防雷技術(shù)

建筑物防雷的若干問題
作者: www.tj-spd.cn 時(shí)間: 2007-11-24
本文章共3219字，


美國創(chuàng)新科技有限公司上海代表處 龔 蔚



[摘 要] 低壓側(cè)的瞬態(tài)過電壓（電涌）由雷擊、電網(wǎng)切換和負(fù)載切換、非線性負(fù)載等引起。它們會(huì)在約1微妙的瞬間產(chǎn)生幾千至上萬伏的電涌，損壞或降低電子設(shè)備的性能。因Surge Protection Methods of the Power System for Electronic Information System

Grace W. Gong

Innovative Technology, Inc. Shanghai Rep. Office

Abstract: Surges at low voltage side are caused by external issues such as lightning and power grid switching, and internal issues like load switching and normal equipment operations. Generally they are more than several kV to tens kV within 10－6s, which damage and degrade the electronic equipment. Surge Protective Device(SPD) is an important measure for such protection.

Key words: power supply transient voltage surge protection lightning surge protective device

隨著中國現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的不斷深入，電子系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，對(duì)電子設(shè)備的保護(hù)顯得尤為重要。
雷擊對(duì)敏感電子設(shè)備的危害眾所周知，但雷電和其它外部因素造成的電涌在一個(gè)典型供電系統(tǒng)中出現(xiàn)的“尖刺”在所有電涌中只占20％。用戶的各種電力、電子設(shè)備，非線性負(fù)荷和沖擊性負(fù)荷不斷增加，使得電網(wǎng)電能質(zhì)量日益惡化，不但影響了電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且對(duì)用戶的用電設(shè)備產(chǎn)生極大的危害，特別是對(duì)敏感電子設(shè)備的沖擊更為突出。


安裝電涌保護(hù)器就可以解決上述問題。通常在主開關(guān)柜的人口處和需考慮的各分開關(guān)柜配置電涌保護(hù)器。在某些場(chǎng)合，甚至在用戶端也需安裝電涌保護(hù)器。


一、電涌的成因和特性


電涌，是指在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的高頻尖峰沖擊電壓。雷擊和電子網(wǎng)的暫態(tài)過程是造成電涌的二大主要原因。
一般建筑物上的直擊雷防護(hù)系統(tǒng)只能保護(hù)其本身不受雷電直擊，而對(duì)雷電擊中采用共地系統(tǒng)的防雷裝置、雷電流經(jīng)導(dǎo)線引入和雷電感應(yīng)引起的破壞無能為力。因此，我國建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057－94）提出“在電源引入的總配電柜處宜裝設(shè)過電壓保護(hù)器?！?br/>

在電力系統(tǒng)中，開關(guān)的分、合閘操作，負(fù)荷的投、切， 如熒光燈、大型電感式馬達(dá)和電子功率控制器和系統(tǒng)短路、接地故障等產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓、過電流，這些暫態(tài)過程有害的高次諧波在輸電線路上通過電容耦合和電磁耦合方式侵入通信、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)控制等線路中，并以流動(dòng)波的形式損害相關(guān)設(shè)備。在商用環(huán)境中，電子照明控制柜、電梯馬達(dá)和辦公設(shè)備中的開關(guān)電源是產(chǎn)生電涌的主要因素。在工業(yè)環(huán)境中，電涌由加工工廠、某些點(diǎn)焊設(shè)備、電爐和變速電動(dòng)機(jī)和便攜式電動(dòng)工具等造成。電子設(shè)備（如計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)接口和數(shù)字邏輯控制設(shè)備）對(duì)電源線的干擾和波動(dòng)十分敏感。計(jì)算機(jī)內(nèi)部電路的芯片工作電壓一般不大于5V，如果有大于5V的電磁干擾脈沖進(jìn)入計(jì)算機(jī)，很可能導(dǎo)致誤動(dòng)作或設(shè)備損壞。美國等信息產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國家對(duì)電源線的干擾特別重視。

