- 雷電防護基本原理
- 防雷器簡介
- 防雷器的選用
- 防雷器的安裝
1 雷電防護基本原理
雷電及其它強干擾對電子信息系統(tǒng)的致?lián)p及由此引起的后果是嚴(yán)重的，雷電防護將成為必需。事實上，雷電防護是除雷電之外，也是其它諸如開關(guān)操作脈沖、靜電放電等電磁強干擾防護的共同要求。雷電與雷電電磁脈沖作為一種功率巨大的強干擾源，其破壞作用極其明顯，需作為主要的防護對象。
雷電是一種破壞性極大的強干擾源，由高能的低頻成分與極具滲透性的高頻成分組成。其主要通過兩種形式：一種是通過金屬管線或地線直接傳導(dǎo)雷電致?lián)p設(shè)備；一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以電阻性、電容性、電感性及電磁場等耦合方式感應(yīng)到金屬管線或地線產(chǎn)生浪涌致?lián)p設(shè)備（絕大部分雷損由這種感應(yīng)而引起）。這樣，對于電子信息設(shè)備而言，危害主要來自由于雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，通過以下3個通道所產(chǎn)生的瞬態(tài)浪涌：
金屬管線通道：如自來水管、電源線、天饋線、信號線等產(chǎn)生的浪涌;
地線通道：地電位反擊;
空間通道：電磁波的輻射能量。
其中金屬管線通道的浪涌和地線通道的地電位反擊是電子信息系統(tǒng)致?lián)p的主要原因，而由電力線引起的雷損是通過金屬管線通道中最常見的致?lián)p形式，所以對于電源系統(tǒng)需作為防護的重點。
由于雷電無孔不入地侵襲電子信息系統(tǒng)，雷電防護將是一個系統(tǒng)工程。雷電防護的中心內(nèi)容是泄放和均衡。
泄放是將雷電與雷電電磁脈沖的能量通過大地泄放，并且應(yīng)符合層次性原則，即盡可能多、盡可能遠地將多余能量在引入通信系統(tǒng)之前泄放入地；層次性就是按照所設(shè)立的防雷保護區(qū)分層次對雷電能量進行削弱。防雷保護區(qū)又稱電磁兼容分區(qū)，是按人、物和信息系統(tǒng)對雷電及雷電電磁脈沖的感受強度不同把環(huán)境分成幾個區(qū)域：
（1）LPZO(shè)A區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭到直接雷擊，因此各物體都可能導(dǎo)走全部雷電流，本區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減；
（2）LPZO(shè)B區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，但本區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減；
（3）LPZ1區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體不可能遭到直接雷擊，流往各導(dǎo)體的電流比LPZO(shè)B區(qū)進一步減少，電磁場衰減的效果取決于整體的屏蔽措施。
（4）后續(xù)的防雷區(qū)（LPZ2區(qū)等）：如果需要進一步減少所導(dǎo)引的電流和電磁場，就應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū)，按照需要保護的系統(tǒng)所要求的環(huán)境區(qū)選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。
