淺談電源電涌第三級保護-防雷、防火，確保用電安全！

淺談電源電涌第三級保護-防雷、防火，確保用電安全！

深圳市碧通電子有限公司   藍開平

摘要：論述電源電涌第三級保護必要性，提出做好電源電涌第三級(含D類)保護的一些建議。

關鍵詞：電源電涌保護  三級防雷  電涌保護  靜電保護

   在21世紀信息時代，雷電災害所涉及的范圍幾乎遍布各行各業。尤以大規模集成電路為核心組件的通信、計算機網絡、測量、監控、電器等先進電子設備廣泛運用于電力、航空、國防、通信、廣電、金融、交通、石化、醫療以及其它現代生活的各個領域。由于這些電子設備普遍存在著對暫態過電壓、過電流耐受能力較弱的缺點，因雷電和其它形式的電涌侵入電器設備內部，造成干擾、損壞的災害事故呈逐年上升趨勢。根據歷史統計資料分析，在雷擊損壞電器設備的事故中，有70%以上是從供電線路侵入的。因此，電源系統防雷是電子設備及其系統防雷的重要環節。

   對建筑物及其電子信息系統的電源供電線路實施多級防雷是綜合防雷的重要組成部分，這是防雷業界的共識。電源系統第一、第二級防雷保護，從防雷設計、設備配置、安裝到檢驗，無論是設計方、施工方、建設方和工程驗收方都極為注重，一般都能達到國家有關標準要求。關于電源系統第一、第二級防雷，已有很多文章論述，在此不再重復。下面對電源系統第三級防雷（電涌保護）進行淺析和探討。

   對于電源第三級防雷保護的必要性和重視程度，有一個認識問題。作者從建筑設計院設計師了解到，許多建筑設計中，對電源第三級防雷都不涉及，只設計電源總配電和大樓分配電的防雷（即電源第一級和第二級防雷）。究其原因，電器設備的配置在設計時往往都是變數，需要保護的電器設備除機房外都比較分散，數量也多。除此之外，工程的復雜性，工程費用的增加，對工程施工方和建設方來說，在某種程度上都會帶來負擔。因此，在防雷工程實施中往往被“疏忽”或淡化。這樣，防雷系統第三道防線就成了問題。舉一個雷擊損壞電器設備的案例：某機場建在海波高度200米山上的一座雷達站，地處雷暴高發區，實施防雷工程時，建了避雷針和接地系統，且在總配電房和機房安裝了第一和第二級電源防雷器。1994年夏天，雷電擊中山腳附近的架空三相電源供電線路，造成山下水泵房電源配電箱嚴重損毀，山上雷達站電源設備（包括UPS整流二極管9只、大功率管5只、500V/15A保險管13只）和雷達9塊控制電路板損壞，雷達癱瘓，經濟損失約200萬元。這次事故發生在電源架空線上，我們在這里只探討電源的防雷保護。上述的總配電房和機房配電箱安裝的一、二級電源防雷器均未損壞，可是電源設備損壞卻如此嚴重。有人懷疑是防雷器質量有問題，作者認為不完全如此。安裝的電源防雷器性能和可靠程度不清楚，但它對強雷電的侵入未能遏止住是肯定的�；仡^仔細分析，也不能全怪怨兩只電源防雷器，如此強大的雷擊，兩處電源系統嚴重損壞甚至冒煙起火，兩只電源防雷器能頂得住嗎？假如當時電源安裝了第三級防雷器，筑起了一道完善的防線，雷達站雷擊損壞可能是另一種狀況，起碼損壞不會那么慘重。

    電源第三級防雷保護能起多大的作用？

   電源防雷器，無論是第一級、第二級還是第三級，都是并聯在電源線路上的，對侵入電源線路的雷電流都同樣起分流作用，將雷電流疏通至接地極釋放，使電路過電壓逐級下降。電源第三級防雷器使第二級的殘壓進一步降低，也減輕了第一、第二級防雷器的分流負擔。像上述雷達站雷擊情況，強大的雷電流僅靠電源的第一、第二級泄放是困難的。第一級SPD響應慢，第二級SPD分流能力有限，往往是還來不及釋放，部分雷電流就已經跨過了第二級，使第二級輸出的殘壓過高，雷電的能量有待進一步釋放。據此就不難明了上述雷達站雷擊事故的因果關系。一臺或多臺電源第三級防雷器的共同參與分流作用，可使雷電流釋放更加充分，殘壓進一步降低，達到電器設備的安全要求。

