雷击电磁脉冲防护器件的正确选型

第２期　２０１４年６月　气象水文海洋仪器　

Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ，Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ＮＯ．２　

Ｊｕｎ．２Ｏ１４　

雷击电磁脉冲防护器件的正确选型　李　婷　，杜　娟。，汤维科。　（陕西省防雷中心，西安７１００１４）　摘　要：为了有效抑制雷击电磁脉冲，其防护器件（也叫电涌保护器）的正确选型至关重要，而　目前市场上的电涌保护器种类繁多，功能特点各有其针对性，技术参数分布广泛，给防雷工作　者的正确选型带来诸多困扰。为此，文章阐明了低压配电系统电涌保护器的选型原则及其主　要技术参数的选择要求，并以菲尼克斯防雷保护模块为例，运用所述的选型原则和技术参数要　求，给出了内部防雷保护为三级配置的建筑物电涌保护器的安装位置、安装级数、技术参数规　格及分类试验等级等，从而给防雷工作者在低压配电系统电涌保护器的正确选型时提供一定　的理论依据。　关键词：雷击电磁脉）中；电涌保护器；菲尼克斯；选型；技术参数　中图分类号：ＴＭ６２２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—００９Ｘ（２０１４）０２—０１２２—０４　

Ｃｏｒｒｅｃｔ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｕｌｓｅ　Ｌｉ　Ｔｉｎｇ　，Ｄｕ　Ｊｕａｎ。，Ｔａｎｇ　Ｗｅｉｋｅ。　（Ｓｈａｎｘｉ　Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｘ　’ａｎ　７　１　００　１　４）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｓｕｐｐｒｅｓｓ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｕｌｓｅ，ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅｓ（ａｌｓｏ　ｃａｌｌｅｄ　Ｓｕｒｇｅ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ）ａｒｅ　ｅｓｓｅｎｔｉａ１．Ｔｈｅ　ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｈａｓ　ｍａｎｙ　ｖａｒｉｅｔｉｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｒｋｅｔ　ａｎｄ　ｅａｃｈ　ｈａｓ　ｉｔｓ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｗｉｄｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．　Ｓｏ　ｉｔ　ｂｒｉｎｇｓ　ａ　ｌｏｔ　ｏｆ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｅｒｓ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅｙ　ｓｅｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ａｓ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　Ｐｈｏｅｎｉｘ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，　ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｌｏｃａｔｉｏｎ，ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｓｅｒｉｅｓ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｌｅｖｅｌｓ　ｏｆ　ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ　ｏｕｔ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｓｏｍｅ　ｕｓｅｆｕｌ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｗｏｒｋｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｐｕｌｓｅ；ｓｕｒｇｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ；Ｐｈｏｅｎｉｘ；ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ；ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　

０　引言　长期以来，面对雷电电磁脉冲对周围空间的　各类敏感电子设备构成的严重威胁Ⅲ，对低压配　电系统来说，安装电涌保护器（ＳＰＤ）是有效抑制　雷电电磁脉冲对设备及线路造成损坏的重要手段　之一，但由于目前市场上的电涌保护器种类繁多，　功能特点各有其针对性，而且技术参数范围广等，　对屯涌保护器的正确选型造成诸多困扰，因此加　强对电涌保护器正确选型的研究意义重大。为此　本文阐明了低压配电系统电涌保护器的选型原则　及其主要技术参数的选择要求。　

