防雷器在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李 明，宋 娟

（河南機電高等專科學校，新鄉(xiāng) 453002）

1 防雷器在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用原理與作用

雷電與雷電電磁脈沖會對電源系統(tǒng)產(chǎn)生極強的干擾，從而導致電源設(shè)備的損害，導致電源系統(tǒng)的癱瘓，因此必須切實做好電源系統(tǒng)的雷電防護工作。在雷電對電源系統(tǒng)的損害中，地線通道的電位反擊以及金屬管線通道的浪涌是造成電源系統(tǒng)破壞的主要原因，雷電的破壞性和危害主要是雷電電磁脈沖的耦合能量。因此泄放過大的雷電電磁脈沖和雷電的耦合能量和均衡電源系統(tǒng)所有金屬電線或者導電體的電位是雷電防護的中心內(nèi)容。因為雷電與雷電電磁沖脈的耦合能量具有層次性，因此，在泄放過程中也必須符合層次性的需求，按照防雷保護區(qū)的層次把電源系統(tǒng)中過大的能量泄放入地，以削弱雷電與雷電電磁脈沖的能量，防止電源設(shè)備的損害，減輕對電源系統(tǒng)的破壞程度。而均衡方面，主要技術(shù)是把等電位連接所用的金屬導線、防雷器和可靠的接地系統(tǒng)連結(jié)起來，組成一個有效的電位補償系統(tǒng)，這個補償系統(tǒng)能夠?qū)λ矐B(tài)現(xiàn)象做出及時迅速的反應(yīng)，快速的建立起一個等電位，以保護所處區(qū)域內(nèi)的所有導電部件和有源導線。防雷器在防雷系統(tǒng)中的應(yīng)用由三個部分組成：由引下線、接閃器和接地體組成的外部防護系統(tǒng)，防雷器主要功能是將雷電能量導入地形泄放；有合理的接、布線和屏蔽組成的過渡防護系統(tǒng)，防雷器的主要作用是阻塞和盡量減少地線通道和金屬通道等引入的感應(yīng)；由過電壓保護、均壓等位線連接組成的內(nèi)部防護，防雷器能夠有效限制過電壓的值度，均衡電壓系統(tǒng)中的電位。

2 電源系統(tǒng)中防雷器的選用

用于電源系統(tǒng)中的防雷器稱為電源防雷器，其主要功能是在瞬態(tài)現(xiàn)象時使電源系統(tǒng)兩端的帶電位保護一致或者把其兩端的電位限制在一定范圍之內(nèi)，轉(zhuǎn)移地線和金屬電線及所有有源導體上的多余能量，防止電壓設(shè)備損壞，降低雷電對電壓系統(tǒng)的破壞性。防雷器保護方案是電源系統(tǒng)中防雷波愛護最經(jīng)濟和最簡單的方案，要保證防雷器取得理想的防雷效果，應(yīng)該注重選擇合適的防雷器、選擇合適的防雷器裝置地點。

2.1 根據(jù)建筑物不同設(shè)施進入的雷電流分配情況選用合適的防雷器

由于建筑物各種設(shè)施的材質(zhì)構(gòu)造等不同，進入建筑物不同設(shè)施的雷電流也不相同，在建筑物中各種設(shè)施的電流分配情況，大約有百分之五十的雷電流通過外部的防雷器和其他防雷裝置泄放到地下，另外的百分之五十雷電流會在整個系統(tǒng)的金屬物質(zhì)中分配。這50%的雷電流分配在整個過程中大部分都在LPZ3OB區(qū)、LPZ3OA區(qū)、LPZ31區(qū)三個區(qū)的交界處進行轉(zhuǎn)移。通過估算在LPZ3OB區(qū)、LPZ3OA區(qū)、LPZ31區(qū)三個區(qū)交界處作為等待那我連接的防雷器的流通能力、估算等電位連接器和金屬導線的規(guī)格等。在這三個區(qū)的交界處雷電流是10/350μs電流波形，這樣就能夠切實根據(jù)這個數(shù)據(jù)來選擇合理的防雷器。雷電流在金屬物質(zhì)中的分配情況：金屬各部分的雷電流數(shù)值與幅值取決于各金屬分配通道的感抗與阻抗。所謂分配通道就是指各種可能被分配到雷電流的金屬物質(zhì)，如金屬導線、電力線、金屬信號線、金屬自來水管、金屬構(gòu)架等各種接地線和金屬導線，這些各種各樣的金屬管線和地線一般都只以自己的接地電阻值來估算雷電流的大小。在不能確定雷電流大小時，可以粗略的估算接地的電阻都相等，也就是說每種金屬管線和接地對雷電流進行平均分配。

