电涌保护器的选择过程及安装方式

来源：电气商情网作者：佚名发布日期：2008-3-21 16:29:01

摘要文章简述了为防护雷击电磁脉冲（电涌）对信息系统造成干扰破坏，在设计中如何选择保护器'>电涌保护器（ｓｐｄ），及在选择使用保护器'>电涌保护器时涉及的几个主要步骤。

　　关键词雷击电磁脉冲电涌保护器'>电涌保护器（ｓｐｄ）选择过程安装全球每年因雷电灾害造成的人员伤害、财产损失不计其数，引起火灾、爆炸、信息系统瘫痪的事故频繁发生。因此对雷电的危害必须有充分认识，对雷电的危害种类加以区分，才能有效地防止灾害的发生。雷电的破坏除了直接雷的破坏外，还有感应雷的破坏、雷电波侵入引起的破坏等。
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对于防护直接雷的破坏我们已有比较成熟的方法。随着社会经济和科学技术的发展，电子设备及微电子设备得到广泛的应用，我们在注意预防直接雷引起破坏的同时，还必须注意预防感应雷及雷电波侵入产生电

涌引起的破坏。
电涌是微秒量级的异常大电流脉冲，它可使电子设备受到瞬态过电流电压的破坏。每年半导体器件的集成化都在提高，元件的间距在减小，半导体的厚度在变薄，这使得电子设备受瞬态过电流电压破坏的可能性越来越大。如果一个电涌导致的瞬态过电压超过一个电子设备的承受能力，那么这个设备或者被完全破坏，或者寿命大大缩短。
雷电是导致电涌最大的原因。
保护器'>电涌保护器的防雷电是把因雷电感应而窜入电力线、信号传输线的高电压限制在一定的范围内，保证用电设备不被击穿。加装保护器'>电涌保护器可把电器设备两端实际承受的电压限制在允许范围内，以起到保护设备的作用。
下面仅介绍保护器'>电涌保护器的选择及其应用，并结合一个在设计中的工程例子加以说明。实例工程为某综合楼，大楼地下２层，地上３６层，共３８层，长３８ｍ，宽２５ｍ，高１３０ｍ。大楼顶部已装设一套外部避雷设施，且按国家标准《建筑防雷设计规范》ｇｂ５００５７－９４（２０００年版）第六章“防雷击电磁脉冲”中的要求在建筑物内除作了防雷击电磁脉冲的保护措施，即屏蔽、接地、等电位联结等，还在低压电源交流系统中安装了保护器'>电涌保护器，这样形成一个防雷击电磁脉冲的综合保护措施。选择保护器'>电涌保护器应从以下几点加以考虑：
１电涌保护方案等级的确定
交流低压电源系统的保护器'>电涌保护器的选择与配置首先应考虑其所处建筑物雷电环境、防雷状况和信息系统的重要性，进行雷击危险度分析，然后确定电涌保护等级。
根据影响防雷状况和信息系统的重要性的各种因子（ｃ１～ｃ５）的取值（见表１），按公式（１）决定信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数ｎｃ
ｎｃ＝５．８×１０－３（ｃ１＋ｃ２＋ｃ３＋ｃ４＋ｃ５）次年　　（１）　
根据表１得出几种典型的建筑物的ｎｃ计算值（按公式（１）及下列取值计算）：
１．１普通民用二层住宅或小别墅类
ｃ１＋ｃ２＋ｃ３＋ｃ４＋ｃ５＝１．５＋０．５＋０．５＋０．５＋０．５＝３．５
ｎｃ＝０．００１６６
１．２商品住宅楼和普通办公楼类
ｃ１＋ｃ２＋ｃ３＋ｃ４＋ｃ５＝１．０＋１．０＋０．５＋１．０＋１．０＝４．５
ｎｃ＝０．００１２９
１．３智能化住宅或高档写字楼类
ｃ１＋ｃ２＋ｃ３＋ｃ４＋ｃ５＝１．０＋２．０＋１．０＋１．０＋１．５＝６．５
ｎｃ＝０．０００８９
１．４高层建筑
取两种情况分析：
（１）ｃ１＋ｃ２＋ｃ３＋ｃ４＋ｃ５＝１．０＋２．０＋１．０＋１．０＋１．５＝６．５
ｎｃ＝０．０００８９
（２）ｃ１＋ｃ２＋ｃ３＋ｃ４＋ｃ５＝１．０＋３．０＋３．０＋１．０＋１．５＝９．５
ｎｃ＝０．０００６１
１．５本次工程为高层建筑物取ｎｃ＝０．０００６１
根据地区雷电日ｔｄ按公式（２）决定地区雷击频度ｎｇ
ｎｇ＝０．０２４ｔｄ１．３＝０．０２４×３５．１１．３次ｋｍ２年（２）　　
＝２．４５次ｋｍ２年
