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一、雷电的高效应及其危害
雷电是自然界大气的放电现象，地球上平均每秒钟有100多次雷电发生。
雷电蕴含着巨大的能量，其破坏力极强。
雷电产生的静电感应、电磁感应、热效应、力效应等等，均会引起不同的危害。
随着科学技术不断发展，现代高科技项目日新月异的研制，精密仪器、通讯设备、网络、高档家用电器应用范围日益广泛。
雷电造成的各类损害事故也在大量上升，其后果是使精密仪器、通讯设备、网络、家用电器等的损坏，甚至造成整个系统瓦解，经济损失巨大。
首先说明几个相关的名词：
1、直雷击：
指雷电直接发生在输配电线路上称为直雷击。
2、感应雷：
雷击落在配电线路附近，耦合到输配电线路上称感应雷。
以上两种方式均以暂态过电压出现危害到电气设备及人身安全。
3、热效应：
雷电击中金属导体或者其他物体时，强大的雷电流将变为热能，使物体发热，融化或燃烧，据有关资料介绍雷电产生的热效应足以使50~200mm3的钢块融化掉。
4、力学效应：
雷电流通过物体或导体时会产生强大的冲击力，可达5000~6000N。
作用时间极短，使被击物体断裂、破坏。
5、雷电流侵入：
当雷电波袭击到架空输电线时，架空输电线、通信线路、金属管道或电视天线上等等，会产生高电位大电流的雷电冲击波，并沿着管线和导线侵入到建筑物中，破坏电器设备。
6、操作过电压：
供电系统中电感性负载或开启或断开、故障的发生都可能在线路上产生瞬态操作过电压，其脉冲电压可以达到线电压的3.5倍（此电压一般比雷击过电压要低，甚至低得多），但也能危害电气设备或电子设备。
操作过电压的产生原因很多，如电梯、大功率空调机、冷冻机、大电机、变压器、电抗器、电容补偿器、熔断保险装置、接地、短路故障均可引起操作过电压，损坏电器设备。
二、如何采取防雷措施
由于雷电对人和设备的损坏影响越来越大，随着科学技术的发展，人们逐渐掌握对雷电的抑制方法和能力，使其降低到最低的损失。
外部防雷：
使用外部防雷装置，利用避雷针、避雷网等接地装置，通过引线的接地装置引雷入地，保护建筑物免受直击雷的损毁，在建筑物防雷系统中，全部雷电流有50%沿外部防雷装置进入大地。
内部避雷：
内部避雷是采取屏蔽等电位连接，过电压保护等措施，避免雷电或其过电压沿各种管、线侵入建筑物内部毁坏设备。
采取防雷措施的宗旨是：
逐级保护，逐级减小，降低到设备的安全电压允许范围内。
以一般TN系统供电形式为例，低压电源系统的保护器分为A.B.C.D四级保护，逐步将过电压降到设备绝缘能承受的水平。
1、A级保护：
一般由供电部门负责。
安装在变电站处，即配电变电器的低压侧。
若配电变电器与总配电柜距离小于20m，则此A级可与建筑物内部B级保护合并。
2、B级保护：
建筑物主配电柜处的保护，安装于建筑物的主配电柜中，承受首次雷击后，90%的能量和10/350μs的波形的分雷电流，其残压被限制在3500V左右。
3、C级保护：
建筑物内各层配电柜（箱）的保护，承受10%左右的雷击能量和20%辐值（8/20波形）的雷电流，残压被限制在1000V左右。
4、D级保护：
末端的负载保护，安装于终端配电箱或具体仪器设备处，D级承受5%左右的雷击电流和10%（18/20μs波形的雷电流）残压被限制在800V左右，此时就不会对设备的绝缘产生破坏性的过压了。
三、浪涌电压保护机理
基于以上原因，我们可以在供配电系统中使用浪涌保护器，以加强供配电系统的防雷能力，保护供配电系统及其他设备的正常运行。
根据浪涌保护器浪涌电压对设备干扰的作用方式不同，可分为差模干扰和共模干扰。
差模干扰是出现于回路中与正常信号电压相串联的干扰；
共模干扰是出现于回路与规定参考点（通常是地或机壳）之间的电磁干扰。
1、浪涌电压保护的基本要求
在电路没有干扰时，不影响设备的正常运行；
工作电路中一旦有浪涌电压侵入时，将浪涌电压抑制在设备可接受的数值范围内，保证设备在受到浪涌干扰时的正常运行，并且防止电路元器件和系统的损坏。
从电路联接关系的角度来看，保护的方式有两种，一是将设备从受干扰的工作电路中断开，二是给浪涌电压提供泄放通道，最终使浪涌电压不作用到被保护的设备上。