2.2 根據(jù)電力線雷電流分配的情況，選擇保護類型

保護類型的選擇主要是指SPD的保護模式。僅選用L-PE、N-PE的共模保護模式是有缺陷的，會引起很多問題，其原由在于我們國家規(guī)定在N線上不能安裝空開，當電路出現(xiàn)L-N短路故障或零點產(chǎn)生較大漂移時使N-PE上SPD長時間有大電流通過，加速SPD的老化容易引發(fā)SPD燒毀。故對于低壓側(cè)除選擇共模的保護方式外，還應(yīng)選擇包括差模在內(nèi)的保護，3+1類型的保護模式則可以很好的解決這類問題，采用“3+1”電路，即用3個ZnO壓敏電阻模塊分別接在L1、2、3與N線間，用一個放電間隙模塊接在N/PE間，其優(yōu)點在于采用這種電路后，限壓型SPD模塊皆置于L/N間，一旦出現(xiàn)短路失效，由于回路電阻比原來L-PE的方式小了很多 (低壓供電系統(tǒng)L/N間短路電流一般為數(shù)千安培)，SPD前面的過流保護裝置將更容易動作，從而避免火災(zāi)，而且實現(xiàn)了差模保護。另外這種類型SPD有個關(guān)鍵在于其N-PE間的模塊（對N-PE模塊的要求下面單獨說明），它通常為一個間隙型放電元件，由于加在N/PE間，不存在動作分散性問題、滅弧問題、響應(yīng)速度問題，當L-N間SPD動作后促使N-PE間SPD動作從而實現(xiàn)雷電流L-PE對地釋放的共模保護。3+1結(jié)構(gòu)是一種全模式的保護方式，適用于各種接地方式的供電系統(tǒng)，故在開關(guān)電源的C類SPD的使用上應(yīng)采用“3+1”這種全保護類型模式。

2.3 后續(xù)防雷區(qū)選擇合適的電源防雷器

后續(xù)防雷區(qū)的雷電流分配情況主要采用后續(xù)評估模式，也就是對估LPZ 3 1區(qū)以后的防護區(qū)交界處的電流分配情況進行評估，從而為防雷器的選擇提供依據(jù)。由于用戶的側(cè)絕緣阻抗相對于外引線路的阻抗和防雷器的放電支路阻抗來說，遠遠大于這兩者，因此，切實進入后續(xù)防雷區(qū)的雷電流量也會相應(yīng)的減少，在具體的雷電流數(shù)值上不需求再進行特別估算。所以在后續(xù)防雷區(qū)的防雷器選擇上不需要采用流通能力大的防雷器，但是必須要保證用于后續(xù)防雷區(qū)的電源防雷器的流通能力在20kA（8/20μs）以下。此外，由于各級防雷區(qū)之間的電壓配合和能量分配不明確，并且其他很多相關(guān)的因素也難以確定時，電源防雷器的選擇上可以采用串聯(lián)式的電源防雷器。串聯(lián)式的電源防雷器相對于傳統(tǒng)的并聯(lián)式防雷器而言，比較符合現(xiàn)代的保護范圍廣、層次分區(qū)等特點，并且也能滿足現(xiàn)代防雷器多種場合應(yīng)用的需求。串聯(lián)式防雷器的主要優(yōu)勢與特色有：1）應(yīng)用廣泛，從常規(guī)的建筑物防雷到保護區(qū)難以區(qū)別的防雷場所都能應(yīng)用；2）串聯(lián)式防雷器本身的濾波器在一定程度上能夠抑制雷電感應(yīng)；3）感性退耦器件能夠有效的對瞬態(tài)過電壓進行延遲和分壓、因而能夠有效的實現(xiàn)能能量的配合；4）串聯(lián)式的防雷器能夠減少過電流上升速度，降低過電壓的上升速率，以實現(xiàn)低殘壓與長壽命以及極快的響應(yīng)時間。

