低压避雷器的选择与安装.docx
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低压避雷器的选择与安装
广东海洋大学
专科生毕业论文（设计）书
题目
低压避雷器的选择与安装
作者姓名
黄大伟
所在专业
电子信息工程（防雷工程技术）
所在班级
防雷032班
指导教师
冷丁丁
职称
讲师
提交时间
2006年5月14日
目录…………………………………………………….2
摘要…………………………………………………….3
第1章认识避雷器………………………………..3
1.1SPD作用与目的………………………………3
1.2SPD分类与使用场合…………………………….4
1.3各类SPD主要参数与构成………………………5
1.4各类SPD工作原理………………………………8
1.5各类SPD的优缺点……………………………..9
第2章在系统中，怎样选择SPD各级SPD之间的线距…11
2.1在系统中，选择SPD时前期要准备的工作………12
2.2在系统中，具体怎样选择SPD………………………12
2.3在生活场所当中，是怎样选择SPD………………13
第3章低压电源SPD主要接线方式和注意事项…………16
3.1低压电源系统SPD主要接线方式……………………16
3.2安装使用与维修应注意的事项……………………17
鸣谢………………………………………………………………18
参考文献…………………………………………………………18
第一章认识避雷器
摘要雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的灾难，雷电灾害对国民经济和生命安全造成的危害日趋严重。
所以防雷意识的加强，做好防雷减灾工作，将雷电灾害降到最低点，尤其显得紧迫和必要，并被社会各界和越来越多的人们所重视。
关键词避雷器的作用与目的，分类与使用场合，主要参数与构成，工作原理，优缺点，选择与安装
1.1SPD作用与目的
雷电以其巨大的破坏力给人类社会带来了惨重的灾难，雷电灾害对国民经济和生命安全造成的危害日趋严重。
所以防雷意识的加强，做好防雷减灾工作，将雷电灾害降到最低点，尤其显得紧迫和必要，并被社会各界和越来越多的人们所重视。
自富兰克林发明避雷针以后，建筑物得到了有效的保护。
然而在信息时代的今天，电脑网络和通讯设备越来越精密，其对工作环境的要求越来越高，而雷电以及大型电气设备的瞬间过电压会越来越频繁的通过电源、天线、无线电信号收发设备等线路侵入室内电气设备和网络设备，使设备或元器件损坏，传输及存储的信号、数据受到干扰或丢失，甚至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪，造成系统停顿、数据传输中断、局域网乃至广域网遭到破坏，其危害巨大，间接损失一般远远大于直接经济损失。
自动控制系统、计算机网络系统、计算机监控系统等等设备的芯片的工作电压都是在几伏特到几十伏特之间，工作电流都是在几个毫安，对外界的干扰极其敏感。
所以防止过电流和过电压对设备的危害是直接影响到供电系统的安全生产。
我们把瞬间过电流、过电压的叫做电涌，造成电涌的渠道主要来自雷电的感应和投切过电压。
雷电流产生的瞬变电磁场对微电子设备的干扰和损害也尤为严重。
避雷器，又叫电压限制器，它的作用是把已进入电力线，信号传输线的雷电高电压限制在一定范围之内，保证用电设备不被高电压冲击击穿。
1.2SPD分类与使用场合
（1）SPD各种分类
按使用非线性元件的特性（设计电路拓扑）：
电压开关型SPD、电压限制型SPD、混合型SPD.
按使用的性质分类（功能）：
电源系统SPD、信号系统SPD和天馈系统SPD、等电位连接SPD。
按SPD的端口型式分类（设计人员）：
一端口（又称单口）SPD、两端口（又称双口）SPD
其它分类方式：
按安装的环境（位置）分为室内用或户外用；
接触性分为可接触或不可接触
按安装方式分为固定式或卡接可移式等
.