收稿日期：２０１３—０８—２２．　作者简介：李婷（１９８３一），女，大学，助理工程师．从事雷电防护技术工作．　第２期　李　婷，等：雷击电磁脉冲防护器件的正确选型　・１２３・　１　电源电涌保护器的选型原则　２　ＳＰＤ主要技术参数的选择　（１）根据电磁骚扰的传播特性可知，雷电电　磁脉冲在建筑物不同部位的危害程度是不一样　的，所以首先应将被保护的空间划分为不同的防　雷区，通过建筑物的隔墙、房间和设备，用现有的　金属立面、钢筋和金属外壳来建立不同的保护区，　而各保护区以边界处电磁条件有明显变化为特　征［２］，从而可以确定出电涌保护器的安装位置和　级数。根据电磁强度的计算结果，选择型号、技术　参数等匹配的电涌保护器，故最终可得出任何防　雷分区的交界处应装设ＳＰＤ，有几个交界处便需　要安装几级电涌保护器。通常的做法是将需要防　雷的空间从建筑物的外部到内部分为几个雷击电　涌电流和电磁场逐步减少的几个区域，逐次为　ＬＰＺ０Ａ区、ＬＰＺ。Ｂ区、ＬＰＺ１区、ＬＰＺ２区以及ＬＰＺ　区［３］。　（２）各电源ＳＰＤ的装设地点和类型、参数选　择要保证电涌保护器的级间配合。要求各级　ＳＰＤ的通流都不超过各自的通流容量；各级ＳＰＤ　的通流应逐次减少，特别希望ＳＰＤ。泄放绝大部分　雷电流；各级ＳＰＤ在承载所流过的电流时，还能　保证各自的电压保护水平与该级预期需保护的设　备耐受水平相配合。　（３）ＳＰＤ与被保护设备之间的距离不能太　长，若太长，雷电电涌在沿线路传播的过程中会产　生振荡现象，致使被保护设备端的过电压会大于　所安装电涌保护器的电压保护水平【，　，从而导致　电涌保护器的保护失效，根据文献２，一般情况下　ＳＰＤ的保护范围应在１０　ｍ以内。若最大线路长　度＞１０　ｒｎ或者Ｕ　＞Ｕ　／ｚ（Ｕ　为被保护设备的耐　受电压）时，最大保护距离可以用公式Ｌ加＝（Ｕｗ　—Ｕ　）／２５（ｍ）估算。若电涌保护器与其保护对　象之间的线路长度大于计算得出的最大保护距离　Ｌ　，则应增设电涌保护器。　（４）在设备的近旁设置电压保护水平ｕ　与　设备电源一侧的耐冲击电压额定值Ｕｗ相配合的　ＳＰＤ，这是ＳＰＤ布局的主要要求。Ｕ　应低于Ｕｗ　并留有余地，根据经验一般宜留有２０　的裕　量　引。这主要是考虑到ＳＰＤ并联支路引线的电　感电压降，所以ＳＰＤ的有效电压保护水平实际上　是：ＵＰ／，一ＵＰ＋２ｔＵ，且Ｕ　／ｒ＜Ｕｗ，△Ｕ为电涌保护　器两端引线的感应电压降，即ＡＵ＝ｚＳｕ　＋Ａｕ　ｚ—　Ｌ　ｄｉ／ｄｔ＋Ｌ２　ｄｉ／ｄｔ。　２．１　ＳＰＤ通流容量Ｊ　的选择　ＳＰＤ通流容量的描述参数对应为冲击电流　、标称电流Ｉ　、最大放电电流ｆ　…对于建筑　物防雷设计来说，一般是将雷击分为首次雷击和　后续雷击，并规定相应的波形参数［５　］。根据文　献６可知，在电源引入的总配电箱处应装设Ｉ级　分类试验的电涌保护器，其标志性参数为冲击电　流　，假设被保护的对象为第一类防雷建筑物，　根据公式Ｊ　一０．５Ｉ／ｎｍ可粗略估算出电源总配　电箱处所装设的电涌保护器的每一保护模式的冲　击电流值，ｌ＇ｌ为地下和架空引入的外来金属管道　和线路的总数，ｍ为每一线缆内导线的总数目，由　表１可知卜＝２００　ｋＡ。在ＴＮ—Ｓ系统中，电源线　是管线之一（配电线路，信号线路，金属管道），而　电源线中又有３根相线，故首次雷击ＳＰＤ每一保　护模式的冲击电流Ｉ拥　一０．５Ｉ／ｎｍ一０．５×２００／３　×３≈１１．１１　ｋＡ。如果考虑到电缆屏蔽，保守的　估计可使通过每一保护模式ＳＰＤ的雷电流减少　到原来的３Ｏ　，即Ｉ　ｐ　≈３０　Ｉ　≈０．３×ｌ１．１１　≈３．３３　ｋＡ。同理可粗略估算出第二类、第三类　建筑物电源总配电箱处安装浪涌保护器的通流容　量，具体如表１所示。　表１　ＳＰＤ通流容量　，的确定　ｋＡ　