我國的信息產(chǎn)業(yè)雖然起步較晚，但發(fā)展非常迅速，業(yè)內(nèi)有識(shí)之士已認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題的嚴(yán)重性，并出臺(tái)了一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，如GB/T 50314－2000《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，要求電氣設(shè)計(jì)師考慮電子設(shè)備的電源干擾問題。

二、電涌產(chǎn)生的后果

雷電和操作過電壓引起的電涌是信息化時(shí)代的一大公害，在全球信息化產(chǎn)業(yè)最發(fā)達(dá)的美國，每年因此造成的損失高達(dá)50－60億美元。電涌造成的破壞性后果體現(xiàn)在對(duì)用電設(shè)備（負(fù)載）和供電設(shè)備（配電變壓器）兩方面。

對(duì)用電設(shè)備的損壞：電涌產(chǎn)生的脈沖信號(hào)侵入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)線路或數(shù)據(jù)庫時(shí)，傳輸或儲(chǔ)存的信息會(huì)丟失，電子設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作或暫時(shí)癱瘓；電子元器件性能衰減，壽命下降；電子線路板燒毀；甚至整個(gè)系統(tǒng)停頓，導(dǎo)致銀行電腦服務(wù)停頓、移動(dòng)通信中斷等間接損失，大大超過設(shè)備更換的直接損失。
　

對(duì)配電變壓器的損壞：雷電擊中低壓線路或低壓線路遭雷電感應(yīng)，損壞低壓側(cè)絕緣，經(jīng)電磁耦合，損壞高壓側(cè)；雷電擊中高壓線路或高壓線路遭雷電感應(yīng)，則高壓避雷器動(dòng)作，因反變過程影響，也會(huì)使中性點(diǎn)附近的絕緣擊穿。

基于微處理器的控制器和PLC（可編程序控制器）對(duì)電涌危害尤為敏感。在安裝SPD設(shè)備前，美國一家主要的汽車生產(chǎn)商不得不每天幾次更換汽車裝配機(jī)器人上的印刷電路板。另外的一些敏感設(shè)備包括電子銷售設(shè)備（EPOS）、計(jì)算機(jī)和通訊設(shè)備。例如：在汽車加油站，抽油機(jī)馬達(dá)產(chǎn)生的電涌會(huì)損壞電子控制和通信設(shè)備。不僅單個(gè)大電涌會(huì)使設(shè)備損壞，無數(shù)個(gè)小電涌的累積結(jié)果也會(huì)燒毀電路板和電子設(shè)備、損壞馬達(dá)的絕緣層和一些礦物絕緣電纜。

三、預(yù)防電涌危害的措施

一個(gè)典型的SPD系統(tǒng)方案包括主配電柜保護(hù)、分配電柜保護(hù)、終端配電柜保護(hù)和用戶端保護(hù)幾部分。主配電柜保護(hù)設(shè)備能將高達(dá)20kV的外部電涌減至1.1kV的限制電壓，這一電壓送至分配電柜保護(hù)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步處理，中央空調(diào)、電梯馬達(dá)等產(chǎn)生的電涌也由分配電柜保護(hù)設(shè)備處理。這一級(jí)的限制電壓和其它下級(jí)產(chǎn)生的電涌一起被終端配電柜保護(hù)設(shè)備處理至可忽略不計(jì)的電壓值。在需要特別保護(hù)的通訊和數(shù)據(jù)設(shè)備處，還可安裝用戶端保護(hù)設(shè)備。

四、選擇和安裝

金屬氧化可變電阻（Metal Oxide Varistor）是組成大多數(shù)SPD的基本器件。早期的SPD產(chǎn)品主要采用單一器件，目前國際上最先進(jìn)的設(shè)計(jì)是使用包括箝制電路、濾波器和串聯(lián)阻抗的混合網(wǎng)絡(luò)，如美國創(chuàng)新科技公司的Protector系列電涌保護(hù)器。