設(shè)置防雷保護區(qū)是為了避免因高能耦合而損壞設(shè)備，而序號更高的防雷區(qū)是為了防止信息失真和信息丟失而設(shè)置的。保護區(qū)序號越高，預(yù)期的干擾能量和干擾電壓越低。在現(xiàn)代雷電防護技術(shù)中，防雷區(qū)的設(shè)置具有重要意義，它可以指導(dǎo)我們進行屏蔽、接地、等電位連接等技術(shù)措施的實施。
均衡就是保持系統(tǒng)各部分不產(chǎn)生足以致?lián)p的電位差，即系統(tǒng)所在環(huán)境及系統(tǒng)本身所有金屬導(dǎo)電體的電位在瞬態(tài)現(xiàn)象時保持基本相等，其實質(zhì)就是均壓等電位連接的實施。由可靠的接地系統(tǒng)、等電位連接用的金屬導(dǎo)線和等電位連接器（防雷器）組成一個電位補償系統(tǒng)，在瞬態(tài)現(xiàn)象存在的極短時間里，這個電位補償系統(tǒng)可以迅速地在被保護系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)所有導(dǎo)電部件之間建立起一個等電位，這些導(dǎo)電部件也包括有源導(dǎo)線。通過這個完備的電位補償系統(tǒng)，可以在極短時間內(nèi)形成一個等電位區(qū)域，這個區(qū)域相對于遠處可能存在數(shù)十千伏的電位差。重要的是：在需要保護的系統(tǒng)所處區(qū)域內(nèi)部，所有導(dǎo)電部件之間不存在顯著的電位差。
雷電防護系統(tǒng)由3部分組成，各部分各施其責(zé)，不存在替代性。
外部防護：由接閃器、引下線、接地體組成，可將絕大部分雷電能量直接導(dǎo)入地下泄放。
過渡防護：由合理的屏蔽、接地、布線組成，可減少或阻塞通過各入侵通道引入的感應(yīng)。
內(nèi)部防護：由均壓等電位連接、過電壓保護組成，可均衡系統(tǒng)電位，限制過電壓幅值。
2 防雷器
防雷器又稱等電位連接器、過電壓保護器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷保安器等，用于電源線防護的防雷器稱為電源防雷器。鑒于目前的雷電致?lián)p特點，基于防雷器的防護方案是最簡單、經(jīng)濟、可靠的雷電防護解決方案。防雷器的主要作用是瞬態(tài)現(xiàn)象時將其兩端的電位保持一致或限制在一個范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)移有源導(dǎo)體上多余能量。防雷器的應(yīng)用是實現(xiàn)均壓等電位連接的重要手段。防雷器的一些主要技術(shù)參數(shù)：
額定工作電壓：指允許長期加在防雷器上的電壓；
額定工作電流：特指串并式電源防雷器的載流量；
通流能力：防雷器轉(zhuǎn)移雷電流的能力，以kA為單位，與波形形式有關(guān)。
防雷器在功能上分為防直擊雷的防雷器和防感應(yīng)雷的防雷器。
防直擊雷的防雷器通常用于可能被直擊雷擊中的線路保護，如LPZO(shè)A區(qū)與LPZ1區(qū)交界處的保護。用10/350μs電流波形測試，表示其通流能力。防感應(yīng)雷的防雷器通常用于不可能被直擊雷擊中的線路保護，如LPZO(shè)B區(qū)與LPZ1區(qū)、LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)交界處的保護。用8/20μs電流波形測試，表示其通流能力。
10/350μs電流波形與8/20μs電流波形在計算上能量比例為200：1，但實際上比例約為5：1左右，即通流能力為20kA（8/20μs）的防雷器可以承受4kA（10/350μs）的直擊雷電流。所以通流能力必須考慮雷電性質(zhì)和形式，在很多應(yīng)用中可以通用。
響應(yīng)時間：防雷器對瞬態(tài)現(xiàn)象起控制作用所需的時間，與波形性質(zhì)有關(guān)。響應(yīng)時間是防雷器的一個重要參數(shù)。
