料

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