电流参数　建筑物防雷类别　第一类第二类第三类　

另外当被保护的低压配电系统有单独的中性　线（Ｎ）时，如采用“３＋１”或“１＋１”接线形式安装　ＳＰＤ，在三相系统中，连接在Ｎ—ＰＥ之间的ＳＰＤ　的．『　值应为连接在Ｌ—Ｎ之间ＳＰＤ的　ｐ值的　４倍；在单相系统中，连接在Ｎ—ＰＥ之间的ＳＰＤ　的　值应为连接在Ｌ—Ｎ之间的　的２倍。　如　的值为１２．５　ｋＡ，则他们分别应不小于　５０　ｋＡ和２５　ｋＡ。同样ＳＰＤ标称放电电流Ｌ的值　也要求为对应的４倍或２倍　］。　・　１２４　・　气象水文海洋仪器　２．２最大持续运行电压【，　值的选择　ＳＰＤ最大持续运行电压Ｕ　的要求关系到　ＳＰＤ长期运行的可靠性，这是ＳＰＤ在雷电作用下　工作可靠性的前提［８］。它的确定应考虑电网的正　常波动、调节和谐波等，而目前，我国地面上低压　配电网大多数都采用中性点直接接地的三相四线　配电网。在这种配电网中，ＴＮ系统是应用最多　的配电及防护方式［９］，故本文只考虑低压ＴＮ系　统ＳＰＤ的Ｕ　值选取要求，如表２所示。　表２　ＴＮ系统中最大持续运行电压　的选取要求　注１：Ｕｏ指低压系统相线与中性线之间的电压，即为相电压。　注２：“３＋１”保护模式指３个模块（ＭＯＶ型）接于Ｌ—Ｎ之　间，１个模块（间隙型）接于Ｎ—ＰＥ之间。　我国三相四线制的电压通常为３８０／２２０　Ｖ，　即线电压为３８０　Ｖ，相电压为２２０　Ｖ。由表２可　知，在ＴＮ系统中，当ＳＰＤ的保护模式为共模模　式时，即：　安装于Ｌ—ＰＥ间时：Ｕｃ≥１．１５Ｕ０—２５３　Ｖ；　安装于Ｎ—ＰＥ间时：Ｕｃ≥２５３　Ｖ。　当ＳＰＤ的保护模式为“３＋１”保护模式时，　即：　安装于Ｌ—Ｎ间时：【，ｃ≥１．１５Ｕ。一２５３　Ｖ；　安装于Ｎ—ＰＥ问时，【，ｃ≥２５０　Ｖ。　２．３电压保护水平斜体的选择　电压保护水平ｕ　表征ＳＰＤ限制接线端子间　电压的性能参数，也是制造厂向使用者提供的表　示ＳＰＤ限制瞬态浪涌的能力［１ｏ３。由ＳＰＤ的选型　原则（４）可知，每一级ＳＰＤ的Ｕ　值应小于设备的　绝缘耐冲击电压额定值Ｕｗ，且宜留有２０　的裕　量，即ＵＰ＜Ｏ．８　Ｕｗ。３８０／２２０Ｖ三相配电系统中设　备的耐冲击电压额定值Ｕｗ可按表３的规定选用。　表３　３８０／２２０Ｖ三相电源系统设备绝缘耐冲击电压　额定值Ｕｗ　ｋＡ