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1、第三章 雷电感应过电压防护在第一章中已经指出，对雷电感应过电压的防护，是现代防雷技术要解决的一项重要任务。随着科学技术的发展，人们工作、生活对信息的依赖程度更加密切，信息系统遭受雷害的事故也日益频繁，因此，对雷电感应过电压的防护也就越觉迫切、重要。信息系统对雷电感应的防护，与建筑物对直击雷的防护是完全不同的，有许多新的特点和要求。雷电击中户外输电线引起的雷电波侵入和雷电击中避雷针引起的高电位反击，也会对室内电子信息系统带来危害，也需要防护。由于其防护措施与雷电感应过电压防护基本相同，故与本章结合一并讨论。本章中我们将首先讨论雷电感应防护的特点和基本措施；然后分别介绍各种类型电涌保护器的结构、性
2、能和应用；介绍低压配电系统和计算机信息网络的防雷设计；最后对现代化建筑信息系统的电涌保护问题举例进行分析。通过本章学习，要求掌握基本电涌保护器的性能和选用方法，掌握低压配电系统和常见信息系统电涌保护器配置的要求与方法。第一节 雷电感应过电压防护的特点与基本措施一、雷电感应过电压防护的特点信息系统雷电感应过电压防护，较建筑物直击雷防护具有一些新的特点，主要体现在以下几方面：1对保护器的保护水平要求苛刻由众多微电子设备组成的信息系统，对过电压的耐受能力较一般工业设备要弱得多。例如计算机通信接口常用的芯片Mcl488、MCl489，对其进行电压冲击试验后，测得平均冲击击穿电压为100V左右。因此为了
3、安全可靠，计算机网络数据线电涌保护器的保护水平，一般都要求能将雷电感应过电压限制在50V以下。2对保护器的响应时间要求苛刻由于微电子器件在过电压下击穿的速度较一般工业设备要快得多，常规避雷器件的响应时间是不够的，必须选用新型快速响应器件。根据实际保护要求和目前器件技术水平的可能，低压电源系统SPD的响应时间一般在10-2100s；信息网络线路SPD的响应时间一般在纳秒级。3雷电感应过电压的分布范围广、侵入途径多与第二章已讨论过的直击雷比较，雷电感应过电压发生时波及的范围要广得多。一次直击雷的放电电磁脉冲，可以使一个区域内众多的电话线、电视线、网络数据线、检测控制线、供电电源线等同时产生雷电感应
4、过电压。此外，当雷电击中与信息系统连接的户外架空线或地下电缆时，雷电波就会沿架空线或地下电缆直接传人室内，使设备遭受破坏，这种雷击方式称为雷电波侵入。当雷电击中避雷针引起高电位反击，也会使室内龟子设备遭受破坏。为了防避雷电感应、雷电波侵入和高电位反击，必须在线路与设备连接处安装SPD。由于传输信号特征的不同，传输介质的不同，以及各种设备接口的不同，使得SPD品种繁多，给制造、安装和维护都带来了一定的难度。二、雷电感应过电压防护的基本措施建筑物外部装设接闪器，不仅对防避直击雷是必要的，对防避感应雷也是需要的。因为当天空存在带有大量电荷的雷云时，如果没有避雷针将其对地泄放掉，将可能对建筑物或建筑物
5、附近的树木等进行放电，形成直接雷击。当其雷击电磁脉冲比较强大时，室内信息系统即使安装了SPD，也难免不遭到破坏。因此对一、二、三类建筑，特别是高层建筑，一般都需要安装避雷针。有些建筑顶部不装避雷针，而是装避雷带或避雷网，其保护功能也是类同的。值得注意的是：当接闪器通过引下线向大地泄放电流时，如果对雷电流幅度不加以限制，由此所产生的雷击电磁脉冲和高电位反击足以使引下线附近的微电子设备被击坏。为减小避雷针等接闪器雷电流带来的感应过电压和高电位反击，可以采取一些有效措施分散引下线中的雷电流。例如利用建筑物混凝土立柱中的钢筋作为引下线，就是一种较好的技术措施，而且引下线的数量越多效果越明显。从防护功能
6、上来分，雷电感应过电压防护除了充分利用直击雷防护的措施外，主要有以下基本措施。1建筑物内部线路上装设电涌保护器在建筑物内部，对容易被雷电感应而产生过电压的电源线和信号线，安装SPD来限制电压幅度，这是一种最有效、最经济、最普遍使用的保护措施，本章后面将按保护对象分类进行详细讨论。2电磁屏蔽措施对于一些特别重要的计算机房、通信机房、炸药库等，一旦受到雷击电磁脉冲的侵袭，就可能带来重大的经济损失和工作障碍，为此必须在室内或室外用屏蔽网将房间屏蔽起来。对于一些不十分需要重点保护的微电子设备，也可以用屏蔽箱或法拉第笼来阻挡电磁脉冲的干扰。在设计屏蔽箱时，可根据所要屏蔽的LEMP频谱来选择其壁厚、导电率