殘壓（限制電壓）：防雷器對瞬態(tài)現(xiàn)象的電壓限制能力，與雷電流輻值及波形性質(zhì)有關(guān)。一般通過雷電流越小，殘壓就越低。在末級保護里，殘壓必須低于設(shè)備絕緣強度。[page]
3 防雷器的選用
為了使防雷器的防護能力取得理想的效果，應(yīng)注重“在合適的地方合理地裝設(shè)合適的防雷器”，防雷器的選擇十分重要。
（1）進入建筑物的各種設(shè)施之間的雷電流分配情況如下：約有50％的雷電流經(jīng)外部防雷裝置泄放入地，另有50％的雷電流將在整個系統(tǒng)的金屬物質(zhì)內(nèi)進行分配。整個過程中絕大部分能量在LPZO(shè)A區(qū)、LPZO(shè)B區(qū)和LPZ1區(qū)交界處轉(zhuǎn)移。這個評估模式用于估算在LPZO(shè)A區(qū)、LPZO(shè)B區(qū)和LPZ1區(qū)交界處作等電位連接的等電位連接器、防雷器的通流能力和金屬導(dǎo)線的規(guī)格。該處的雷電流為10/350μs電流波形。在各金屬物質(zhì)中雷電流的分配情況如下：各部分雷電流幅值取決于各分配通道的阻抗與感抗，分配通道是指可能被分配到雷電流的金屬物質(zhì)，如電力線、信號線、自來水管、金屬構(gòu)架等金屬管線及其它接地，一般僅以各自的接地電阻值就可以大致估算。在不能確定的情況下，可以認為接地電阻相等，即各金屬管線平均分配電流。
（2）在電力線架空引入，并且沒有處在防直擊雷保護裝置保護之下，電力線可能被直擊雷擊中時，電力線上的雷電流將增大。進入建筑物內(nèi)保護區(qū)的雷電流取決于外引線路、防雷器放電支路和用戶側(cè)線路的阻抗。如內(nèi)外兩端阻抗一致，則電力線被分配到一半的雷擊電流。在這種情況下必須采用具有防直擊雷功能的防雷器。
（3）影響電力線雷電流分配的其它因素：
變壓器端接地電阻降低將使電力線中分配電流增大；
供電線纜長度的增加將使電力線中分配電流減少，并使幾根導(dǎo)線中有平衡的電流分配；
過短的電纜長度和過低的中性線阻抗將使電流不平衡，從而引起差模干擾；
供電線纜并接多個用戶將降低有效阻抗，導(dǎo)致分配電流增大，在連成網(wǎng)狀的供電狀態(tài)下，雷電流主要流入電力線，這是多數(shù)雷損發(fā)生在電力線處的原因。
（4）后續(xù)的評估模式用于評估LPZ1區(qū)以后防護區(qū)交界處的雷電流分配情況。由于用戶側(cè)絕緣阻抗遠遠大于防雷器放電支路與外引線路的阻抗，進入后續(xù)防雷區(qū)的雷電流將減少，在數(shù)值上不需特別估算。一般要求用于后續(xù)防雷區(qū)的電源防雷器的通流能力在20kA（8/20μs）以下，不需采用大通流能力的防雷器。后續(xù)防雷區(qū)防雷器的選擇應(yīng)考慮各級之間的能量分配和電壓配合，在許多因素難以確定時，采用串并式電源防雷器是個好的選擇。串并式是根據(jù)現(xiàn)代雷電防護中許多應(yīng)用場合、保護范圍、層次區(qū)分等特點提出的概念（相對于傳統(tǒng)的并式防雷器而言）。其實質(zhì)是經(jīng)能量配合和電壓分配的多級放電器與濾波器技術(shù)的有效結(jié)合。串并式有如下特點：
應(yīng)用廣泛：不但可以按常規(guī)進行應(yīng)用，也適合保護區(qū)難以區(qū)別的場所；
濾波器本身對雷電感應(yīng)的抑制；
感性退耦器件在瞬態(tài)過電壓下的分壓、延遲作用，以幫助實現(xiàn)能量配合；
減少過電壓、過電流的上升速率，以實現(xiàn)低殘壓與長壽命以及極快的響應(yīng)時間。
（5）防雷器的其它參數(shù)選擇取決于各個被保護物體所在防雷區(qū)的級別，其工作電壓以安裝在此電路中所有部件的額定電壓為準(zhǔn)。串并式防雷器還需注意其額定電流。