（2）下面重点介绍三种SPD。
电压开关型SPD：
具有大通流容量（标称通流电流和最大通流电流）的特点，特别适用于易遭受直接雷击部位的雷电过电压保护。
（即LPZ0A——直击雷非防护区。
）
电压限制型SPD：
当没有浪涌出现时，SPD呈高阻状态；随着冲击电流及电压的逐步提高，SPD的电阻持续下降。
这类SPD又称箝压型SPD，是大量常用的过电压保护器，一般适用于户内，即IEC规定的直击雷防护区（LPZ0B）、第一屏蔽防护区（LPZ1）、第二屏蔽防护区（LPZ2）的雷电过电压防护。
混合型SPD：
开关型元件和箝压型元件混合使用，随着施加的冲击电压特性不同，SPD有时会呈现开关型SPD特性，有时呈现箝压型SPD特性，有时同时呈现两种特性。
1.3各类SPD构成与主要参数
（1）各类SPD的构成
各类SPD的主要元件：
放电间隙与气体放电管、压敏电阻、火花间隙、瞬态抑制二极管、齐纳二极管、雪崩二极管、滤波器、热敏电阻。
下面就重点的介绍其中两种：
放电间隙和压敏电阻。
放电间隙又称保护间隙，是由两个金属电极构成的一种简单的防雷保护装置。
其中一个电极固定在绝缘子上，与带电导线相接，另一个电极通过辅助间隙与接地装置相接，两个电极之间保持规定的间隙距离（8～25mm）。
压敏电阻是一种以氧化锌（ZnO）为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻元件；因其电阻对电压较敏感而得名（当电压达到一定数值时，电阻迅速导通）。
压敏电阻内部主要成分是MOV阀片。
MOV阀片的主要成份为氧化锌并渗有少量的其它氧化物，外层由两层铅和一层塑料涂层组成。
（2）氧化锌避雷器压敏电阻的参数
1.压敏电压
当温度为20℃，一般认为在MOV阀片上有1mA电流流过的时候，相应加在该阀片上的电压叫做压敏电压。
应按如下公式计算：
VN≥（VNH×2/0.7）×1.2
式中：
VN――MOV阀片压敏电压值
VNH――电源额定电压值（有效值）
压敏电压冲击前后的变化率应小于±10%
2.漏电流
MOV阀片在标称持续工作电压下流过阀片的电流称为漏电流。
按国家标准应小于30μA。
冲击前后的变化率应小于200%。
3.残压及残压比
在规定波形、标称放电电流冲击氧化锌阀片，阀片两端测到的电压峰值，称为残压。
残压与压敏电压的比值，称为残压比。
一般情况下残压比应≤3。
（3）SPD电压类参数
最大连续工作电压UC：
指能持续加在SPD各种保护模式间的交流电压有效值或最大直流电压。
UC不应低于低压线路中可能出现的最大连续工频电压。
选择230/400V三相系统中的SPD时，其接线端的最大连续工作电压Uc不应小于下列规定：
TT系统中UC≥1.5UO
TN、TT系统中UC≥1.1UO
IT系统中UC≥UO
注1：
在TT系统中Uc≥1.1Uo是指SPD安装在剩余电流保护器的电源侧；Uc≥1.5Uo是指SPD安装在剩余电流保护器的负荷侧。
注2：
UO是低压系统相线对中性线的电压（相电压），在230/400V三相系统中Uo=230V。
最大连续工作电压UC的推荐值（有效值或直流）（单位：
v）：
126375951101301501752202302402502602752803203854204405105306006606908009001000150018002000
电压保护水平UP:
一个表征SPD限制电压的特性参数，在电压限制型SPD，Up是标称放电电流In下的残压，又称SPD的最大钳压；在电压开关型SPD，Up是指在规定雷电波形下的最大放电电压。
它可以从一系列的参考值中选取（如0.08、0.09、……1、1.2、1.5、1.8、2……8、10KV等），该值应比在SPD端子测得的最大限制电压大，与设备的耐压一致。
限制电压:
施加规定波形和幅值的冲击电压时，在SPD接线端子间测得的最大电压的峰值。
标称电压Un：
是制造厂商对SPD规定的电压值，与被保护系统的额定电压值相符，标出交流电压的有效值。