7、、导磁率和几阿尺寸。安装时，屏蔽体外壳必须可靠接地，进入室内的各种电源线、信号线都必须采用有效的电磁脉冲隔离和高频电磁波滤波装置过滤。显然，采用屏蔽措施，可以将雷击电磁脉冲限制到最理想的环境，但是由此付出的代价也是昂贵的。3接地与等电位连接措施接地与等电位连接是信息网络系统防雷电感应和高电位反击必不可少的辅助性措施。基于泄流、限幅和屏蔽原理的现代防雷保护装置，无一不需要可靠接地。只有通过接地，才能使闪电主要能量泄人大地。接地线的长度、直径和接地电阻的大小，对防护效果都有很大影响。但是接地不能代替SPD防雷装置，有人认为只要将电气设备接地了，就不会遭雷击了，这是错误的。等电位连接是将正常不带电的
8、、未接地或未良好接地的金属外壳、电缆的金属外皮、建筑物的金属构架、管线桥架和各种管道等与接地系统作电气连接，防止在这些物件上由于雷电感应造成对设备内部绝缘的损坏；同时可以防止雷击电流入地所产生的高电压反击。接地与等电位连接问题，在第四章中将作详细介绍。第二节 电源线路电涌保护器一、电源线路电涌保护器的分类电源线路电涌保护器一般情况下与被保护设备相并联，其接人线路的方式称作保护模式，可以连接在相对地、相对相、相对中线、中线对地及其组合。电源线路电涌保护器按其端口的数量可分为一端口电涌保护器(onePort SPD)和二端口电涌保护器(TwoPort SPD)。一端口电涌保护器能分开输入和输出端，
9、在这些端子之间没有特殊的串联阻抗；二端口电涌保护器是指有两组输入和输出接线端子的SPD，在这些端子间有特殊的串联阻抗。电源线路电涌保护器按其工作原理可分为电压开关型电涌保护器(Voltage SwitchingType SPD)、电压限制型电涌保护器(Voltage Limiting Type SPD)和复合型电涌保护器(COmbination SPD)。电压开关型电涌保护器是指在没有电涌过电压时具有高阻抗，有浪涌电压时能立即转变成低阻抗的SPD。电压开关型电涌保护器常用的元件有放电间隙、气体放电管和晶闸管等开关元件。这类电涌保护器有时也称作“短路型SPD”。电压限制型电涌保护器是指在没有电涌
10、电压时具有高阻抗，但是随着浪涌电流和电压的上升，其阻抗将持续地减小的电涌保护器。常用的非线性元件是：压敏电阻和瞬态电压抑制二极管。这类SPD有时也称作“箝位型电涌保护器”。复合型电涌保护器是由电压开关型元件和电压限制型元件组成，其放电特性表现有电压开关型和电压限制型两者的特点。二、电源线路电涌保护器的一般原理1开关型电涌保护器的工作原理开关型电涌保护器在结构上以气体间隙为基本元件，能够满足对电涌保护器的基本动作要求。在没有雷电电涌的正常工作条件下，并联于电源线上的间隙完全处于开路状态，根本不影响电源的正常工作；电涌到来且其幅值达到间隙击穿电压时，间隙迅速击穿，转化为接近短路状态，将雷电能量泄放
11、。其优点是通流容量大，可达到雷电长波(10350us)65100kA。其缺点是：伏一秒特性分散性大，不便于与保护对象配合，多数高容量的间隙动作时要通过预留的空气间隙向外排出带电火焰，必须与相邻部件或箱壁之间留出一定间隔；当电涌保护器动作时，其两端电压急剧下降，形成很陡的截断波(见图31)，这对被保护的含绕组的设备(变压器等)是不利的；再则，如无特殊灭弧设计，一般间隙不能迅速熄灭工频续流(跟随在雷电电流以后沿着残余电弧通道来 1一雷电侵入波2-开关型SPD上的截断波的工频短路电流)，也就不能迅速自动恢复开路状态。不过现在已经出现结构优良的间隙斩弧型放电间隙，可以克服上述缺点，能够自动切断354k
12、A工频续流。开关型电涌保护器上的截断波2限压型电涌保护器的工作原理限压型电涌保护器的动作原理和常用的无间隙金属氧化物避雷器相似，一般原理表现为如下几个方面：1)在无雷电电涌的正常工作条件下，并联于电源线路上的电涌保护器呈现高阻抗，泄漏电流很小，基本上处于开路状态，不影响电源的正常工作。2)雷电电涌到来且达到其动作电压时，电涌保护器迅速动作，泄放雷电能量，限制过电压以保护信息系统设备不受雷害，为此，电涌保护器的保护特性与被保护设备的绝缘特性应正确配合，电涌保护器的伏一秒特性应与被保护设备的绝缘伏一秒特性相配合(如不能获得伏一秒特性，即以响应时间代替)；电涌保护器在雷电流下的最大限制电压应低于被保
