防雷器的参数与应用

    随着通信技术、计算机技术、信息技术的飞速发展，我国已进入是电子化时代。日益繁杂的事务通过电脑、自动化和通信设备的处理得以井然有序。而这些电子设备的工作电压却在不断降低，其数量和规模又在不断扩大，因而它们受过电压特别是雷电袭击而遭受损坏的可能性就显著增加了。这是由于以雷击中心1.5～2.0KM范围内都可能出现危险电压破坏线路上的设备。其后果可能使整个系统的运行中断,造成难以估计的经济损失.雷电和浪涌已成为电子化时代的一大公害.

 

有资料给出全球雷击的一些统计数字:

  l 全球每年有数以千计的人死于雷电事故；

  l 全球平均每年发生1,600万次闪电;

l 在马来西亚每年有近280天是雷暴天,而印尼则高达322天;

  l 根据记录,直击雷的最大电流可达210kA,其平均值也有30kA;

  l 每次雷击所产生的能量约550，000kWh;

  l 雷电所产生的温度高达3,000K;

  l 根据IEEE统计,在一处电网中每8min便有一个过电压产生,相当于每14h就有一次破坏性冲击;

  l 据统计,在欧美国家每年有20%～30%的电脑故障是由感应雷造成的;

  l 在我国广东省每年有雷击1000多次,造成直接或间接损失达数亿元。

   为了预防这种灾害所造成的损失，一些单位都要安装防雷器（Arresters），它是在最短时间(纳秒级)内将被保护的线路接入等电位系统中，使设备各接口等电位，同时释放电路中因雷击而产生的大量脉冲能量泄放到大地，降低设备各接口端的电位差，从而保护线路上的用户设备。对系统设备而言，电源线路和信号线路是雷电袭击产生过电压并进行传导的两条主要通道，因此防雷器分为电源系统防雷器和信号系统防雷器两类。

 

1. 防雷器的主要技术参数

   (1) 标称电压UN

   该值与被保护系统的额定电压相符，在信息技术系统中此参数与选用的保护器的类型相对应，它标出交流或直流电压。比如在单相供电中一般标为230V/50Hz。

   (2) 额定电压Uc （最大持续操作电压）

   这个值表明了保护器的最大持续工作电压。即能够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。比如385V AC、 500V DC。

    (3) 额定放电电流Isn

    它指给保护器施加如图1所示8/20μs脉冲宽度的标准雷电波冲击10次时，保护器所能耐受的最大冲击电流峰值。该图是国际上如IEEE-587，BS6651，IEC1024和UL等用于测试防雷器性能的雷电模拟冲击波的标准波形。比如20kA，40kA等。

图1 雷电模拟冲击波短路电流波形

    (4) 最大放电电流Imax

    它指给保护器施加上述8/20μs脉冲宽度的标准雷电波冲击1次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。比如型号为ZYSPD40K385B防雷器的Isn=40kA时，Imax=60kA。

     (5) 电压保护级别Up

     它指在下列测试中，防雷器两端的电压最大值，这里有两项测试内容：

     额定放电电流时的残压值,如ZYSPD20K385C/4时防雷器的残压值<1.6kV。

     施加上升率为1kV/&micro;S时防雷器两端的电压值，如ZYSPD-T-RJ11/2防雷器的电压保护级别<260V。

    (6) 响应时间tA

    这个值反映在在保护器内特殊元件的动作灵敏度和击穿时间,在一定时间内的变化取决于 dμ/dt或di/dt的斜率,防雷器的响应时间在10～100ns之内。

    (7) 数据传输速率Vs

    表示在一秒内传输多少比特（bps）的信息，

    是数据传输系统中正确选用防雷器的参考值。防雷保护器的数据传输速率取决于系统的传输方式；比如网络信息保护线路的保护器ZYSPD-N-系列适用于网络信息、数据传输线路设备的过压保护，这类防雷器适用于500kbps～100Mbps传输速率的线路。

    (8) 插入损耗AE

    它主要指的是信号线路保护器，其含义是在给定频率下保护器插入前和插入后的电压比率。比如用于高频天线馈线的保护器ZYSPD-C-系列的插入损耗AE<0.5dB。

     (9) 回波损耗AR

     它主要指的是用于高频天线馈线的保护器。是指传输信号的前沿波在保护设备（反射点）被反射回去的比例，是直接衡量保护设备同系统阻抗的匹配性能。比如用于高频天线馈线的保护器ZYSPD-C-系列，其回波损耗≥20 dB。