    這里列舉另一雷擊的案例：2005年5月，廣東省東莞市某玩具廠發生一次雷擊事故。雷擊把該廠安裝在電腦主服務器電源端口處的電源電涌保護器打壞，冒出濃濃的黑煙，防雷器電路板嚴重損毀，防雷的關鍵元件壓敏電阻爆裂。幸運的是電腦服務器并未損壞，拆下電源電涌保護器，接上電源，電腦服務器正常工作。該廠于2004年底為完善防雷系統，安裝了電源和信號線路防雷設備，包括四級電源防雷保護（總配電、分配電和電子系統主機分別裝了一、二、三級防雷器，有十臺電腦電源端口特別加裝了2.5KA的電涌保護器作精細保護！）和電腦、電話和監控信號線路防雷。這次雷擊除前述的電腦服務器的電源電涌保護器（電源第四級SPD）損壞外，其它的防雷器和電器設備都未損壞�？上攵�知，是電源第四級SPD起了關鍵作用而挽救了該廠的電腦服務器，也是電源多級防雷所起的綜合防護作用的結果。因為，雷電（感應）進入電源線路后，不可能有明確的走向，而是隨機的，哪里的接地電阻小，雷電流就往哪里流。這次雷電流在進入電腦服務器之前，其安裝的電源電涌保護器起到了分流、限壓的作用，保護了電腦服務器。而該電涌保護器因流過的雷電流過強損壞是正常的現象。這次雷擊事故充分的說明了電源多級防雷抗電涌的重要性和它對電器設備系統所起的保護作用，也提醒我們，電源第三級SPD必不可少，重要的關鍵設備還應做電源第四級SPD的精細保護，以保障電器設備的安全。

   上面談到的電源三級防雷是針對雷電侵入電力系統干線考慮的。實際的電力設備系統的部分終端離分配電柜（第二級防雷）還有一定的距離，這段線路感應雷電仍然存在。特別要提及的是近幾年，高層樓宇越來越多，樓越高、受雷擊的幾率也越多。當雷電擊中高樓的避雷針、避雷帶時，雷電流沿引下線（通常為建筑物的鋼筋）流下向大地釋放時會產生電磁場，使周圍的金屬感應雷電，其中就包括樓內的電源線路。高樓的總配電（第一級防雷）通常放在樓底。這樣，高層樓宇電器設備防感應雷主要靠電源第三級SPD。

   電涌保護器（SPD）除防雷功能外，還具有抗電涌、防靜電功能。日常產生的電涌的面很廣，如電源的開和關，電源的插拔，電梯、電閘門、電動機的啟動和停止，電鉆，電焊，電器設備損壞和電線短路等都會產生電涌。與雷電相比，雖然電涌的脈沖電壓較低，但其脈沖寬、持續時間長，強度仍然不小。電涌足于干擾和損壞電器，甚至殃成火災。且電涌發生在電源系統內部，電源干線、支線、發電機、變配電裝置、UPS、交直流電源、甚至電器設備終端都可能發生。一旦發生就會直接進入電器設備內部，造成電器設備的損壞。且電涌平時就經常發生，防不勝防！所以，電涌對電器設備的威脅很大，不可等閑視之！

   靜電，當雷云或其它帶電物體與金屬導體靠近時，金屬導體會感應出與帶電物體極性相反的電荷，靜電電荷若得不到及時的釋放，其電壓會越積越高，可達幾百伏至上千伏。靜電一旦在電源線路上形成，將威脅電器的安全。

   電涌、靜電和雷電的性質一樣，其防護都可以通過浪涌（電涌）保護器（SPD）加以抑制。前面電源保護器統一稱作電源電涌保護（電源SPD）比較恰當。根據雷電、電涌和靜電所具有的特性，在電源系統發生的部位及其對電器威脅的程度，可以看出第三級電源SPD保護的范圍更廣，對各種電涌的吸收更有效，其功能和作用并不亞于第一、二級電源SPD。因此，在建筑及電器設備系統的電源系統實施防雷時，只有同時做好三級電涌保護，才能有效的防范雷電、電涌和靜電對電器的侵襲，從而保障電器設備的安全。防雷工程的實踐，也充分證明了這一點，無論工程項目范圍大小，凡是在做好第一、二級電源防雷的同時，較為完善地解決好電源第三級防雷，防雷工程就能達到良好的效果。在此，需特別強調的是不要忽視第三級電源SPD保護，否則將前功盡棄，殃成惡果！尤其是高層樓宇、電源線路長和跨樓的電器、露天的電器終端、無人值守的基站、機房、監控、監測和監管中心等等，第三級電源SPD保護應著重和加強。電腦機房、監控中心等設備數量多和集中的場所，建議在其配電箱按第二級電源SPD保護處理，在其重要設備終端安裝第三級電源SPD。而特別重要的電子信息系統的關鍵設備，如電腦網絡中的服務器，在其設備的電源端口再串接保護水平低的電源SPD作精細保護也有必要。建筑和電器設備系統未做或不完善的三級電源SPD，一定要加以完善。