13、护设备的绝缘冲击耐受电压。3)雷击电涌过后，电涌保护器应能迅速恢复常态，处于高阻抗和基本开路状态。限压型电涌保护器结构上主要采用非线性电阻片，常用的是压敏电阻片(简称MoV)，它能很好地满足电涌保护器的动作要求。这种非线性电阻片的伏一安特性见图32。其工作原理为：在正常工作电压下呈现出很大的电阻和非常小的电流，而当过电压到来时呈现为很小的电阻，将大电流迅速泄放入地。过电压经线路施加到限压型电涌保护器上时，其两端的电压和通过的电流波形见图33。当电涌保护器动作时，其两端的电压变化较少、较缓，这对被保护的电气设备尤其是含绕组的设备(变压器等)是有利的。限压型电涌保护器的性能完全取决于非线性电阻片(
14、非线性系数、通流容量和寿命)。由于对其通流容量等要求很高，制造这种非线性电阻片的材料和工艺也较制造常规的非线性电阻片(材料主要是氧化锌)要求要高得多。运行中非线性电阻片的主要问题是老化，表现为工作电压下持续工作电流逐渐增大，严重时恶性发热，最后在工作电压下因热击穿而崩溃。老化速度与工作电压下的持续工作电流大小有关，也就是与电源系统的最大持续运行电压有关。图32限压型SPD伏一安特性 图33限压型SPD上的电压波1一雷电侵入波2一限压型SPD上的电压波 复合型电涌保护器在结构原理上是上述两种电涌保护器的综合，这里不再详细介绍。 为了进一步改进电涌保护器的防雷性能，可在两级电涌保护器之间插入滤波电
15、路。此种电涌保护器称为串联型电涌保护器，而将上述与电源并联连接的电涌保护器称为并联型电涌保护器。这种滤波电路的参数可按消除有关的干扰考虑，也可按改进电涌保护器的防雷性能考虑。无论何种情况，对滤波电路的元器件要求都比较高，价格也比较昂贵，因而很少使用。 三、电源线路电涌保护器的主要技术参数 用于描述电源线路电涌保护器的技术参数很多，这里仅对电源线路电涌保护器的主要技术参数进行介绍，包括标称放电电流、最大放电电流、最大持续运行电压、持续运行电流、限制电压和电压保护水平。(1)标称放电电流In是表示流过电涌保护器具有820s波形的电流峰值，用于级试验的SPD分级以及I级、级试验的SPD的预处理试验。
16、标称放电电流也称额定放电电流。标称放电电流的优选值为005kA、01kA、025kA、05kA、10kA、15kA、20kA、25kA、30kA、50kA、10kA、15kA、20kA和40kA。(2)最大放电电流Imax，是电涌保护器进行II级动作负载试验时应经受的、波形为820s的最大峰值电流。最大放电电流是表示SPD不发生实质性破坏可以承受规定波形冲击电流的最大能力，有的文献中也称为冲击通流容量。(3)最大持续运行电压Uc表示允许持久地施加在电涌保护器上的最大交流电压有效值或直流电压。最大持续运行电压的优选值为：52V、63V、75V、95V、110V、130V、150V、175V、22
17、0V、230V、240V、250V、260V、275V、280V、320V、420V、440V、460V、510V、530V、600V、630V、690V、800V、900V、1000V和1500V。(4)持续运行电流Ic，表示在最大持续运行电压下流过电涌保护器各个保护模式的电流。它相当于流过电涌保护器的保护元件的电流和流过与电涌保护器保护元件并联的内部电路的电流总和。在氧化锌避雷器中称为全电流，标准中没有规定它的允许值，由各生产厂根据电阻片性能确定。一般情况下，220380V系统中，持续运行电流小于300tLA。判断产品劣化的标准是看其持续运行电流是否明显增加。(5)限制电压是指施加规定波形
18、和幅值的冲击电压时，在电涌保护器接线端子间测得的最大电压峰值。限制电压也称残压。(6)电压保护水平UP表征电涌保护器限制其接线端子间电压的性能参数，该值应大于限制电压的最高值。限制电压和残压都是用于表征电涌保护器保护水平的重要技术参数，数值越低保护水平越高。第三节 信号线路电涌保护器一、信号线路电涌保护器的分类信号是具有一个或几个独立变量的函数，该函数一般都包含了关于某些现象性质的信息，它可以描述范围极广泛的一类物理现象。虽然信号可以用许多方式来表示，但是在所有情况下，信号所含的信息总是寄寓于某种形式的变化波形之中。信号有两种基本类型：即连续时间信号和离散时间信号。但是信号的具体种类很多，随着