2. 防雷器的分类

   （1）雷击与瞬间过电压分类

    最严重的是直击雷，当直击雷发生时，由于其二次感应效应通过电阻性及电感性途径破坏电子设备。实际上，造成破坏的真正原因是因为客观存在在电源线、信号线或数据线上产生了瞬间冲击电压（在毫秒与微秒级之间），这个瞬间冲击电压的峰值远远大于一般设备所能承受的700V。根据国际上防雷标准如AS1768、IEEE-587、IEC-1024等把一个建筑物的电源输入线及数据线所能感应到的最高电压和电流分为A、B、C、D、E五个区域，每个区域的最高感应电压和电流又视此建筑物所在位置的不同而分为高、中、低三级雷击风险度，不同风险度又有不同感应电压和电流。

  （2）防雷器分类

   根据设备所处不同区域的类别选用不同等级的防雷器是必要的。因此，防雷器也根据不同区域和使用特点而制造出种类繁多的品种。

    ① 用于A区的交流电源防雷保护器

    该区的特点是：可能出现直击雷，雷电电压高，当然放电电流也大，保护器在该区的作用是把上万伏的雷电电压抑制在一定电压以下，以保护线路上的用电设备。比如ZYSPD40K系列防雷器，在额定放电电流40kA时的残压≤2.2kV。这种防雷器可用于三相四线制及单相二线制交流电源系统。

    ② 用于B、C区的交流电源防雷保护器

    该区的特点是感应雷，雷电电压远低于A区，用在该区的防雷器额定放电电流一般为20kA，残压一般在1.5kV以下。这种级别的产品适用于三相或单相交流电源系统。如ZYSPD20K系列防雷器就属于这一类。

    ③ 用于D区的交流电源防雷保护器

    该区的特点同样是感应雷，雷电电压低于B、C区，用在该区的防雷器额定放电电流一般为10kA，残压一般在1.2kV以下；如ZYSPD10K系列防雷器。

    ④ 用于直流电源的浪涌吸收保护器

    此类保护器是专门用于12V、24V等直流电源系统的过压保护，它可以将保护电压等级保持在60V以下。属于该类的产品如ZYSPD05K系列。

    ⑤ 双绞线通信线路防雷保护器

    主要用于双绞线通信信号线路设备的防雷保护。如程控交换设备、传真设备、电子电话、警报发生器等。属于这种功能保护器的产品有ZYSPD-T系列。

    ⑥ 网络数据线路防雷保护器

    它主要用于广域网和局域网数据、信息传输线路设备的防雷保护，如DDN专线、HUB、DTU等设备。属于这种功能保护器的有ZYSPD-N系列。

    ⑦ 高频天馈线防雷保护器

    因为天馈线是直接暴露在户外的，在雷雨天气时很容易受雷电感应并传导引入其发送接收设备，导致设备受损。由于这种保护器要串联在馈线中，所以必须保持和馈线有良好的阻抗匹配，以避免有较大的反射波（回波）。一般常用同轴天馈线的特征阻抗为50Ω、75Ω和93Ω。属于此类保护器的产品有ZYSPD-C系列。

    3. 防雷器的安装

    根据TN和TT两种供电系统，电源防雷器有两种安装形式：

    ① 在TN供电系统中，三条火线（L1、L2、L3）和零线（N）对地（PE）安装防雷器，称为L-PE，N-PE保护，如图2（a）所示；

    ② 在TT供电系统中，三条火线（L1、L2、L3）对零线（N）安装防雷，然后零线（N）对地（PE）再安装防雷器，即所谓L-N，N-PE保护，如图2（b）所示。

    信号线防雷器的安装由于它们的外形完全是按照被保护设备的要求设计的，而且在说明书中也给出了安装方法，所以是很容易安装的。

     上述各种防雷器性能再好，如果没有很好的接地装置也是难以奏效，因为以千安计算的强大雷电流要在地电阻上形成很高的电压，接地电阻越大，这个电压就越高。因此，尽量把接地电阻做小是有效防雷的基础条件。