电源防雷器

电源防雷器是浪涌保护器中最常用的一种,主要是针对电源系统所选用的浪涌保护。另外,还有网络防雷器,信号防雷器,视频防雷器,三合一防雷器等等。

电源防雷器包括电源防雷模块、电源防雷箱、电源防雷插座等。

电源防雷模块和电源防雷箱的区别在于体积大小不同,后者功能更加强大,且拥有雷电计数器等,但模块比防雷箱更容易安装且低廉。

最原始的防雷器是羊角形间隙,出现于19世纪末期,用于架空输电线路,防止雷击损坏设备绝缘而造成停电,故称"防雷器"。20世纪20年代,出现了铝防雷器,氧化膜防雷器和丸式防雷器。30年代出现了管式防雷器。50年代出现了碳化硅防雷器。70年代又出现了金属氧化物防雷器。现代高压防雷器,不仅用于限制电力系统中因雷电引起的过电压,也用于限制因系统操作产生的过电压。1992年以来,以德、法为代表的工控标准35mm导轨卡接式可拔插SPD防雷模块,开始大规模引进到中国,稍后以美、英为代表的一体化箱式电源防雷组合也进入了中国。

按用途分

1、开关型防雷器:

其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗,但一旦响应雷电瞬时过电压时,其阻抗就突变为低值,允许雷电流通过。用作此类装置时器件有:放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。

2、限压型防雷器:

其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻抗,但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小,其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有:氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等防雷器大多为限压型。

3、分流型或扼流型防雷器

分流型:与被保护的设备并联,对雷电脉冲呈现为低阻抗,而对正常工作频率呈现为高阻抗。

扼流型:与被保护的设备串联,对雷电脉冲呈现为高阻抗,而对正常的工作频率呈现为低阻抗。

用作此类装置的器件有:扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。

按防雷等级分

一级防雷器:一般标称在30KA以上。有开关型和限压型。

二级防雷器:一般标称在15——20KA之间。均为限压型。

三级防雷器:一般标一般标称在5——10KA之间,均为限压型。

配电系统

首先要搞清楚自己的配电系统,是TT、TN还是IT系统?因为定了配电系统,我们才能确定单相,三相,接线方式等,以此选择合适的防雷产品,我国多数配电系统都为TN-S方式。

压敏电阻

防雷产品中的主要材料是氧化锌压敏电阻,其材料的品质和工艺水平的高低对产品遭受雷击时是否能产生预期的保护作用有直接的影响,所以你在选择防雷器时一定要了解厂家的压敏电阻的来源。

重要参数

标称电压Un:被保护系统的额定电压相符,在信息技术系统中此参数表明了应该选用的保护器的类型,它标出交流或直流电压的有效值。

最大持续工作电压Uc:能长久施加在保护器的指定端,而不引起保护器特性变化和激活保护元件的最大电压有效值。

标称放电电流In:给保护器施加波形为8/20s的标准雷电波冲击10次时,保护器所耐受的最大冲击电流峰值。

最大放电电流Imax:给保护器施加波形为8/20s的标准雷电波冲击1次时,保护器所耐受的最大冲击电流峰值。

电压保护级别Up:保护器在下列测试中的最大值:1KV/s斜率的跳火电压;额定放电电流的残压。

安装位置

按照三级防雷保护原理,电源和设备所需要的保护措施被分为三个等级。在总配电柜安装第一级防雷器,选择相对通流容量大的电源防雷器(Imax80KA~160KA视情况而定),然后在下属的区域配电箱处安装第二级电源防雷器(Imax40KA左右),最后在设备前端安装第三级电源防雷器(Imax10KA-40KA)。

检测报告

防雷产品应当符合国务院气象主管机构规定的使用要求。防雷产品应当由国务院气象主管机构授权的检测机构测试,测试合格并符合相关要求后方可投入使用。申请国务院气象主管机构授权的防雷产品检测机构,应当按照国家有关规定通过计量认证、获得资格认可。