19、信号的不同，信号传输的介质(载体)和接口也不同。也就是说，信号传输线路特性不相同。因此我们可以把信号线路电涌保护器按传输介质不同分为：电话线SPD、同轴线SPD、双绞线SPD和有线电视线SPD等种类。电话线SPD主要用于通过市话网进行数据传输的终端用户，例如银行、证券机构以及广大的Internet网用户。同轴线SPD主要用于计算机网络的同轴粗缆、细缆，以及卫星接收、发射天馈线，移动通信基站天馈线等。双绞线SPI：)主要用于计算机网络数据信息传输，适用于各种数据传输速率和尉45、对11等接口线路。有线电视线SPD也属同轴线SPD的一种，但其特性阻抗为75n，专用于有线电视(CATV)各终端用户。
20、关于信号线路电涌保护器的分类方法还有很多，如按传输速率分、按保护对象分、按接口分等，因涉及知识面比较广泛，这里不再详述。 二、信号线路SPD的结构原理 信号线路SPD的防电涌动作要求与电源线路SPD基本相同。与之不同的是信号线路SPD的工作电压比电源线路SPD要低，因此绝缘性能要求也低，结构和工艺也相对简单。信号线路SPD的传输速率比电源线路SPD要高，因此，在无雷电的正常工作条件下，对信号线路SPD的插入损耗要求很苛刻，既不能阻塞，也不能大幅衰减信号，影响信号传输。同时要求信号线路SPD有足够大的通流容量和足够低的限制电压。但这种要求低于对电源线路SPD的要求，通流容量一般为几千安，限制电压
21、为几十伏，并要求响应时间足够短，达到纳秒级。 信号线路SPD元件主要是气体放电管、箝位二极管、晶闸管等，后两种本身也是半导体元件，其动作时间足以满足信号防雷要求。普通气体放电管的动作时延不能满足信号防雷要求，因此，信号线路SPD在结构上常用多级限压方式以稳定放电电压，减小放电时延。非线性电阻片因其极间电容较大，对高频信号的吸收和衰减严重，影响信号的高频通路，因此，不适用于信号线路SPD。 箝位二极管是利用其反向特性的饱和段来箝位限制过电压，实际是齐纳二极管(TVS)。这是一种专用于抑制过电压的二极管，其核心部分是具有较大截面积的硅PN结。它工作在雪崩状态，具有较强的脉冲吸收能力。为适应两种极性
22、的过电压，将两个单向二极管反向连接使用(相当一个双向TVS管)。信号防雷的晶闸管是TVS晶闸管，它是一种由雪崩二极管控制的TVS器件，在极间正向电压不高时，它等效于一个反向偏置的二极管，仅有泄漏电流。当过电压到来时，PN结雪崩机理起作用，晶闸管开通，近似于短路，此过程与放电管类似。常用信号线路SPD结构原理如图34所示。 其内部有两个部分：第一部分为气体放电管，第二部分为箝位二极管，二者之间为解耦电阻，箝位二极管决定电涌保护器的响应时间和限制电压，气体放电管决定通流容量，解耦电阻促使电流增大时气体间隙动作。 同轴电缆电涌保护器有气体放电间隙型和4(14波长)型两种，后者通频带很窄，主要用于移动
23、通信基站天馈信号线防雷，如图35所示。 三、信号线路电涌保护器的接口类型 (1)天馈线电涌保护器天馈线电涌保护器特性阻抗一般有50、75和93等，用于特性阻抗与之相匹配的同轴天馈线及无线电系统设备，接口类型有BNc、N和UHF等，有图34信号线路SPD结构原理a)标准保护一2对b)加强保护一2对图35 同轴电缆SPD结构原理a)气体放电间隙型b) 4型直插式、绕接式、卡接式和螺纹连接等接人方式，适用于雷击保护区的LPZOALPZ1区，一般通过电缆焊片或外部屏蔽端子接地。(2)串口保护器串口保护器系列可直接插入被保护设备的输人端，用于信息技术系统和设备。常见接口类型有Dsub插头和插座连接器，或
24、带数据电缆和插头的连接器。插头及插座有D25脚、D15脚和D9脚几种。D25脚和D9脚用于RS232端口，D15脚用于RS422或jRS485端口，适用于雷击保护区的LPZ2LPZ3区，一般采用螺栓紧固接地。(3)同轴电缆线路保护器主要用于特性阻抗为50,75、93的同轴电缆，以及105的T型连接和带10012150Q的平衡端子计算机系统。接口类型有BNC、N、Twinax和RJ45，接入方式和天馈线相似，适用于LPZ2LPZ3区。(4)双绞线电涌保护器主要用于信号传输、语音传输和高速数据传输线路。接口类型较多，有ISDN连接器或配线架与设备之间用的RJ45或BT接口，保护配线架上1对或10对