式中雷电日按南京地区ｔｄ＝３５．１
根据地区雷击频度ｎｇ和建筑物等效接闪面积ａｅ按公式（３）决定建筑物年平均接闪次数ｎ：
ｎ＝ｋａｅｎｇ次年（３）　　
其中ｋ为地形校正系数：一般情况取１；旷野孤立的建筑取２；金属屋面的砖木结构建筑物取１．７；河边、湖边、山坡下，山地中土壤电阻率较底处，底下水露头处，土山顶部，山谷风口，特别潮湿的建筑物取１．５。
ａｅ为建筑物等效接闪面积ｋｍ２；
当建筑物高度ｈ＞１００ｍ时
ａｅ＝［ｌｗ＋２（ｌ＋ｗ）ｈ＋πｈ２］×１０－６（４）　　
当建筑物高度ｈ＜１００ｍ时
ａｅ＝［ｌｗ＋２（ｌ＋ｗ）ｄ＋πｄ２］×１０－６（５）　　
其中ｌ、ｗ、ｈ为建筑物的长、宽、高，ｄ为建筑物的扩大宽度。（以ｍ计）
ｄ＝
本次设计的工程高为１３０ｍ，建筑物等效接闪面积按公式（４）计算，即
ａｅ＝［ｌｗ＋２（ｌ＋ｗ）ｈ＋πｈ２］×１０－６
＝［３８×２５＋２（３８＋２５）×１３０＋３．１４×１３０２］×１０－６
＝０．０７０ｋｍ２
建筑物年平均接闪次数ｎ按公式（３）计算，即
ｎ＝ｋａｅｎｇ次年（地形校正系数ｋ取１）
＝１×０．０７０×２．４５
＝０．１７次年
根据信息系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数ｎｃ和建筑物平均接闪次数之比（ｎｃｎ），也就是要求用防雷设施将雷击频度减少的倍数按表２决定需增加的防雷设施的等级（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）。
ｎｃｎ＝０．０００６１０．１７＝０．００３６＜１５０
根据表２规定本工程按ａ级要求设计防雷击电磁脉冲的设施。
根据防雷设施的等级确定低压交流电源系统电涌保护方案（见表３）
确定低压交流电源系统ａ级防雷电涌过电压保护方案（见图１）
２电涌电保护器的选择和配置
２．１保护器'>电涌保护器类型选择要点
（１）变压器低压侧的保护器'>电涌保护器选择金属氧化物保护器'>电涌保护器；
（２）对第一级可选限压型、开关型或复合型保护器'>电涌保护器，但首选的应是以金属氧化物非线形电阻为核心元件的限压型保护器'>电涌保护器；
（３）其余各级均应以金属氧化物非线形电阻为核心元件的限压型保护器'>电涌保护器；
（４）对于“３＋１”接入方式（保护器'>电涌保护器接于ｌ１－ｎ、ｌ２－ｎ、ｌ３－ｎ和ｎ－ｇ之间）中的中性线对保护地的保护器'>电涌保护器应选择以气体放电间隙为核心元件的开关型保护器'>电涌保护器。
２．２　保护器'>电涌保护器级位配置
（１）为建筑物供电的变压器低压侧应配置低压保护器'>电涌保护器。
如变压器和总配电柜距离小于２０ｍ，此保护器'>电涌保护器可以和建筑物内部第一级保护器'>电涌保护器合并。
（２）低压侧保护器'>电涌保护器应按表３的要求作分散的多级的配置。
配置原则：首先应在任意两个防雷区的交接处设置，然后再考虑同一防雷区中电源线路是否过长以至需在该区中再加一级。
（３）在重要的设备电源端口设置保护器'>电涌保护器。
２．３　保护器'>电涌保护器安装场所（见表４）
３　保护器'>电涌保护器接入模式
在ｔｎ制式中，一般情况下保护器'>电涌保护器只需作共模接法，即接于相线中性线与保护地线之间（见图２）。
但在ｔｎ－ｓ制式的起始位置，中性线与保护地线之间无须接入保护器'>电涌保护器。只有对ａ级防雷等级中的第三、四级和ｂ级防雷等级中的第三级上的特别重要设备的电源端口，才需做差模接入，即增加接于相线与中性线之间的保护器'>电涌保护器，即全保护（见图３）。
在ｔｔ制式中，当第一级保护器'>电涌保护器位于漏电保护器之后，可作上述共模接法（见图４）。当第一级保护器'>电涌保护器位于漏电保护器之前，且高压系统为中心点接地系统，保护器'>电涌保护器应作“３＋１”接法，即三个相线对中性线各接一个保护器'>电涌保护器，中性线对保护地线再接一个保护器'>电涌保护器（见图５）。