第一级防雷器可以对于直接雷击电流进行泄放,或者当电源传输线路遭受直接雷击时传导的巨大能量进行泄放,对于有可能发生直接雷击的地方,必须进行CLASS-I的防雷。第二级防雷器是针对前级防雷器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备,对于前级发生较大雷击能量吸收时,仍有一部分对设备或第三级防雷器而言是相当巨大的能量会传导过来,需要第二级防雷器进一步吸收。同时,经过第一级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射LEMP,当线路足够长感应雷的能量就变得足够大,需要第二级防雷器进一步对雷击能量实施泄放。第三级防雷器是对LEMP和通过第二级防雷器的残余雷击能量进行保护。

第一级保护

目的是防止浪涌电压直接从LPZ0区传导进入LPZ1区,将数万至数十万伏的浪涌电压限制到2500-3000V。

入户电力变压器低压侧安装的电源防雷器作为第一级保护时应为三相电压开关型电源防雷器,其雷电通流量不应低于60KA。该级电源防雷器应是连接在用户供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防雷器。一般要求该级电源防雷器具备每相100KA以上的最大冲击容量,要求的限制电压小于1500V,称之为CLASS I级电源防雷器。这些电磁防雷器是专为承受雷电和感应雷击的大电流以及吸引高能量浪涌而设计的,可将大量的浪涌电流分流到大地。它们仅提供限制电压(冲击电流流过电源防雷器时,线路上出现的最大电压称为限制电压)为中等级别的保护,因为CLASS I级保护器主要是对大浪涌电流进行吸收,仅靠它们是不能完全保护供电系统内部的敏感用电设备的。

第一级电源防雷器可防范10/350μs、100KA的雷电波,达到IEC规定的最高防护标准。其技术参考为:雷电通流量大于或等于100KA(10/350μs);残压值不大于2.5KV;响应时间小于或等于100ns。

第二级防护

目的是进一步将通过第一级防雷器的残余浪涌电压的值限制到1500-2000V,对LPZ1-LPZ2实施等电位连接。

分配电柜线路输出的电源防雷器作为第二级保护时应为限压型电源防雷器,其雷电流容量不应低于20KA,应安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电处。这些电源防雷器对于通过了用户供电入口处浪涌放电器的剩余浪涌能量进行更完善的吸收,对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。该处使用的电源防雷器要求的最大冲击容量为每相45kA以上,要求的限制电压应小于1200V,称之为CLASS Ⅱ级电源防雷器。一般用户供电系统做到第二级保护就可以达到用电设备运行的要求了

第二级电源防雷器采用C类保护器进行相-中、相-地以及中-地的全模式保护,主要技术参数为:雷电通流容量大于或等于40KA(8/20μs);残压峰值不大于1000V;响应时间不大于25ns。

第三级保护

目的是最终保护设备的手段,将残余浪涌电压的值降低到1000V以内,使浪涌的能量不致损坏设备。

在电子信息设备交流电源进线端安装的电源防雷器作为第三级保护时应为串联式限压型电源防雷器,其雷电通流容量不应低于10KA。

最后的防线可在用电设备内部电源部分采用一个内置式的电源防雷器,以达到完全消除微小的瞬态过电压的目的。该处使用的电源防雷器要求的最大冲击容量为每相20KA或更低一些,要求的限制电压应小于1000V。对于一些特别重要或特别敏感的电子设备具备第三级保护是必要的,同时也可以保护用电设备免受系统内部产生的瞬态过电压影响。

对于微波通信设备、移动机站通信设备及雷达设备等使用的整流电源,宜视其工作电压的保护需要分别选用工作电压适配的直流电源防雷器作为末级保护。

第四级及以上

根据被保护设备的耐压等级,假如两级防雷就可以做到限制电压低于设备的耐压水平,就只需要做两级保护,假如设备的耐压水平较低,可能需要四级甚至更多级的保护。第四级保护其雷电通流容量不应低于5KA。