25、平衡线用的DPI。接口，以及保护4根数据传输的TFY、RS422、RS485和RJ11接口。一般应用于LPZ2LPZ3区，接地形式视结构不同而异。四、信号线路电涌保护器的主要技术参数信号线路电涌保护器与电源线路电涌保护器所起的保护作用是一样的，在技术参数上，由于传输信号和介质不同，除了有标志电涌保护性能的一般参数以外，还必须考虑几个特定的参数。(1)响应时间A从过电压或过电流施加到SPD的输入端起，到SPD击穿放电开始泄放能量所需要的时间，也就是SPD限制过电压和过电流的动作时间。保护器的响应时间，除了与元件特性有关外，还与输入过电压(或过电流)起始段的变化率dudt(或didt)有关。(2)
26、插入损耗A。信息网络SPD的插入损耗，是在规定工作频率范围内和负载阻抗下，SPD接人前负载吸收的功率与SPD接入后负载吸收功率之比，用分贝表示，即 (31)式中P1SPD接人前负载吸收功率(w)；P2一一SPD接人后负载吸收功率(w)；Ae插入损耗(dB)。 如果把SPD接入前负载端电压用U1表示，把SPD接入后负载端电压用U2表示，负载电阻用R表示，则 代入式(31)得(32) 上式说明插人损耗也等于SPD接人前后负载电压之比的分贝值。SPD的插入损耗主要是由其内部信号线路中串入阻抗而引起的。在信号频率较高时，信号线之间的并联元件极间电容和导线电容，也是引起插人损耗的重要因素。在信息网络系统
27、中，SPD的插入损耗一般要求0.5dB。 (3)数据传输速率魄SPD的数据传输速率是指信息网络接人SPD后不增加系统误码率的最大数据传输速率，用每秒内传输比特数来表示。 SPD的数据传输速率与其通频带和信噪比关系十分密切，通频带越宽，信噪比越大，则传输速率越高。根据“乃奎斯特第一准则”，对具有理想传输特性的信道，其传输速率与频带宽度的理论关系式为 (33)式中信道频带宽度(Hz)； Vs信道传输速率(bitS)。 SPD接人信息网络后，它就是信道的一部分，因此上式也反映了对SPD通频带的要求，但在实际应用中所取魄要小于上式计算值。 (4)反射损耗Ar在高频同轴传输线中接人SPD后，由于SPD的
28、特性阻抗与同轴线的波阻抗一般不能做到完全匹配，因此当传输的前行波由同轴线进入SPD接入点时，就会产生波反射。反射波幅值与入射波幅值之比用分贝表示，称为反射损耗，即(反射波幅值入射波幅值)(34)式中，n=反射波幅值入射波幅值，称为反射系数。其中的入射波和反射波可以是电压或电流。 反射损耗A。可用网络分析仪直接测得。当阻抗能确定时，可用阻抗来计算。由高频传输线理论可以导出 (35) (36)式中Z1传输线特性阻抗(Q)；Z2SPD的特性阻抗(Q)； MOD表示阻抗模的计算。工程中常用“驻波比”(SWD这一术语来说明传输线的匹配情况，SWR与咒的关系为 (37)由实测的Ar值代入式(34)可求得行
29、，再代入上式可求得驻波比。有的网络分析仪也可直接读出驻波比数值。对于同轴传输线，希望反射损耗越小越好，一般要求A，一21clB，相当SWR1.2。第四节低压配电系统防雷从雷电过电压侵入的途径看，过电压有可能沿电源线路侵入建筑物内的电子信息系统，损坏系统设备。目前，供电系统一般采用10kV交流高压电力线人户，然后把10kV变成220380V供电，本节重点讨论配电变压器输出端的低压供电系统防雷。一、供电系统防雷技术要求1)按(；BS0174一1993电子计算机房设计规范要求，电子计算机机房电源进线应按国家标准建筑物防雷设计规范采取防雷措施。机房动力电源进线应采用地埋电缆，当不得已采用架空线进线时，
30、必须在低压架空进线端或电力变压器低压配电母线端装设防雷器(采用埋地电缆时，应在进线后加装防雷器)。2)电源保护的SPD，其通流能力应考虑能承受雷电感应过电压、雷电侵入波和高电位反击。3)电源保护的SPD，其末级限制电压(残压)应小于用电设备绝缘耐冲击电压水平。国家标准建筑物防雷设计规范给出了三相交流系统各种设备绝缘耐冲击过电压额定值，见表31。表31 220380v三相交流系统各种设备绝缘耐冲击过电压额定值注： I类一需要将瞬态过电压限制到特定水平的设备。类一如家用电器、手提工具和类似负荷。类一如配电盘、断路器，包括电缆、母线、分线盒、开关、插座等的布线系统，以及应用于工业的设备和永久接至固定