由于保护器件在系统正常工作和浪涌干扰时所表现出的电气性能完全不同，保护器件的伏安特性必须具有强烈的非线性特性。
而对于一般的元器件，其电阻基本不随运行工况的改变而变化，其伏安特性表现出良好的线性特征。
2、控制浪涌电压元器件分类
有一类元件，当其两端电压差值在正常范围内时，电阻很大，几乎没有电流通过；
一旦元件两端电压差增大到一定的门槛值时，电阻迅速减小，几乎为零。
利用这类元件可以做成并联型浪涌保护器。
图1a所示为工作电路示意图，图1b所示为正常工作时的等效电路图。
由图1b可知，正常工作时保护器呈现出无穷大电阻，端口K1-K2之间相当于开路。
图1c所示为浪涌电压侵入时的等效电路，保护器导通，K1-K2之间短路，泄放浪涌电量，使被保护设备两端的电压为零，从而保护了设备。
实际上，浪涌侵入时保护器不可能完全呈短路状态，两端电压也不可能达到零，只能达到一个较小的值，称作箝位电压，只要这个箝位电压小于被保护设备的安全电压，就能有效地保护设备。
另外有一类元件则具有相反的非线性特征，在正常工作电压下，电阻几乎完全为零，当控制电压（信号电压或电源电压）达到一定的门槛值时，元件马上呈现出很大的电阻值。
利用这类元件可以做成串联型浪涌保护器。
图2a所示为工作电路示意图，图2b所示为正常工作时的等效电路，保护器完全导通，对电路中的有用信号不产生任何影响。
图2c所示为浪涌电压侵入时的等效电路，由于其呈现出高阻态，电路相当于断开，使被保护设备免遭浪涌电压的侵入。
图1、图2所示为针对差模干扰的保护示意图。
3、共模干扰和差模干扰两种模式下的抗干扰保护方案（见表1）。
表1不同干扰模式的保护方案
干扰方式
并联型
串联型
共模干扰
分别并联于设备两端和地之间
分别串联于设备的两个端子入口处
差模干扰
并联于设备两端
四、浪涌保护器（SPD）的选择
浪涌保护器的电压保护水平Up应始终小于被保护设备的冲击耐受电压Uchoc，并大于根据接地系统类型得出的电网最高运行电压Usmax，即：
Usmax〈Up〈Uchoc。
1、三相配电系统中，被保护电气设备冲击耐受电压等级（见表2）。
表2三相电网电压为230/440V被保护设备冲击耐受电压（8/20μs）（据IEC60364-3）
冲击耐压类别
Ⅰ类
Ⅱ类
Ⅲ类
Ⅳ类
耐压水平
较低
一般
高
很高
负载类型
电子设备
家用设备
工业电器
例子
电视、音响、录象机、计算机等通讯设备
洗衣机、电冰箱、电动工具、加热器
电动机、配电柜、电源插头、变压器等
电气计量仪表、一次线过流保护设备
Uchoc冲击耐压（KV）
1.5
2.5
4
6
2、电网的最高运行电压Usmax（见表3）。
表3不同接地系统的电网最高运行电压Usmax
接地系统
TT
TN-S
TN-C
IT中性点配出
IT中性点不配出
电网最高运行电压（V）
345/360
253/264
398/415
3、选用SPD的五个原则
（1）基本原则
浪涌保护器的电压保护水平Up应小于被保护设备的冲击耐受电压Uchoc，即Up〈Uchoc。
（2）Up过高原则
如果进线端浪涌保护器的Up与被保护设备的冲击耐压相比过高的话，则需在设备处加装二级浪涌保护器，见图3，图中的P2即是为了降低Up而设置的。
（3）0.5m原则
浪涌保护器与被保护设备的两端引线应尽可能短，即0.5m原则，见图4。
当浪涌电压侵入时，负荷两端的等效电压Ueq=U1+U2+U3，其中U2即为SPD的最大钳压Up。
而U1与U3在工频电流流过时的电感和电阻效应都很小，可忽略不计，但在高频情况下，电感效应很大，不能忽略。
电感电压UL=-L*di/dt，对于8/20μs电流波，L取为1μH/m。
下面两例可说明引线的长度影响加在负荷上的冲击过电压。
设电流峰值Ipeak=10KA。
例1：
L1=0.8m,L2=0.5m,di/dt=10KA/8μs
则Ueq=L1*di/dt+Up+L2*di/dt=Up+1625（V）
例2：
L1=0.25m,L2=0.25m,di/dt=10KA/8μs
则Ueq=L1*di/dt+Up+L2*di/dt=Up+625（V）
可见，例2中的Ueq远小于例1中的Ueq，负荷可得到有效保护。
因此，浪涌保护器安装接线时要求引线L1+L2＜0.5m，并且越短越好。
（4）SPD两级配合的10m原则