1、接闪器 Air-termination system

用于直接接受或承受雷击的金属物体和金属结构,如:避雷针、避雷带(线)、避雷网等。

2、引下线 Down conductor system

连接接闪器与接地装置的金属导体。

3、接地装置 Earth termination system

接地体和接地体连接导体的总和。

4、接地体 Earth electrode

埋入地中直接与大地接触的金属导体。也称接地极。直接与大地接触的各种金属构件、金属设施、金属管道、金属设备等可以兼作接地体,称为自然接地体。

5、接地体连接导体 Earth conductor

从电气设备接地端子接到接地装置的连接导线或导体,或从需要等电位连接的金属物体、总接地端子、接地汇总板、总接地排、等电位连接排至接地装置的连接导线或导体。

6、直击雷 Direct lightning flash

直接击在建筑物、大地或防雷装置等实际物体的雷电。

7、地电位反击 Back flashover

雷电流经过接地点或接地系统而引起该区域地电位的变化。地电位反击会引起接地系统电位的变化,可能造成电子设备、电气设备的损坏。

8、雷电防护系统 Lightning protection system(LPS)

减少雷电对建筑物、装置等防护目标造成损害的系统,包括外部和内部雷电防护系统。

①外部雷电防护系统 External lightning protection system

建(构)筑物外部或本体的雷电防护部分,通常由接闪器、引下线和接地装置组成,用于防直击雷。

②内部雷电防护系统 Internal lightning protection system

建(构)筑物内部的雷电防护部分,通常由等电位连接系统、共用接地系统、屏蔽系统、合理布线、电涌防护器等组成,主要用于减小和防止雷电流在防护空间内所产生的电磁效应。

针对市场上出现了各种各样的防雷器,质量参差不齐,有一些甚至闻所未问(如:不用接地的避雷器,到为止,都弄不明白它的工作原理),因此,通过介绍避雷器的工作原理及组成,对客户甄别真假、优劣,有所帮助。

防雷器元件从响应特性看,有软硬两种。属于硬响应特性的放电元件有火花间隙(基于斩弧技术的角型火花隙和同轴放电火花隙)和气体放电管,属于软响应特性的放电元件有金属氧化物压敏电阻和瞬态抑制二极管。这些元件的区别在于放电能力、响应特性和残压,避雷器就是利用它们不同的优缺点,扬长避短,组合成各种避雷器,保护电路。

一、火花间隙(Arc chopping)

1、放电间隙:原理是两个如牛角现状的电极,距离很短,用绝缘材料分开,当两个电极间的电场强度达到击穿强度时,电极之间形成电流通路。当雷电波来到的时候首先在间隙处击穿,使间隙的空气电离,形成短路,雷电流通过间隙流入大地,而此时间隙两端的电压很低,从而达到保护线路的目的。电场强度低于击穿间隙时,放电间隙型避雷器-又恢复绝缘状态。常用于高压线路的避雷防护中。在低压系统,常用于电源的前级保护。

火花间隙型避雷器产品的优劣,在于制成电极的材料、间隙距离及绝缘材料。

优点:具有很强放电能力、通流量大,10/350μs脉冲波形能够疏导50KA的脉冲电流,用于8/20μs脉冲电流,可以大于100KA,很高的绝缘电阻以及很小的寄生电容,漏电流小。对正常工作的设备不会带来任何有害影响。

缺点:残压高(2.5~3.5KV),反应时间长(≦100ns),动作电压精度较低,有工频续流,因此在保护电路中应串联一个熔断器,使得工频续流迅速被切断。

注:由于两只放电管分别装在一个回路的两根导线上,有时会不同时放电,使两导线之间出现电位差,为了使两根导线上的放电管能接近统一时间放电,减少两线之间的电位差,又研制了三级放电管。可以看作是由两只二级放电管合并在一起构成的。三级放电管中间的一级作为公共地线,另两级分别接在回路的两条导线上。