31、安装的电动机等的一些其他设备。类一如电气计量仪表、一次线过流保护设备、波纹控制设备。按国际电工委员会标准，直流48V系统耐冲击电压水平为330V。实际应用时应考虑一定的安全系数，SPD末级纵向限制电压就控制在200250V。4)电源保护的SPD，其响应时间应小于100nso目前应用较多的氧化锌压敏电阻片SPD，其响应时间都能满足此要求。5)高层建筑内的计算机机房，还必须采取防侧击雷措施。6)机房电源进线的N线与PE线必须分开。机房内的交流工作地、直流工作地、防雷地和保护地，必须按国家标准建筑物防雷设计规范规定妥善连接。7)运行中SPD击坏时应有故障指示标志并能立即脱离电源，不影响正常供电。二、
32、电涌保护器的安装要求 1电涌保护器两端的引线应做到最短 当雷击时，被保护设备和系统所受到的电涌电压是SPL)的最大箝位电压加上其两端引线的感应电压，如图36所示，UUL1+ UP+ UL2。由于雷击电磁脉冲能使引线上感应出很高的电压。为使最大电涌电压足够低，其两端的引线应做到最短，总长不超过0.5m。在实际工程中配电柜的生产厂应注意这一点，如果进线母线在柜顶，可将SPD装于配电柜的上部，并与柜内最近的接地母线连接，如果确实有困难，可采用如下的两种连线方式，见图37。图36被保护设备承受的电压 图37引线最短的两种接法 2采用多级保护措施 当进线端的电涌保护器与被保护设备之间的距离较远(30m)
33、，或者SPD的电压保护水平Up加上其两端引线的感应电压以及反射波效应不足以保护敏感设备，则应在被保护设备处加装SPD。当按上述要求安装SPD之间设有配电盘时，若第一级SPD的电压保护水平UP加上其两端引线的感应电压保护不了该配电盘内的设备，应在该配电盘内安装第二级SPD，形成多级综合保护。一方面要考虑在各防雷区的人口处设置电涌保护器进行等电位连接的要求，另一方面也要考虑防雷区范围内(雷电)波过程的具体情况。这样，一般情况都需要多级配置。多级配置的作用是让雷电的能量可经多个电涌保护器泄放，使雷电的能量不能窜人防雷区号较高的区域，也能使各电涌保护器之间在能量负担、残压的限制上有合理的分工。多级电涌
34、保护器的级位配置和能量配合可按下述考虑：国家标准建筑防雷设计规范(2000年版)要求在任何两个防雷区的交界处配置电涌保护器。如果有L,PZOA(LPZOB)、LPZl、LPZ2三个防雷区，加上被保护对象内部的电涌保护器，就有三级。为使前后级电涌保护器之问的动作有明确的次序，各级之间应有一定长度的导线或电缆，或者专用的解耦器(电感)。即使是在同一个防雷区，如线路范围较大，远离该区人口处电涌保护器的设备可能得不到有效的保护，也需要增加一级电涌保护器。 3两级SPD的间距应足够大 当线路上多处安装SPD时，为获得最佳的保护效果，通常利用第一级保护承受高电压和大电流，并能快速灭弧，第二级用来降低残压。
35、为了使上一级SPD有足够的时间泄放更多的雷电能量，避免在上一级SPD还没有动作时，感应雷电波到达下级SPD，造成下级SPD承受更多的雷电能量并提前动作，不仅不能有效保护设备，甚至导致自身烧毁。因此，两级SPD应有足够大的间距进行配合。一般情况下，无准确数据时，电压开关型SPD与限压型SPD之间线路长度不宜小于10m，限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m。三、低压供电系统电涌保护器的安装方法1TN供电系统的安装方法TN供电系统是典型的供电制式之一，电涌保护器的连接如图38所示，但是，当采用TNCS或TNS系统时，在N与PE线连接处保护器只用三个，在其以后N与PE线分开处电涌保护器需用四个，即在
36、N与PE线间增加一个。图38是表示N与PE连接处SPD的接线方式。3只SPD的输入端分别接到L1、L2、L3三根相线上，输出端接到总接地端。在SPD与相线之间，还必须接人熔断器或断路器，以使SPD被击坏时能迅速脱离电源，不影响正常供电。如果SPD本身内部具有可靠的短路保护装置，在外部可以不加接装置F。这种连接方式，实现了输电线的“纵向保护” (相一地过电压保护)，使各相线对地的冲击过电压值都限制在SPD的电压保护水平以内，而“横向保护”(相一相过电压保护)，则取决于相线纵向冲击电压的差值(不计工频电压影响时)。一般睛况下，如户外三相架空输电线某一相或两相遭受直击雷时，其横向过电压可以大大超过纵