3 電源系統(tǒng)中防雷器的安裝

在電源系統(tǒng)的防雷工作必須實現(xiàn)電源線多級防護，也就是根據(jù)每一個防雷區(qū)主機減弱的層次保證各級限制電壓之間的相互配合，從而保證過電壓值得到限制，穩(wěn)定在設(shè)備絕緣強度之內(nèi)。在電源防雷區(qū)的某一級防雷器失效或者是防雷器中的某一路失效的情況下，電線電纜在建筑物中的長度過長時、防雷器的殘壓與設(shè)備之間的絕緣強度不相配合時，必須切實做好電源系統(tǒng)中的多級防護。電源系統(tǒng)中的電纜防護至少必須是分兩級以上，為了達到切實的防雷效果，必須在各級防雷區(qū)設(shè)置相應(yīng)功能的防雷器，并且可以通過設(shè)置串聯(lián)式防雷器實施多級保護。防雷器的安裝可以針對某一單個電源設(shè)備，也可以裝置與多個電源設(shè)備的空間之內(nèi)，并且保證所有穿過空間屏蔽的防雷區(qū)的導線和防雷界面接設(shè)防雷器。

在電源系統(tǒng)的孩子防雷器的多級防護中，必須切實注意電源能量的分配，以防止引入更多的雷電能量進入防雷區(qū)域。在電源孩子防雷器設(shè)置中必須根據(jù)規(guī)定的書評估模式來選擇相應(yīng)的防雷器，切實減少防雷器流過的雷電流極，限制電壓。防雷器之間線纜的感抗是實現(xiàn)電壓配合和能量分配的焦點，因此必須切實保證兩級防雷器之間的線纜長度適宜，保證在15米左右為最佳。同時防雷器之間的分支線路電纜長度對防雷器效果也有實際的影響，當保護線纜與保護地線之間的距離大于1米時，線纜長度必須保證大于5米以上。此外，在不適宜采用線纜本身作退耦時，可以利用專門的退耦器件進行防雷設(shè)置，可以不需要考慮到電纜之間的距離與長度要求。退耦器件能夠有效的實現(xiàn)電壓配合和能量分配，作為退耦器件的材料主要有電纜、電阻和電感。濾波器作為退耦器件的防雷器組合形式能夠使用與各種防雷場所。

在防雷器的安裝上也必須切實防止在某些極端情況下進行，以杜絕因為防雷器可能帶來的設(shè)備損壞現(xiàn)象發(fā)生。在防雷器保護的幾條線其中一條線上的是失效或者反應(yīng)速度過慢時，要求安裝多級防護防雷器，同時必須注意加強對防雷器的維護。防雷器必須安裝電流層次原則進行安裝，充分考慮到防雷保護區(qū)的能力配合、電壓分配。要避免防雷器的接地線靠近、輸出線和輸入線、并排敷設(shè)情況的發(fā)生，對輸出線、輸入線和地線垂直敷設(shè)或者是分開敷設(shè)，并且盡量減少線路并行敷設(shè)的長度，以拉開敷設(shè)距離切實保障防雷器的效果。

4 結(jié)論

雷電和雷電電磁沖脈是一種破壞性極強、功率極大的強干擾源。雷電干擾源主要的組成部分是高頻成分和低頻成分，高頻成分具有極強的滲透性。雷電主要通過兩種形式對電源系統(tǒng)產(chǎn)生損傷和破壞：其一是通過閃電通道和泄流通道的雷電電磁脈沖以電感性、電容性、電阻性以及電磁場等耦合方式感應(yīng)到地線或者是其他金屬管線中，從而產(chǎn)生波浪導致電源設(shè)備的損害；其二是雷電和雷電脈沖直接通地線或者其他金屬管線傳導，從而導致電源設(shè)備或者其他相關(guān)設(shè)備的損害。對于電源系統(tǒng)來說，雷電的破壞性和危害主要是雷電電磁脈沖的耦合能量。在電源系統(tǒng)的防雷器選擇和安裝上，要趨利避害，根據(jù)電源系統(tǒng)與建筑物的實際情況選擇有效的防雷器，并且科學合理的安裝。

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