为提供最佳的保护，即既能承受更强的电流又有较小的残余电压，通常应用浪涌保护器作一级及二级保护。
一级保护能承受高电压和大电流，并应能快速灭弧。
二级保护用来减小系统端的残余电压，它应具有较高的斩波能力。
两级浪涌保护器之间的最短距离为10m。
见图5。
浪涌保护器P2安装在P1的下级，通常它的各项参数指标都比P1小，如果它与P1安装得过近，P2有可能比P1更早动作，从而要承受本应由P1承受的高能量。
为了避免这种情况，通过增加P1和P2之间的接线长度来使P2上承受的电压下降，因P2两端的电压等于P1两端的电压减去电缆上的感应电压。
给定P1的触发电压为2.5KV，P2的触发电压为1.5KV，欲使P2动作，其两端的电压至少要达到1.5KV，而此时P1两端的电压已为U1+U2+U3，即1000+1500+1000V，P1的触发电压2.5KV，于是P1会在P2达到它的触发电压前动作，把电流导入大地，释放了引起过电压的能量。
而P2在P1两端的残余电压超过3.5KV时提供第二级保护。
（5）30m原则
当进线端的浪涌保护器与被保护电气设备之间的距离大于30m时，应在离被保护设备尽可能近的地方安装另一个浪涌保护器，见图6。
反之，如果不增加一级保护，由于电缆距离较长，P1上的残压加上电缆感应电压仍可能损坏设备，不能起到保护作用。
五、浪涌保护器（SPD）的安装方案
1、TN-C系统中浪涌保护器接线示例（见图7）。
2、TN-S系统中浪涌保护器接线示例（见图8）。
3、TT系统中浪涌保护器接线示例（见图9）。
（RCD-漏电保护器）
4、IT系统中浪涌保护器接线示例（见图10）。
六、应用浪涌保护器（SPD）的保护配合
1、浪涌保护器（SPD）的保护
浪涌保护器都有最大通过电流Imax，这是浪涌保护器不被损坏而能承受的最大电流，当超出这个值或长期工作于感应过电压状态时,浪涌保护器被击穿造成短路。
在图11中,如果浪涌保护器上未串接断路器D2,则线路断路器D1跳闸,由于故障电流Icc仍存在,只有浪涌保护器被更换后,D1才能重新合闸,这样系统就不能保证供电的连续性。
解决上述问题的措施是在浪涌保护器的上端串联一个断路器，如图11中D2。
断路器的额定电流要根据浪涌保护器的最大放电电流Imax来选择，并采用C型脱扣曲线，其分断能力必须大于安装处的最大短路电流。
见表4。
并且要求断路器在额定电流下施加20个标准的8/20μs和1.2/50μs测试脉冲时不脱扣，但浪涌保护器短路时要确保动作。
表4保护用断路器D2选择
Imax（KA）
曲线类型
电流（A）
8—40
C
20
65
50
2、浪涌保护器（SPD）与漏电保护器（RCD）的配合
在出现大气过电压时，浪涌保护器将过电流泄放入地时要保证电源的漏电保护开关不能动作。
应在电源进线端采用I△n=300/500mA，并带延时跳闸的漏电保护开关，在设备端选择I△n=30mA的漏电开关，对特别重要负荷（如计算机等）采用SI型漏电开关，SI型对大气过电压不敏感。
这样配置的配电系统，可保护上、下级的选择性，同时与浪涌保护器也可得到很好地配合，见图12。
3、浪涌保护器（SPD）防老化措施
浪涌保护器正常泄漏电流很小，但泄漏电流会随雷击次数的增加而增加，导致器件发热老化，绝缘性能变差。
因此，浪涌保护器一般都应带有在达到最大可承受热量前即断开浪涌保护器的热分断装置，并要求带温度失效指示，还可带远程指示，见图13。
七、结束语
建筑物的防雷击电磁脉冲已越来越被人们所重视，如何进行防雷击电磁脉冲，合理地应用SPD来保护系统和设备是必须认真考虑的问题。
在防雷击电磁脉冲方面应首先做好建筑的接地、屏蔽等措施，为之提供一个良好的电磁环境，并对工程作一个评估，确定系统和设备需耐受的预期最大的浪涌电压。
根据不同的配电系统来安装SPD，SPD的参数必须与被保护设备相匹配，选择技术性能比较高的产品，来保证所保护的设备的安全、可靠地运行。
参考文献
（1）建筑物防雷设计规范.GB50057-94.2000年版.北京：
中国计划出版社，2001
（2）低压电器：
2002.1、2002.2、2002.3等有关浪涌保护器的文章。
（3）
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