37、向保护电平。因此对于特别重要的保护对象，最好同时采用纵向保护和横向保护。图38 TN供电系统SPD的连接方式l一装置的电源2一配电盘3一接地汇流排4一电涌保护器SPD 5一SPD的接地连接，5a或5b6一被保护设备7一PE与N线的连接带F一熔丝或断路器RA、RB一装置、系统接地电阻2TT供电系统的安装方法TT供电系统由于没有专用保护地线(PE线)，一般都要安装剩余电流保护器。根据SPD相对于剩余电流保护器的安装位置不同，有两种连接方式：一种是SPD装在剩余电流保护器的负荷侧，如图39a所示；另一种是SPD装在剩余电流保护器的电源侧，如图39b所示。由图39a可知，其过电压保护是由4只SPD模块
38、组成的纵向保护模式。4模块的一端分别接至电源的3根相线和中线，另一端接到接地汇流排，此保护方式具有与图38保护方式基本相同的特点。所不同的是此处N线不接地，当受到雷击电磁脉冲作用时同样会产生很高的感应过电压，因此需在N线与地线之间也加接SPD。在图39b中，SPD是由3只限压型模块并联再与1只开关型模块串联组合而成，接法如图所示。由图可见，每只限压型模块所承受的工频电压都是相电压，与TN系统相同，其最大持续工作电压Un。的选择要求也相同，即UC115Un(Un为相电压额定值)。而对手图39a的连接方式，防雷保护地PE与中线N之间可能会产生较大的浮动电压，故要求UC155UC。由于U。选择要求不
39、同，电压保护水平也不同。图39b连接方式中的放电间隙击图39 TT供电系统中SPD的连接方式a)SPD在剩余电流保护器的负荷侧b)SPD在剩余电流保护器的电源侧1一装置的电源2一配电盘3一接地汇流排4一电涌保护器SPD5一SPD的接地连接，5a或5b 6一被保护设备7一剩余电流保护器F一溶丝或断路器R A、RB一装置、系统接地电阻穿后其压降一般为几十伏，在相同雷电流下具有较好的保护效果。 四、电涌保护器的配合 在需要保护的系统中，所安装的SPD的数量取决于防雷区的划分和被保护设备的抗冲击耐受特性(易损性)。当采用多于一套SPD去保护设备时，就需研究这些SPD之间的以及与被保护设备的配合问题。
40、配合的一般目的是借助于几个SPD，将总的雷电感应过电压减小到被保护设备的耐受能力以下，各个SDD分担的雷电电流不应超过其额定值。1基本配合原则 从技术上一般选用下列两种配合原则，以实现两级或两级以上SPD之问的配合。 (1)借助稳态电流电压特性的配合 除敷设的线缆外，再不加任何去耦元件，借助于各个SPD的稳态电流电压特性的配合。本原则适用于金属氧化物压敏电阻类防雷器(限压型SPD)。(2)采用去耦元件的配合为配合目的，采用电感或电阻作去耦元件，而去耦元件应具备足够的耐电涌能力。电感件主要用于电源系统；电阻件主要用于信号系统。去耦元件可采用分立元件，也可采用防雷区界面和设备之间电缆的电阻和电感。
41、 2基本配合方案 (1)方案I 全部SPD的残压Ures值相同或逐级降低，全部SPD都具有连续的电流他压特性(如金属氧化物压敏电阻类SPD)。这种SPD之间以及与被保护设备的配合，通常是利用它们之间的线路阻抗来实现的(如图310所示)。如果安装距离受到限制，也可在级间加接电感去耦元件。图3一10各级SPl)按方案I的配合LPz一防雷区 R一等效电阻L一等效电感良好的配合，可以使雷电浪涌总威胁值(浪涌电流及能量)被各级SPD分段吸收(正比于各SPD的定额值)，并衰减到被保护设备的耐受能力以下。各级SPD的定额值依次递减(MOV1MOV2)，在被保护设备近旁的SPD的定额值最低。(2)方案 全部S
42、PD具有连续的电流电压特性(如压敏电阻等)。SPD的残压匹配呈台阶式，从第一个SPD开始，依次升高，且最后一级SIPD(图311中的SPD3)的残压值u心必须低于被保护设备耐冲击电压的能力。这种配合的好处是：即使两级之间的距离很近，也可不必加接电感元件。其缺点是：由于前级残压受到限制，在相同条件下，其漏电流相对要加大，影响到SPD的使用寿命。故实际工程中很少采用这种方案。各级SPD通流容量定额搭配原则与方案I相同。(3)方案 SPD1是具有不连续电流电压特性的组件(开关型SPD，如放电间隙)，后续SPD的组件具有连续的电流电压特性(限压型SPD)，如图312所示。本方案的特点是，由于第一个SP