2、气体放电管(Gas discharge tube,GDT):是一种陶瓷或玻璃封装,管内再充以一定压力的惰性气体(如氩气),开关型的保护元件,有二电极和三电极两种结构。当电场强度达到击穿惰性气体强度时,就引起间隙放电,从而限制极间的电压。8/20μs脉冲电流能够疏导10KA。放电电压不稳定,当电压大于12V、电流电压100mA时,会产生后续电流。通常用于测量、控制、调节技术电路和电子数据处理传输电路中。

二、金属氧化物压敏电阻(Metal oxide varistor,MOV):

以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻,当加在电阻两端的电压小于压敏电压时,压敏电阻呈高阻状态,如果并联在电路上,该阀片呈断路状态;当加在压敏电阻两端的电压大于压敏电压时,压敏电阻就会击穿,呈现低阻值,甚至接近短路状态。压敏电阻这种被击穿状态是可以恢复的,当高于压敏电压的电压被撤销以后,它又恢复高阻状态。当电力线被雷击时,雷电波的高电压使压敏电阻击穿,雷电流通过压敏电阻流入大地,使电力线上的类电压被钳制在安全范围内。

氧化锌压敏电阻避雷器,市场上流通很多,我国在20世纪80年代末才大批生产,被认为目前最新型、技术最先进,会做专题详细介绍。我国的输电线路的避雷器,都采用氧化锌避雷器。

优点:开关电压范围宽:6V~1.5KV,反应速度快(25ns),残压低(可以达到终端设备的安全工作电压),通流量大(2KA/cm2),无续流,寿命长。

缺点:容易老化,动作几次后,漏电流会增大,从而导致压敏电阻过热,最终导致老化失效。

电容较大,许多情况下不在高频、超高频系统中使用。该电容又与导线电容构成一个低通。该低通会造成信号的严重衰减。但在频率低于30KHZ时,这种衰减可以忽略。

三、瞬态抑制式二极管(Transient voltage suppressor,TVS):

1、二极放电管:有两种形式:一是齐纳型(为单向雪崩击穿),二是双向的硅压敏电阻。性能类似开关二极管等。在规定的反向电压作用下,两端电压大于门限电压时,其工作阻抗能立即降至很低的水平以允许大电流通过,并将两端电压钳制在很低的水平,从而有效地保护末端电子产品中的精密元件避免损坏。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉动功率,并把电压钳制在预定水平。适用于交流电路。

优点:动作时间极快,达到皮秒级。限制电压低,击穿电压低,应用于各种电子领域。

缺点:电流负荷量小,电容相当高,一般在20pF以下,陶瓷放电管能够做到3~5pF。

电子信息系统所需的浪涌保护系统一般采用两级或三级组成。采用气体放电管、压敏电阻和抑制二极管,并利用各种浪涌抑制器的特点,实现可靠保护。气体放电管一般放在线路输入端作为一级浪涌保护器件,承受大的浪涌电流,属于泄流型器件。二级保护器件采用压敏电阻,可在极短时间内(ns)将浪涌电压限制在较低的水平。对于高度灵敏的电子电路,可采用抑制二极管作为三级保护。在更短的时间内将浪涌电压限制在末端电子设备的绝缘水平以内。如图,当雷电等浪涌到来时,抑制二极管首先导通,把瞬间过电压精确地控制在一定的水平,如果浪涌电流较大,则压敏电阻启动并泄放一定的浪涌电流,这时压敏电阻两端的电压会有所升高,直至推动前级气体放电管放电,把大电流泄放到地。当三种器件在线路中的距离较远时,导通顺序会从气体放电管开始,依次导通。