如在低压配电系统中220VAC、380VAC等，它标征了SPD适用的被保护系统。
在正常运行条件下，在供电终端电压波动值不应超过±10%，这些是制造商在规定Un值时需考虑的。
最大连续供电系统电压UCS:
SPD安装位置上的最大的电压值，它不是谐波也不是事故状态的电压，而是配电盘上的电压变及由于负载和共振影响的电压值升（降），且直接与标称电压Un相关。
UCS一般等于Un的1.1倍。
（4）SPD电流类参数
标称放电电流In：
8/20μs电流波形的峰值，一般用于Ⅱ类SPD试验中不同等级，也可用于Ⅰ、Ⅱ类试验时的预试。
最大放电电流Imax：
通过SPD的电流峰值，其大小按Ⅱ类SPD工作制测试的测试顺序而定，Imax＞In，波形为8/20μs。
脉冲电流Iimp：
由电流峰值Ipeak和总电荷Q定义（见IEC61312中雷电流参数表）。
用于Ⅰ类SPD的工作测试，规定Iimp的波形为10/350μs，也可称之为最大冲击电流。
漏电流：
由于绝缘不良而在不应通电的路径上流过的电流。
SPD除放电闪隙外，在并联接入电网后都会有微安级的电流通过，常称为漏电流。
当漏电流通过SPD（以MOV为主的）时，会发出一定热量，至使发生温漂或退化，严重时还会造成爆炸，又称热崩溃。
持续工作电流Ic：
当对SPD各种保护模式加上最大连续工作电压Uc时，保护模式上流过的电流。
Ic实际上是各保护元件及与其并联的内部辅助电路流过的电流之和。
工频续流If：
当SPD放电动作刚刚结束的瞬间，跟着来的流过其的由电源提供的工频电流。
续流If与持续工作电流Ic有很大曲别。
响应时间（ns）：
SPD两端施加的压敏电压到SPD箝位电压的时间（如MOV从压敏电压到箝位电压的时间约为100ns）。
1.4各类SpD工作原理
（1）火花间隙
原理为两个形状象牛角的电极，由绝缘材料分开，彼此间有很短的距离。
在电力系统中，当两个电极间的电位差达到一定程度时，电荷将穿过两个角型的空间打火放电，由此将过电流释放入地。
（2）氧化锌ZnO避雷器
氧化锌ZnO避雷器是七十年代发展起来的一种新型避雷器，它主要由氧化锌压敏电阻构成。
每一块压敏电阻从制成时就有它的一定开关电压（叫压敏电阻），在正常的工作电压下（即小于压敏电压）压敏电阻值很大，相当于绝缘状态，但在冲击电压作用下（大于压敏电压），压敏电阻呈低值被击穿，相当于短路状态。
然而压敏电阻被击状态，是可以恢复的；当高于压敏电压的电压撤销后，它又恢复了高阻状态。
因此，在电力线上如安装氧化锌避雷器后，当雷击时，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，使电源线上的电压控制在安全范围内，从而保护了电器设备的安全。
（3）（气体）放电管
当放电管两极间加上一定电压，在两极间产生不均匀电场；当电压不断升高，电场不断增强，在电场力的作用下，管内气体开始电离，当电压大到一定程度时使极间场强超过气体的绝缘强度时；两极间间隙将放电击穿，由原来绝缘状态转变为导电状态，导通后放电管两极间电压将维持在放电弧道所决定的残压水平。
（4）热敏电阻用作过流保护
当电路正常工作时，热敏电阻温度与室温相近、电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过；而当电路因故障而出现过电流时，热敏电阻由于发热功率增加导致温度上升，当温度超过开关温度时，电阻瞬间会变得很大，把电路中的电流限制到很低的水平。
此时电路中的电压几乎都加在热敏电阻两端，因而可以起到保护其它元件的作用。
当人为切断电路排除故障后，热敏电阻的阻值会迅速恢复到原来的水平，电路故障排除后，热敏电阻无需更换而可以继续使用。
1.5各类SpD优缺点
（1）压敏电阻的优点：
压敏电阻和其他非线性元件（如雪崩二极管）相比具有使用电压范围宽、（从几伏到几万伏以上）、耐浪涌能力强、响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小生产工艺简单，价格低廉以及电压温度系数小等，所以它的应用范围很广。