43、D的“开关特性”，使雷电浪涌脉冲电流的波尾时间缩短，这样可以大大减轻后续SPD的放电电流。这种配合方案要注意以下两点：图31l各级SPD按方案的配合图312各级SPD按方案的配合LPz一防雷区 R一等效电阻 L一等效电感1)放电间隙若不出现火花放电(“盲点”)，浪涌电流将全部通过MOV，该MOV必须按此浪涌电流的能量确定其规格尺寸。2)放电间隙出现火花放电，从而改变了加在后续MOV上的电浪涌波形。从图312中可看出，在良好的配合下，MOV电流上升时间及能量比“盲点”情况下大为减少。当采用有低残压的放电间隙时，后续MOV的最大持续工作电压Uc，的选择，可以相对放宽要求。 五、电涌保护器的选择 在
44、信息系统防雷工程中，电涌保护器的选择是很重要的，必须对它进行仔细的选配才能达到保护目的。 电涌保护器选择的目的是保证其正确工作和动作，电涌保护器选择的内容包括SPD类型的选择，保护模式的确定，级数配置，主要参数的选择等。 1电涌保护器类型的选择 目前应用较多的电源线路电涌保护器，主要是限压型和开关型两类。两者比较起来，限压型的限制电压较低，保护效果好，且价格较低，所以应用普遍。建议一般情况下选用限压型电涌保护器。开关型的特点是通流能力较大，在雷电活动强烈地区，LPZ()防雷区的第一级SPD建议选用开关型电涌保护器。 2电涌保护器保护模式(接人位置)的确定 现在计算机信息网络的低压交流电源一般采
45、用TNs制，它适用于安全可靠性要求较高、防电磁干扰要求较严的场合。如果电网配电为TNC制，则从人户处开始将N线和PE线分开，即成为TNC一S系统。在建筑物入口(TNC与TNS交界处)，单相时只要安装一个电源防雷模块(LPE模式)，三相时要装三个防雷模块(LlPE、L2一PE、L3一PE模式)。在建筑物内已是TNS接法的各处，单相时要装两个防雷模块(LPE、NPE模式)，三相时要装四个模块(L1一PE、L2一PE、L3一PE、NPE模式)。3电涌保护器参数的选择电源电涌保护器参数的选择，包括确定最大放电电流(或标称放电电流)、保护电平和最大持续工作电压等。(1)最大放电电流(或标称放电电流)的选
46、择 电源电涌保护器的防护性能和价格主要决定于最大放电电流Imax，因此合理选择Imax是防雷工程设计中非常重要的一环。确定Imax的主要依据是：。1)建筑物防雷类别。建筑物防雷类别不同，要求防护的雷电流幅值不同，对SPD的通流能力要求也就不同。2)雷电活动的频度。雷电活动的频度用年平均雷暴日数来衡量。我国幅原辽阔，各地区年平均雷暴日悬殊很大，最少的在23d，最多的达120d以上。年平均雷暴日越多的地区，雷电活动越频繁，雷电流强度也越大，对SPD的通流能力要求越高。根据年平均雷暴日的多少，可将雷电活动区分为少雷区、中雷区、多雷区和强雷区。年平均雷暴日在25天以下的地区为少雷区；2540d以内地区
47、为中雷区；4090d以内地区为多雷区；超过90d的地区为强雷区。3)防雷区。即使同一雷电活动区、同一防雷建筑物，由于防雷区的不同，其SPD的通流要求亦不同。4)电源进线方式。是架空线输人还是埋地电缆输人；埋地电缆有无金属保护层或金属套管；埋地电缆及套管的长度等。5)安装地位置及环境条件。安装建筑物是在平原还是在山坡或山顶；建筑物本身的高度、周围建筑物的高度以及土壤电阻率等。根据上述条件，可以通过理论计算来确定SPD的，Imax(或In)，也可以凭经验来选择。进行理论计算时首先必须作出等效放电电路，然后计算通过各级SPD的放电电流。由于各部分载流导体的电阻、电感等参数难以准确获得，只能设定或近似估计，所以计算结果也是近似的，只能作为选择通流能力的参考依据。另外，雷电波侵入室内的途径有多种：由防直击雷接闪器通过引下线和接地体侵入；由雷直击户外架空线产生的雷电波侵入；由雷击电磁脉冲产生的感应过电压侵入等。不同侵入途径其计算等效电路不同，所得结果也有很大差异。因此应根据被保护对象的具体要求和工况，确定合理的计算方法。从各种现代化建筑大厦来看，其接闪器(避雷针、避雷带等)一般都是以其
