防雷器在电源系统中的应用1

 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zui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*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*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zui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，zui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。