它的缺点是
（1）寄生电容大：
压敏电阻具有较大的寄生电容，一般在几百至几千微微法的范围。
在高频信号系统中会引起高频信号传输畸变，从而引起系统正常运行。
（2）泄漏电流的存在：
压敏电阻的泄漏电流指标既关系到被保护电子系统的正常运行，又关系到压敏电阻自身的老化和使用寿命。
（3）当压敏电阻在抑制暂态过电压时能量超过其额定容量时，压敏电阻会因过热而损坏，主要表现为短路、开路。
（2）瞬态抑制二极管的优点是由于它具有
（1）具有较大的结面积，通流能力较强。
（2）管子内装有特殊材料（钼或钨）制成的散热片，散热条件较好，有利于吸收较大的瞬态能量等优点。
它的缺点是由于管子具有寄生电容5000pF-10000pF，不利于高频信号传输。
（3）气体放电管是一种间隙式防雷保护元器件，由于放电管具有绝缘电阻大，寄生电容小，通流量大、对高频电子信号干扰小的一系列特点；因此被广泛应用于电力、通信等重要领域。
它的缺点是
（1）它的触发特性与时间相关，其上升时间的瞬变量同触发特性曲线在几乎与时间轴平行的范围内相交，因此保护电平将于气体放电管的额定电压相近。
也就是说，如果某个气体放电管的最小额定电压为90伏，那么在线路中的残压可高达900伏。
（2）可能会产生后续电流。
但在过电压保护电路中串联一个熔断器，这种电流很快就被中断。
（4）分子PTC热敏电阻是一种具有正温度系数特性的导电高分子材料，它的优点有下面的2个1.它与传统保险丝之间最显著的差异就是前者可以多次重复使用。
这两种产品都能提供过电流保护作用，但同一只高分子PTC热敏电阻能多次提供这种保护，而保险丝在提供过电流保护之后，就必须用另外一只进行替换。
2.高分子PTC热敏电阻与双金属电路断路器的主要区别在于前者在事故未被排除以前一直出于关断状态而不会复位，但双金属电路断路器在事故仍然存在时自身就能复位，这就可能导致在复位时产生电磁波及火花。
同时，在电路处于故障条件下重新接通电路可能损坏设备，因而不安全。
高分子PTC热敏电阻能够一直保持高电阻状态直到排除故障。
（5）TVS二极管应用中的三大优点1. 将TVS二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或单片机因瞬间的肪冲，如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。
2.静电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲，并能持续10ms；而一般的TTL器件，遇到超过30ms的10V脉冲时，便会导至损坏。
利用TVS二极管，可有效吸收会造成器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的干扰。
3.将TVS二极管放置在信号线及接地间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。
在生活实际当中，使用SPD时，还存在下面的缺点：
（1）温漂：
在工作时，SPD产生的工频能量超过SPD箱体及连接装置的散热能力，导致内部元件温度上升，性能下降，最终导致失效。
（2）退化：
当SPD长时间工作或处于恶劣工作环境时，或直接受雷击电流冲击而引起其性能下降，原技术参数改变。
SPD的设计应考虑退化在各种环境中的期限，并采用运行测试和老化性试验方法。
第二章在系统中，怎样选择SPD
要做到合理地选用和安装SPD器件，必须对工程进行一次系统的评估，确定系统和设备需耐受的预期最大浪涌电流。
应根据不同的配电系统来选择和安装SPD，在设计中应考虑SPD的参数必须与被保法设备相匹配，应选择技术性能比较高的产品来保证所保法的设备安全和可靠地运行。
2.1在系统中，选择SPD时前期要准备的工作
在系统中，如果采用一级SPD不能保证系统的正常工作，这时就要采用多级SPD,上一级SPD的参数应高于下一级SPD的参数，为了使上一级SPD泄放更多的雷电能量，必须延迟雷电波到达下级SPD的时间，否则下级SPD过早启动，会遭到过多的雷电能量冲击而不能保护设备，还有可能发生更严重的后果。
