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摘要：为了防御雷电对用电设备的危害和保障人身安全，在建筑物电源线路中安装了电涌保护器进行防护，以防止或减少雷击等问题。然而，设备安装了SPD仍然被雷电过电压损坏的情况时有发生。本文对SPD实效进行了分析，论述了雷电波的传输特性与SPD的安装注意点，使得其能够充分发挥应有的保护功能。
关键词：电源线路；分析；性能测试；注意点
引言
雷电灾害是最严重的自然灾害之一，全世界每年因雷电灾害造成的人员伤亡、财产损失不计其数。随着电子产品的广泛应用，雷电过电压和雷击电磁脉冲所造成的设备损坏越来越多。因此，在建筑物电源线路上安装电涌保护器（SPD）是十分必要的。SPD是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，当作用电压超过电源SPD的放电电压时，它能在极短的时间内导通分流，从而避免对回路中其他设备的损害。同时，电源电涌保护器的安装是否合理，直接影响到被保护设备的安全可靠性，正确安装电源电涌保护器是防护雷电过电压侵入措施中的一个重要环节。本文就建筑物电源线路电涌保护器（SPD）的安装进行了探讨。
1 SPD实效分析
SPD的正确安装，目的在于限制瞬态过电压和分走电涌电流，它一般都含有非线性元件，为使我们从多角度来衡量SPD的保护性能，下面从几个方面进行阐述：
1.1 电源线路SPD能量配合实效分析
目前常使用的电源SPD内部器件由保护间隙、排气式、阀型和氧化锌等组成。由于各种避雷器在制造工艺与材料方面的不同，伏安特性也不相同。选择避雷器的能量配合还必须结合雷电波的陡度，对SPD放电电流的分类试验中，就有几种不同的形式，在国内产品中，避雷器的最大通流量一般用波形（1.2/50μs、8/20μs）的标称放电电流试验，由于避雷器造价和工艺方面的要求，才普遍选用8/20μs型的避雷器进行安装，结合IEC（国际电工委员会）的相关标准，国外在对第一级SPD的设计上，一般优先采用10/350μs试验波形，特别是架空电源的进线入户处（在防雷分区LPZ0A－LPZOB）选型上。
当SPD1和SPD2为限压型SPD时，SPD间的能量配合特性，如图1所示：
若要实现图1中前后两级SPD的能量配合，必须符合以下3个条件。（1）前级SPD1的泄流能力应比后级SPD2的大得多，即通流量大得多（比如SPD1应泄去80%以上的雷电流）；（2）去耦元件可采用集中元件，可也以利用两级SPD之间连接导线的分布电感（该分布电感的值应足够大）；（3）最后一级SPD的限压应小于被保护设备的耐受电压。
两个限压型SPD的伏安特性是连续的，当两个限压型SPD标称导通电压（Un）相同且能量配合正确时，有线路本身电感或串联去耦元件LDE的阻流作用，输入的雷电浪涌上升达到SPD1启动电压并使之导通时，SPD2不能同时导通。只有当雷电浪涌电压继续上升，流过SPD1的电流增大，使SPD1的残压上升，SPD1两端电压随之上升达到SPD2的启动电压时，SPD2才导通。只有通过各SPD的浪涌能量都不超过各自的耐受能力，就实现了前后SPD之间的能量配合，反之，当SPD2导通时，并且超过其能承受的雷电流泄放能力，SPD1还没有开始启动，那么SPD2就会损坏，从而造成安装保护失效。
当SPD1为开关型，SPD2为限压型SPD时，SPD间的能量配合特性，如图2所示：
开关型SPD1和限压型SPD2配合时，SPD1的伏安特性不连续（例如火花间隙（SG）、气体放电管（GDT），半导体闸流管、可控硅整流器、三端双向可控硅开关元件等），后续SPD2的伏安特性连续。图2说明了这两种SPD能量配合的基本原则。当浪涌输入时，由于SPD1（SG）的触发电压较高，SPD2将首先达到启动电压而导通。随着雷电浪涌电压继续升高，流过SPD2的电流增大，使SPD2的两端电压U2（残压）上升，当SPD1的两端电压U1（等于SPD2两端的残压U2与去耦元件两端动态压降UDE之和）超过SG的动态火花放电电压Uspark，U1=U2+UDE≥Uspark时，SG就会点火导通。只有通过SPD2的雷电浪涌电流能量未超出其耐受能力之前SG触发导通，就实现了能量配合。否则，没有实现能量配合，就导致SPD保护失效。