    第三級（D類）電源SPD在其他方面的應用：

   上述電源三級電涌保護，真正進行實施的目前還不多，仍停留在某些高端的信息系統（如電腦網絡、通訊系統、監控系統等）、重要單位和部門（公安、海關、指揮部等）和重要場所（雷達站、電站等），還有許許多多的各種電器設備，不僅沒有做三級電源電涌保護，甚至連電涌保護都未沾上邊。如電梯、水氣泵站、通信站、監測站、停車場、地磅、商場、學校、醫院等企事業單位的電腦、電器及千千萬萬的家庭電器- - - - - -幾乎成了被遺忘的角落。這里有認識問題，缺乏防雷抗電涌的安全意識；絕大多數樓房在建設時，就沒有設計和實施電器的防雷抗電涌保護；有的有僥幸心理，以為多年都未遭受雷擊傷害等等。這樣，這些分散的數量眾多的電器設備成了雷擊的“目標”、電涌的“標的”。從廣東省氣象局防雷檢測所收集的雷害事故的資料了解到雷害事故讓人觸目驚心，據不完全統計，廣東平均每年的雷害事故造成的經濟損失近三憶元人民幣。其收集的案例表明雷害事故損壞的大部分都是分散且沒有防雷保護的電器設備。如此眾多的電器設備按三級電源SPD的要求實施，有許多困難，也不現實。對其中部分貴重的電器設備安裝第三級（D類）電源電涌保護器（屬于最基本的防雷抗電涌保護），仍然很有必要，實施起來也不難。D類電源SPD雖然其承受雷擊的抗浪涌能力不如一級（B類）、二級（C類），但其通流量足以抵御感應雷擊和較弱的雷電波、工業電涌的侵入，且響應快速，殘壓低，而感應雷擊占雷擊傷害事故的85%以上。因此，D類電源電涌保護器對安裝在室內的電器設備防感應雷擊和電涌能起著良好的保護作用。D類電源SPD的價格低、性價比高，無需專門做防雷接地（利用電源工作地即可�。�，安裝容易，普通電工即可操作安裝。

    為防止雷電及各種形式的電涌侵入電器設備內部造成干擾、損壞和災害事故，各類電器設備都應安裝D類電源SPD�！巴鲅蜓a牢”還未晚，否則還會“亡羊”，千萬不要有僥幸心理。

    第三級（D類）電源SPD的選擇：

     第三級（D類）電源SPD宜采用下述電路：

    特點：

    1.能有效抑制共模和差模電涌；

    2.適合于多種制式的電源系統；

    3.流過MOV漏電大大減小，延長SPD待機壽命；

    4.PE與N隔離，安全可靠，可避免地電位升高對電源和設備的影響。

    特點：

    1.共模、差模全保護模式，殘壓低；

    2.響應快，響應時間≤25ns；

    3.PE與N隔離，安全可靠，避免地電位升高對電源和設備的影響；

    4.接地線極短，有利于電涌釋放。

   第三級（D類）電源SPD的主要性能包括標稱放電電流、最大浪涌放電電流、保護水平和響應時間等。對第三級（D類）電源SPD，各地的標準不一樣。德國采用1至5KA的標稱放電電流（8/20μs）；我國沒有統一的說法，通常采用5至15KA的標稱放電電流（8/20μs）或10至25KA的最大放電電流（8/20μs）。電源SPD的放電電流究竟多大合適，這要根據安裝場地的環境（電涌性質、強度和出現的幾率）、電源線路的狀況（長度、有無屏蔽、室內還是室外鋪設）和被保護電器重要程度及其抗電涌能力和要求等選擇。在滿足電源系統長期穩定工作的情況下，SPD持續工作電壓要低，以獲得較低的保護水平。當然，SPD的保護模式、泄流的過熱脫扣保護、安全故障、告警指示以及SPD適應的電源系統制式等都應加以考慮。選擇性能優良、質量可靠且能與電源SPD前兩級能量相配合的SPD是第三級電源電涌保護的關鍵，一定要嚴格把關，

    第三級（D類）電源SPD的安裝：

    第三級（D類）電源SPD應安裝在靠近電源設備的電源接口處。SPD接地端與電源工作接地（PE）連接，連線應盡可能的短和直，長度一般不應大于0.5米。若電源無工作接地，應另做防雷接地。防雷接地的做法可采取把建筑物墻柱鑿開小孔，露出鋼筋，焊上一根帶螺栓的鋼條，再用一根帶圓孔接頭的銅導線與SPD連接，接地電阻≤10Ω

    電源電涌保護，除上面談及的安裝第三級（D類）電源SPD 外，根據實際情況，還應做好屏蔽（線路、機房、設備），等電位連接，建立聯合共同接地系統等，將三級電源SPD保護認真做深、做細、做好，筑起一道電涌無法逾越的防線，保障信息系統和電器設備的安全。

    水平有限，文章中不當之處再所難免，誠請專家和同行指正。

參考文獻：

1.建筑物防雷設計規范GB50057-94（2000年版）；

2 根據雷擊因數正確選擇SPD的通流容量  （信息產業部郵電設計院：劉吉克）。

3.新一代多功能電源安全插座

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