采用多级SPD时，要考虑它们之间的配合——SPD启动顺序
电压开关型和限压型SPD间的能量配合：
放电间隙（SPD1）的引燃取决于MOV（SPD2）两端残压（Ures）及退耦元件两端（含连接线）的动态压降（UDE）之和。
在触发放电之前，SPD间的电压分配如下：
USG=Ures+UDE
一旦USG（放电间隙两端的电压）超过放电间隙动态放电电压时，SPD1就着火放电泄放雷电流，实现了能量配合。
后续防雷区的SPD只要线距满足规定要求或加装退耦元件，就能保证从末级到第一级逐级可靠启动泄流，确保多级SPD不出现盲点，达到最佳的能量配合效果。
对于开关型SPD1至限压型SPD2之间的线距应大于10m和SPD2至限压型SPD3之间的线距应大于5m。
原因是在电源线路中安装了多级电源SPD，由于各级SPD的标称导通电压和标称导通电流不同、安装方式及接线长短的差异，在设计和安装时如果能量配合不当，将会出现某级SPD不动作、泄流的盲点。
在系统中，为了防止SPD失效，往往还要在电路中加装SPD断路器，使系统更加安全可靠，能防止当SPD失效时，接地短路故障电流损坏设备，且应能指示SPD失效状态。
2.2在系统中，具体怎样选择SPD
在建筑物入口处，雷电流流入线路中电流大小的估算和系统中有那些电子器件，对避雷器的选择级别和种类有重要的参考价值。
雷电流分配原则：
根据IEC61312-1，全部雷电流i的50%流入建筑物防雷装置的接地装置，其另50%，即is分配于引入建筑物的各种外来导电物、电力线、通信线等设施。
流入每一设施的电流i等于is/n，n为上述设施的个数。
流经无屏蔽电缆芯线的电流iv等于电流i除以芯线数m，即iv=i/m；对有屏蔽的电缆，绝大部分的电流将沿屏蔽层流走。
（通常情况下，可以认为屏蔽层分流走了70%的线路雷电流。
GB50057-94尚应考虑沿各种设施引入建筑物的雷电流）。
应采用以上两值的较大者。
在系统中，往往在建筑物电源总的进线处要装一级避雷器。
（有专门配电房在那里装设一级避雷器，就在建筑物的楼层总的电源进线处装设二级避雷器），在每一栋楼装设二级避雷器，在机房装设装设三级避雷器所装设的避雷器主要考虑SPD的容量和电压保护水平Up，还有要考虑避雷器与避雷器之间的间距问题。
在实际生活中，使用最多的要数氧化锌避雷器。
氧化锌避雷器起主要作用的是压敏电阻。
在选用压敏电阻之前，要知道选用多大的容量氧化锌避雷器。
标称电压，即压敏电压，指在规定的温度和直流电流下压敏电阻两端的电压值。
一般来说，压敏电阻常常与被保器件或装置并联使用。
在正常情况下，压敏电阻两端的直流或交流电压应低于标称电压，即使在电源波动情况最坏时也不应高于额定值中选择的最大连续电压，该最大连续工作电压值所对应的标称电压值即为选用值，对于过压保护方面的应用，压敏电阻值应大于实际电路的电压值，一般应按下面进行选择；v=aV/bc
a---电路电压波动系数，一般取1.2
V---电路直流工作电压（交流时为有效值）
b---压敏电压误差，一般取0.85
c---元件的老化系数，一般取0.9
这样计算得到的v值是直流工作电压的1.5倍。
在交流状态下还要考虑峰值，因此计算结果应扩大1.414倍，另外，选用时还必须注意；
1必须保证在电压波动最大时连续工作电压也不会超过最大允许值，否则，将缩短压敏电阻的使用寿命。
2在电源相线与大地之间使用压敏电阻时，有时可能由于接地不良而使电源相线与大地之间的电压升高，所以通常采用标称电压比相间所使用的压敏电阻标称电压更高的压敏电阻。
通常产品给出的通流容量是指按产品标准给定的波形，冲击次数和间隙时间进行脉冲实验时产品所能承受的最大电流值，而产品所能的冲击次数是波形，间隙时间是副值的函数，当电流波形副值降低一半时冲击次数可增加一倍，所以在实际应用中压敏电阻所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流容量。