1.2 信号线路SPD能量配合失效分析，如图3所示：
（1）G为三极放电管，起到泄放暂态大电流的作用，G既能抑制共模过电压，又能抑制差模过电压。如果只能抑制其中的一种电压，那SPD存在保护失效可能。
（2）D1～D6实施第二级箝位限压，D1～D4抑制共模过电压，D5、D6抑制差模过电压。D5、D6是必要的，因为当两条信号线上出现极性相反的暂态过电压时，加于被保护信号电路入口处的最大差模电压可达到2Uz（Uz为管子的击穿电压）。一般来说D1～D6应具有相同的参数。这样通过二级箝位限压的作用，使得雷电流通过保护端口的电压进一步的限制，如果没有以上的D1～D6限制作用，雷电产生的过高电压容易造成保护端口设备的损坏，保护失效。
（3）上下两条支路上的R、L应具有相同的参数，以保持电路结构的对称和平衡。三极放电管的直流放电电压一般比较高，所以为使G尽快动作，电感L是必要的，L能在暂态过电压波到来时，产生一个反射波与来波叠加，叠加后的总电压施加于G的极间，使其尽快动作。通过R和L的作用，使得暂停电压升高，使得G触发工作，否则G不动作，保护失效。
1.3 SPD启动电压失效分析
在建筑物防雷设计规范附录J中规定选择220V/380VSPD时，对其最大持续运行电压UC的值做了规定。在建筑物电子信息系统防雷技术规范第5.4.3条对如何提高UC的值也做了规定，启动电压通俗的讲就是当SPD两端加上多少伏的电压时，能使器件工作，从而达到泄流的目的。笔者在工作中发现在防雷工程改造方案中，经常忽略启动电压值的考虑，其中特别是对用电设备瞬间启动电压的最高幅值要做重点考虑。以下从两个方面分析：若SPD的启动电压小于设备瞬间启动电压（SPD的伏秒特性通常情况下都是比设备要高很多），这样导致设备所需的启动电压大于SPD的启动电压，触发SPD工作，造成线路短路，从而使设备无法正常工作；若设备的启动电压小于SPD的启动电压，虽然设备正常启动。可是也要结合具体设备正常运行产生的过电压作重点考虑，比如说轧钢用电设备，在生产过程中，车间大型用电设备经常会遇到重负荷的工作，使工作电压瞬间峰值突然升高，这时过电压是在正常运行状态下产生的，若这时候峰值电压大于SPD的启动电压，促使SPD工作，导致设备突然断电不能正常工作。
1.4 SPD漏流失效分析
SPD的漏流通常指线路上的器件处于非工作状态时，由于配电线路两端电压作用器件上，应器件绝缘程度不同，导致有非常小的电流通过。漏流的产生引起器件的温度变化，这就是通常所说的无雷自爆现象。根据多年的检测数据，发现有些SPD的漏流的年变化率非常大，从而判定其内部元件损耗的厉害程度，在同一端处安装的SPD，有的模块漏流年变化率往往高于其他模块，这样就有可能导致该模块较早损坏，如果该模块没有及时更换，雷电流通过时，该模块有可能被击穿或爆炸，导致雷电流通过后无法恢复绝缘断电状态，从而使该项电路处于短路状态，使用电设备无法正常工作，还可能使器件彻底损坏，失去其防护作用。
2 雷电传输特性与SPD的安装注意点
雷电放电过程中，这种过电压沿着导线或金属导体从远处雷区传来，并侵入建筑物内部或设备内部，闪电脉冲放电时峰值电流大，电场强度强，电流陡度大，而且闪电放电电源扰动所形成的频谱很宽，从100Hz－100MHz，其能量主要集中在（3－30KHz）波段。所以高频线路感应过电压和脉冲电流是分析雷电流特性的重要指标。