4 防雷器的安裝
（1）電源線應(yīng)實現(xiàn)多級防護，多級防護是以各防雷區(qū)為層次，對雷電能量的逐級減弱（能量分配），使各級限制電壓相互配合，最終使過電壓值限制在設(shè)備絕緣強度之內(nèi)（電壓配合）。在下列情況下，多級防護成為必須：
某一級防雷器失效或防雷器某一路失效；
安裝的防雷器的通流能力小于應(yīng)轉(zhuǎn)移的雷電流；
防雷器的殘壓高于設(shè)備的絕緣強度；
線纜在建筑物內(nèi)長度較長時。
（2）幾乎所有情況下的線纜防護，至少應(yīng)分成兩級以上，同一級防雷器還可能包含多級保護（如串并式防雷器）。為了達到有效的保護，可在各防雷區(qū)界面處設(shè)置相應(yīng)的防雷器，防雷器可針對單個電子設(shè)備，或一個裝有多個電子設(shè)備的空間，所有穿過通常具有空間屏蔽的防雷區(qū)的導(dǎo)線，在穿過防雷區(qū)界面同時接有防雷器。也就是說，防雷器應(yīng)安裝在防雷區(qū)的界面處，以符合防護的層次性原則，末級防雷器則應(yīng)靠近設(shè)備安裝，設(shè)備外殼實際上也提供了一個防雷保護區(qū)的交界處。另外，防雷器的保護范圍是有限的，一般防雷器與設(shè)備線路距離超過10m以上將使防護效果劣化，這是因為防雷器和需要保護的設(shè)備之間的電纜上有反射造成的振蕩過電壓，其輻值與線路長度、負載阻抗成正比。
（3）在使用電源防雷器的多級防護中，如果不注意能量分配，則可能引入更多的雷電能量進入保護區(qū)域。這要求用于第一級的防雷器根據(jù)前述評估模式估算，其通流能力要求較大，而后續(xù)防雷器的通流能力可逐級減少。
實現(xiàn)能量分配的要點在于利用兩級防雷器之間線纜本身的感抗。線纜本身的感抗有一定的阻礙雷電流作用，使雷電流更多地被分配到前級泄放。
一般要求兩級防雷器之間線纜長度在15m左右，適用于保護地線與其它線纜緊貼敷設(shè)或處于同一條電纜之內(nèi)的情況。
線纜上分支線路的長度對線纜要求長度有影響，適用于保護地線與被保護線纜有一定距離（>1m），這時要求線纜長度大于5m即可。
在一些不適合采用線纜本身作退耦措施如兩級防雷區(qū)界面靠近時，可利用專門的退耦器件，這時無距離要求。
（4）電壓配合是通過各級防雷器限制電壓值的逐級控制，最終將過電壓值限制在設(shè)備允許范圍內(nèi)。一般防雷器都有通過雷電流越大，殘壓越高的特點，通過能量分配后末級防雷器流過的雷電流極小，有利于電壓限制。
在一條線纜上的過電壓通過電壓配合一級級降低，這要求防雷器的殘壓逐級減少。
在流過同樣雷電流的情況下，防雷器的殘壓與其響應(yīng)電壓有關(guān)，注意在這種情況下，不考慮電壓配合而僅僅選擇低響應(yīng)電壓的防雷器作末級保護是危險的。比如末級防雷器響應(yīng)電壓過低導(dǎo)致其響應(yīng)提早，從而引入的雷電流增大，響應(yīng)殘壓會過高。
實現(xiàn)電壓分配的要點在于利用線纜本身的分壓作用，對其長度要求與能量分配一致。
在一些不適合采用線纜本身作退耦措施如線纜長度較短時，可利用專門的退耦器件，這時無距離要求。
（5）退耦器件是實現(xiàn)能量分配與電壓配合的重要措施，以下幾種材料可作為退耦器件：線纜、電感、電阻。
串并式電源防雷器就是一種考慮了能量分配與電壓配合，利用濾波器作為退耦器件的防雷器組合形式，適合于各種場合的應(yīng)用。
（6）在某些極端情況下，裝上防雷器反而會增加設(shè)備損壞的可能，必須杜絕這類情況發(fā)生。
防雷器保護幾條線，其中一條線上的防雷器失效或響應(yīng)速度過慢。比如當(dāng)雷電來臨時，L、N兩條線與地之間的電位被抬高。當(dāng)有一條線的防雷器失效或響應(yīng)速度過慢，如L相防雷器失效，則N相電位被拉下，而L相還處于高電位，使共模干擾轉(zhuǎn)化為差模干擾而損壞設(shè)備。這要求必須實施多級保護及注意防雷器的維護。