氧化锌避雷器可作为电子信息系统的第一级保护或第二级保护。
在一些要求较高的电子设备中仅用它来保护好不够，在实际应用中还要与半导体二极管等保护器件来一起综合保护。
SPD是非线性器件，由于其结构和性能的不同，不同类型的SPD各有特点，（如下图）为了保证响应速度快，需要进行能量配合，使特征能量小的器件在工作时通过的能量不超过其自身能承受的最大能量而且及时响应，并把余下的更大的能量交换到反应慢但可以承受更大能量的器件上。
器件的响应速度及特征能量
典型器件
响应速度（ns）
特征能量（j/s）
放电间隙
100
1*1000000
气体放电管
80
〈1000
氧化物压敏电阻
25
550-600
TVS
1
〈100
但很多防雷设计往往没有考虑能量配合的问题，比如采用两级压敏电阻进行保护时，由于它们属于限压型SPD间的配合，如果没有去藕，则第一级SPD形同没有那样，保护不会起作用。
同时，通过压敏电阻的并联来增大电源保护器的通流容量的方法也是不可取的，可以把压敏电阻的并联看作去藕距离为无限短的两级SPD，由于没有能量配合，也无法提高冲击能量。
入口处SPD的电压保护水平，在我们一般使用的市电中，根据国家标准GB50057中第6.4.4条的规定，建筑物进线处和其他防雷区界面处的最大浪涌电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备许可的最大浪涌电压协调一致。
不同界面上的浪涌保护器还应与其相应的能量承受能力相一致。
当无法获得设备的耐冲击电压时，220/380v三相配电系统的设备按（下图选用）
220/380三相系统各种设备的冲击电压额定值
设备的位置
电源处的设备
配电线路和最后分支线路的设备
用电设备
需要特殊保护的设备
耐冲击电压类别
IV类
III类
II类
I类
耐冲击电压额定值（kv）
6
4
2.5
1.5
由图可知，建筑物入口处的耐冲击电压属于IV类，所对应的一级分类实验SPD的电压保护水平Up应小于6kv。
实际上采用的一级分类实验产品多属于开关型SPD。
2.3在生活场所当中，是怎样选择SPD
根据不同的区域和使用特点来选择不同的避雷器。
（1）用于A区的交流电源避雷器，该区可能出现直击雷，雷电电压较高，雷电流也较大防雷器在该区的作用是把雷电压抑制在一定之内，以保护线路上的用电设备。
一般用ZYSPD40K系列防雷器，额定放电电流为40KA时其残压小于或等于2.2KV。
（2）用于B,C区的交流电源防雷器。
该区可能出现感应雷，雷电压远A区低，用于该区的额定放电电流一般为20KA，残压一般为1.5KA以下，它可用于三相或单相交流电源系统。
（3）用于D区的交流电源避雷器。
该区可能出现感应雷，雷电压低于B,C区，用于该区的防雷器额定电流一般为10KA,残压一般为102KV以下。
（4）用于直流电源的浪涌吸收避雷器，此类避雷器是专门用于12伏，24伏等直流电源系统的过电压保护装置，它可以将保护电压等级保持在60伏以下。
（5）双绞线通信线路防雷器。
该类防雷器是专门用于双绞线通信线路设备（如程控交换设备，传真设备，电子电话以及警报发生器等）的防雷保护。
（6）网格数据线路防雷器。
该类防雷器主要用于广域网和局域网中数据，信息传输线路设备的防雷保护。
（7）高频天线馈线防雷器。
因为它是直接暴露在户外的，在雷雨天气时很容易产生雷电感应并将感应电流引入其发送，接受设备中，导致设备变坏。
由于这种保护器要串联在馈线中，所以必须保持与馈线有良好的阻抗匹配，以避免产生较大的回波.
第三章低压电源SPD主要接线方式和注意事项
3.1低压电源系统SPD主要接线方式
在低压电源系统中，避雷器在线路中主要有下面的三种接线方式：
3P接线，4P接线，3+1（3P+N）接线，其中3P界限跟4P接线在生活中应用是最多的，但3+1（3P+N）接线只是在特别的地方才使用它
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