避雷器的工作,是从反应时间最快、设备的最末端开始的,然后逐级往前端启动的。

,单纯用气体放电管保护后端的设备会出现下列问题:导通时间过长,残压过大,有可能超过后端设备的耐压水平。放电后,会产生工频续流。为避免上述问题,采用另外一种电路(图三)。为了解决产生工频续流的问题,同时也避免压敏电阻因漏电流过大而发热自爆或老化,我们在气体放电管上串联一个压敏电阻,这样就可避免产生工频续流,又可以防止压敏电阻因漏电流而自爆、老化。但新的问题又产生了,这样避雷器的动作时间为气体放电管的导通时间和压敏电阻导通时间的总和。假设气体放电管的导通时间为100ns,压敏电阻的导通时间为25ns,则它们总的反应时间为125ns。为了减小反应时间,在电路中并入一个压敏电阻,这样可使总的反应时间为25ns。

:当过电压出现时,抑制二极管作为动作最快的元件首先动作,线路设计为,在抑制二极管可能毁坏之前,放电电流即随着幅值的上升转换到前置的放电路径上,即充气式放电路上。

Us+△u≥Ug

Us:抑制二极管上的电压

△u:去耦感应线圈上的电压

Ug:气体放电管的动作电压

如果放电电流小于该值,则充气放电管不动作。采用这种线路不仅可以在低保护水平的条件下利用放电器动作迅速的优点,同时还可以达到很高的放电电容。这样就可以消除抑制二极管过载一级熔断器在出现电源续流时频繁切断电路的缺点。

频率较高的线路也可以采用欧姆式电阻作为去耦元件,与低电容桥接线路共同使用。

2、三极放电管:在两根的导线上,安装两个二极放电管,会出现电位差,因此就有三极放电管,多了一极做公共接地,可以减少时间差(0.15~0.2μs),及由此产生的横向雷电压幅值。

市场上普通电源避雷器器件一般采用压敏电阻,用于一级、二级和三级电源。这种组合方式在距离大于5米时,导通时间从第一级开始逐级向后导通。

若第一级采用气体放电管,二级和三级采用压敏电阻,则必须满足第一级与第二级满足大于十米的距离,第二级与第三级满足大于5米的距离,这样才能保证前一级先动作。否则可能导致第一级不动作的现象,而二级和三级避雷器又没有那么大的通流量,导致避雷器无法切实保护设备。这点在工程设计中一定要引起注意。

安装界面

安装界面单相一体化电源防雷箱可用于电源线路的负载设备第二级防护,防止低压设备受到过压干扰或雷击破坏。安装于防雷分区LPZOA-2界面。

防雷器的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏的一种电器。防雷器的类型主要有保护间隙、阀型防雷器和氧化锌防雷器。保护间隙主要用于限制大气过电压,一般用于配电系统、线路和变电所进线段保护。阀型防雷器与氧化锌防雷器用于变电所和发电厂的保护,在500KV及以下系统主要用于限制大气过电压,在超高压系统中还将用来限制内过电压或作内过电压的后备保护。

SPD常规安装要求

浪涌保护器采用35MM标准导轨安装

对于固定式SPD,常规安装应遵循下述步骤:

1、确定放电电流路径

2、标记在设备终端引起的额外电压降的导线,。

3、为避免不必要的感应回路,应标记每一设备的 PE导体,

4、设备与SPD之间建立等电位连接。

5、要进行多级SPD的能量协调

为了限制安装后的保护部分和不受保护的设备部分之间感应耦合,需进行一定测量。通过感应源与牺牲电路的分离、回路角度的选择和闭合回路区域的限制能降低互感,

当载流分量导线是闭合回路的一部分时,由于此导线接近电路而使回路和感应电压而减少。

一般来说,将被保护导线和没被保护的导线分开比较好,而且,应该与接地线分开。同时,为了避免动力电缆和通信电缆之间的瞬态正交耦合,应该进行必要的测量。

SPD接地线径选择

数据线:要求大于2.5mm2;当长度超过0.5米时要求大于4mm2。YD/T5098-1998。

电源线:相线截面积S≤16mm2 时,地线用S ;相线截面积16mm2≤S≤35mm2 时,地线用16mm2 ;相线截面积S≥35mm2时,地线要求S/2 ;GB 50057第2.2.9条。