不考慮防雷保護區(qū)、能量配合、電壓分配而隨便安裝防雷器，比如僅僅在設(shè)備前端裝設(shè)一只防雷器，由于沒有前級保護，強大的雷電流將被吸引到設(shè)備前端，致使防雷器殘壓超過設(shè)備絕緣強度。這要求防雷器必須按層次性原則安裝。
（7）在另外一些情況下，錯誤的安裝將使設(shè)備得不到有效保護。
過長的防雷器連接線。根據(jù)雷電流在連接線上產(chǎn)生電壓的式子U=L•di/dt，假如接地線長達到5m，20kA(8/20μs)雷電流通過防雷器時，防雷器兩端電壓被限制在1kV，而連接線上由感抗引起的電壓卻達到了3.8kV，使得總的殘壓達到了4.8kV。這時，防雷器是工作了，但加在設(shè)備上的仍是危險電壓，這個問題在未級防雷器的應(yīng)用中更加明顯。
解決這個問題的方法是采用短的連接線，一般電源防雷器連線長度要求在25cm之內(nèi)。當(dāng)連接線長度超過該值時，可以采用兩根以上分開的連接線以分擔(dān)磁場強度，減少壓降，單純加粗連接線是沒有什么效果的。
必要時可通過改變被保護線的布線，使其靠近等電位連接排（接地點）以減少連接線長度。
防雷器輸出線和輸入線、接地線靠近、并排敷設(shè)。這種情況對串并式防雷器的影響比較嚴(yán)重。當(dāng)串并式電源防雷器的輸出線（已保護的線）和輸入線（未保護線）、地線靠近敷設(shè)，會使輸出線內(nèi)感應(yīng)出瞬態(tài)浪涌，雖然其強度較原來為小，但仍可能是危險的。
解決這個問題的方法是輸入線、地線與輸出線分開敷設(shè)或垂直敷設(shè)，盡量減少并行敷設(shè)的長度，拉開敷設(shè)的距離。
防雷器接地線沒有與被保護設(shè)備的保護地相連，即采取單獨的防雷接地。假設(shè)防雷器泄放20kA雷電流，不計防雷器限制電壓，防雷接地電阻即使是1Ω，在設(shè)備保護地與進線之間仍會產(chǎn)生20kV的危險電壓。
解決這個問題的方法是防雷器的接地應(yīng)與設(shè)備保護地相連。
（8）防雷器安裝的其它要求
前級防雷器一般安裝在進線處保險裝置后，末級防雷器應(yīng)安裝在漏電保護裝置前端。
對于有防直擊雷功能的大通流能力的防雷器，應(yīng)在每條放電支路上加裝保險裝置，容量為前置保險絲的0.6倍，以防燒毀線纜，并有利于維護。串并式電源防雷器應(yīng)在前端加裝與載流量相符的保險裝置。
防雷器除可以保護設(shè)備，也可以用于對干擾源的限制。比如在可能產(chǎn)生操作過電壓的設(shè)備前端裝設(shè)防雷器，可限制操作過電壓進入電網(wǎng)。
防雷器的連接線應(yīng)采用多股銅絞線，不應(yīng)采用單股銅芯線，以便于雷電流泄放。其線徑應(yīng)按等電位連接導(dǎo)體的方法估算。
（9）配電形式對電源防雷器保護模式的影響。
在TN－C，TN－S，TN－C－S系統(tǒng)里，雷電的干擾是共模干擾，故對電力線的保護模式應(yīng)該是相－地、中－地。
在TN系統(tǒng)里，負載不平衡、線纜長度短、中性阻抗低的，和TT系統(tǒng)以及一點接地的直流供電系統(tǒng)里，雷電的干擾很容易轉(zhuǎn)化為差模干擾，故對電力線的保護模式應(yīng)該是相－中、中－地。
5 其它說明
（1）這里僅僅簡單地探討了防雷器在電源系統(tǒng)中應(yīng)用的一些問題，在實際的防護工作中，對電源系統(tǒng)的線纜還應(yīng)該按照相關(guān)防雷規(guī)范做好屏蔽埋地引入、中性點接地和合理布線等基本措施。
（2）防雷器的防護效果取決于防雷器的選用和安裝技巧，所以應(yīng)向?qū)I(yè)防雷機構(gòu)或企業(yè)進行咨詢。