在需要重點(diǎn)保護(hù)的場(chǎng)合，主動(dòng)跟蹤網(wǎng)絡(luò)（Active Tracking Network－ATN）會(huì)跟蹤電源波形，對(duì)發(fā)生在任何相位和極性上的瞬態(tài)電涌作出響應(yīng)，有效地抑制高頻高次諧波，降低系統(tǒng)的總諧波畸變率。

在選擇SPD設(shè)備時(shí)，有幾個(gè)參數(shù)需要考慮，如最大持續(xù)工作電流、輸入頻率、峰值電涌電流、可測(cè)限制電壓（measured limiting voltage），也稱殘壓、響應(yīng)時(shí)間、重量和外型尺寸等。

可測(cè)限制電壓（Vpk）是最重要的一個(gè)指標(biāo)。它表示將加到負(fù)載的最大殘壓。它在評(píng)價(jià)制造商在哪種條件下引用該值時(shí)尤為重要。一些制造商只引用器件的Vpk，另外一些制造商，如美國創(chuàng)新科技，考慮整體指標(biāo)，即提供的是在模擬實(shí)際使用環(huán)境下測(cè)得的指標(biāo)。

市場(chǎng)上的許多SPD的峰值電涌電流只有20kA，但40kA和80kA的SPD更好。在大多數(shù)重負(fù)荷場(chǎng)所，應(yīng)考慮使用160kA，320kA或640kA 的SPD。

響應(yīng)時(shí)間也是一個(gè)值得重視的參數(shù)，目前市場(chǎng)充斥的大量幾十納秒級(jí)的產(chǎn)品，對(duì)含高達(dá)幾百兆的微處理器芯片的設(shè)備，是起不到保護(hù)作用的。Protector系列的響應(yīng)時(shí)間已達(dá)到1納秒。電涌保護(hù)設(shè)備需要在各種模式下工作。在三相星形系統(tǒng)中有十種模式，或稱電涌傳播路徑，即三種相－相、三種相－中線、三種相－地和一種中線－地。

產(chǎn)品的使用壽命也是個(gè)重要因素。大多數(shù)設(shè)備中，器件的性能隨著電涌能量耗散而逐漸下降。當(dāng)器件失效時(shí)，必須進(jìn)行更換。Protector系列產(chǎn)品封裝在一種特殊的化合物中，這種化合物能驅(qū)散電涌產(chǎn)生的熱量并大大減慢器件失效的速度。Protector系列擁有長達(dá)20年免費(fèi)包換的承諾。

許多SPD產(chǎn)品產(chǎn)自美國，因此它們都有Underwriters Laboratory －（UL）證書，也有歐盟的CE標(biāo)志。目前我國還沒有相應(yīng)的國標(biāo)，相近的有公安部頒布的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)防雷保安器標(biāo)準(zhǔn)GA173－1998，信息產(chǎn)業(yè)部也有相關(guān)的部標(biāo)。

SPD產(chǎn)品通常是并行連接的，最好通過一個(gè)隔離開關(guān)。這種連接距離越短越好，不超過150毫米（6英尺），隨著距離的增加，電涌抑制效果會(huì)下降。

五、結(jié) 論

在主開關(guān)柜人口處配置的電涌保護(hù)器的作用不應(yīng)僅局限于預(yù)防雷擊，在現(xiàn)存的用電系統(tǒng)選配合適的電涌保護(hù)器，可大大降低設(shè)備受損的機(jī)會(huì)，并減少用電設(shè)備的對(duì)電能質(zhì)量的影響。美國創(chuàng)新科技公司（Innovative Technology，INC）研制生產(chǎn)的保護(hù)者（Protector）系列SPD產(chǎn)品，可提供適用于一般商用和工業(yè)用的各種環(huán)境下的瞬態(tài)電涌保護(hù)器，并已成功地為中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中石化、中石油、民航航管中心等多家客戶提供了系統(tǒng)電涌保護(hù)方案和設(shè)備。