在ｉｔ制式中，保护器'>电涌保护器只作共模接法（见图６）。
单相保护器'>电涌保护器接法见图。分三种方式（分别见图７ａ、ｂ、ｃ）。
本次工程为ｔｎ－ｃ－ｓ制式，参见图１、图２及图３。
４　保护器'>电涌保护器最大放电电流选择
根据国家标准《建筑防雷设计规范》ｇｂ５００５７－９４（２０００年版）附录六中一、二、三类防雷建筑物的首次雷电流幅值和二次雷电幅值和波头时间，并按该国家标准第６·３·４条的内容及图６·３·４－１（见图８）所述的全部雷电流ｉ按５０％流入建筑物防雷装置的接地装置计，另外按１３分配于引入建筑物的电力电缆，电缆按３芯计算，则流入每芯电缆的雷电流为：
ｉｉ＝１２×１３×１３×ｉ（ｋａ）（ｉ为雷电流幅值ｋａ）
（６）　
式中ｉ雷电流幅值第一级按承受９０％左右的雷击能量考虑，第二级按承受１０％左右的雷击能量考虑，第三级按承受５％左右的雷击能量考虑，第四级雷击能量更小，但不应低于５ｋａ。
按有关规范要求：对第一级保护器'>电涌保护器，最大（冲击）放电电流必须按１０３５０μｓ波形的通流要求选择。对其后几级保护器'>电涌保护器，最大放电电流可以按８２０μｓ波形的通流要求选择，但必须进行折算，即保护器'>电涌保护器由１０３５０μｓ波形的通流要求推算要求的８２０μｓ波形的通流能力按保守的估计为１０倍。本次工程按１０倍计算。所以保护器'>电涌保护器最大放电电流为：
ｉｎ＝１０ｉｉ（ｋａ）（７）　　
按以上公式计算，计算结果（计算过程略）可按表５选择保护器'>电涌保护器的规格。
为保证系统遭受过电压时，前级保护优先后级保护起作用，应使前后级的安装距离大于１０～１５ｍ，否则在其间串联协调电感。
５　保护器'>电涌保护器上端短路保护器件选择及其连接线的选择
５．１　保护器'>电涌保护器上端短路保护器件选择
各级电涌保护应接在相应的断路器熔断器的负载端。
一般可以根据不同的产品要求选择不同的保护方式及保护器件的型号规格。
下面为某公司保护器'>电涌保护器上端保护器件选择表（见表６）。
当线路负载大于１００ａ或连续供电负载时，应在避雷器上端安装短路保护器件。
当保护器'>电涌保护器制造商没有上端熔断器的具体配置建议时，则按表７选择。
５．２保护器'>电涌保护器的连接线的选择
保护器'>电涌保护器的连接线的截面积一般第一级应大于１０ｍｍ２（多股铜线），第二级应大于６ｍｍ２（多股铜线）。当保护器'>电涌保护器制造商有规定时可按其规定选择。下面为某公司保护器'>电涌保护器连接线选择表，见表８所示。
６保护器'>电涌保护器选择的其它技术要求
（１）最大持续工作电压：对于ｔｎ制式不低于１．１５ｕｏ，对于ｔｔ制式不低于１．５５ｕｏ，对于ｉｔ制式不低于２．０ｕｏ（ｕｏ为额定相电压）；
（２）最大放电电流：按计算选择；
（３）保护水平（残压）：应小于设备耐受电压。按建筑物防雷设计规范ｇｂ５００５７－９４（２０００年版）表６．４．４选择；
（４）保护器'>电涌保护器响应时间：对第一级要求不大于１００ｎｓ，对第二级（中间级）要求不大于５０ｎｓ，对第三级（末级）要求不大于２５ｎｓ。
通过以上的几个步骤，能很好地满足在设计中选择保护器'>电涌保护器以及保护器'>电涌保护器的保护和接线等，在实际工程中方便使用。
总之，供电系统防止电涌采取下列防护措施即：在大楼低压配电室电源输入总开关后并联安装一组高能量保护器'>电涌保护器，作为一级保护；在楼层配电箱的断路器后并联安装一组能量稍低的保护器'>电涌保护器，作为二级保护；在电源终端配电箱的空气开关后并联安装一组能量较低的、动作电压也较低的保护器'>电涌保护器，作为三级保护；对于重要的设备，如服务器（主机）、程控交换机等可在设备的供电部分加装第四级保护器'>电涌保护器，作为精细保护。通过以上四级保护，就能很好地把过电压钳制到设备可以承受的范围。最大限度的减少雷电灾害。＆
参考文献
１建筑物防雷设计规范ｇｂ５００５７－９４（２０００年版）
２建筑物交流低压电源系统保护器'>电涌保护器的选用规程