雷电流在导体上传输时，由于受到其高频变化的缘故，导体中磁场变化产生了与雷电流流动方向相反的电场（电压），这就影响了在导体中心处流动的电流。使相当一部分雷电流沿着导线的表面继续传输下去，这就是著名的“趋肤效应”。所以它的传输性质与家用（50Hz）的低频交流电有很大的区别。当电源SPD与配电传输线并联时，雷电流经过时，SPD启动并泄放大部分雷电流，可是由于趋肤效应，虽然导线中心处的雷电流通过SPD泄放到地，传输导线表面上很大一部分的雷电流经过SPD后仍旧沿原电源线路继续传输下去，对于低频交流电来说，SPD的工作“短路”状态在并联电路中电流旁路的泄流能力非常强，由于雷电流的高频特性，SPD“短路”效应大大减低，从而使雷电流仍以波的方式继续传输到下一级SPD或用电设备处，由于现在微电子元件设备被大大采用，高频信号对这些元件的干扰最为敏感，感应过电压经常导致电子元件击穿而损坏。（在用电设备雷电灾害现场勘察中，经常发现同一个雷击事故现场，电灯、风扇等电机线路没有损坏，而电视、电脑等由电子元件构成的设备经常损坏。）所以在防雷规范中对建筑物电子信息系统中传输线路的敷设方式做了相关规定，即由架空线路直接进入建筑物时，对入户线路作应采取埋地或套金属钢管等屏蔽措施，使趋肤效应产生的导体表面电流通过金属屏蔽层进行泄放，这样能大大消除高频部分的雷电流，并同时安装SPD对线中雷电流作进一步泄放，保护效果更佳。
安装电源SPD时，还需要对电路的供电模式作进一步的了解，根据配电线路供电情况来选择不同的安装方式，配电系统一般分为TN－S、TN－C－S、TT、IT等，进一步选择3+0、3+1、4+0、2+1、2+0等不同保护方式，切忌盲目选择。在低压配电系统进线火线未经过电源熔丝、断路器或剩余保护器直接安装SPD，这种安装，不但不利于SPD的检查，如果SPD故障后，不能恢复绝缘状态，导致某项用电线路直接对地短路，当大电流通过用电线路时，容易引起线路烧坏或造成火灾事故。在SPD前端安装电源浪涌保护器后备保护装置时，后备保护装置应具有能耐受安装电路SPD的雷电冲击电流不断开、能够分断SPD安装电路的最大预期短路电流、在电源SPD出现一定数值漏电流时能够瞬时断开的特性。在安装中，如果SPD的接地引线过长，引线电阻过大，这样导致SPD在泄放雷电流的过程中产生过大的电压幅值，从而减小了SPD两级的电压差，导致通流量减小及减弱泄放速度。同时多级SPD的接地装置最好处于共网状态中，这样避免前级地线产生的过电压对后级用电设备的反击。
3 SPD性能测试实验室建立
以上从不同角度对SPD性能做综合分析，为工作人员选型时提供技术参考。对SPD各项指标数据的公布还要经过管理部门的确定。由于雷电的复杂性，对SPD的产品性能的判定，都离不开重点实验室的建立与测试。在雷电实验中，提供模拟雷电流设备，是建立大型实验室非常重要的一个环节，设计出来的各种SPD，需经过模拟雷电流的检验，并对SPD元器件保护不足的地方作理论分析，同时建立SPD浪涌保护补偿机制，结合屏蔽、接地、综合布线、等电位等其他防护措施来提高其保护效果。这对SPD的规范化管理及其相关标准的制定提供理论依据和技术支持。
4 结束语
综上所述，电涌保护器（SPD）是当前建筑物中综合防雷体系的重要组成部分，有着不可替代的作用。在建筑物电源线路安装SPD进行防护的同时，在能量选型方面，一级与二级要合理配合，响应时间应根据各级SPD的具体参数合理配置，启动电压的幅值应根据安装场所的设备工作电压进行具体确定，防止过高、过低情况导致保护出现盲区，对安装好的SPD要制定年检制度，对漏流值超过器件规定最大幅值，或漏流年变化率比较大的模块要进行更换等等。通过认真分析其基本参数与各项注意要点，同时与其它防雷措施结合在一起进行综合防护，才能发挥其最大作用，避免或减少了雷电灾害造成的损失。
参考文献
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[2] 于剑标，祖文英.建筑物中浪涌保护器（SPD）的选用及安装[J].魅力中国.2014
[3] 黄锡滔.建筑电气中SPD的选型和安装[J].建材发展导向：上.2016
论文作者:高晓明
论文发表刊物:《基层建设》2016年30期
论文发表时间:2017/2/22
标签：雷电论文; 电压论文; 过电压论文; 设备论文; 电流论文; 浪涌论文; 线路论文; 《基层建设》2016年30期论文;