雷电电涌保护系统概述

电涌保护要分级实施，最终达到对配电系统和电子设备完善保护的目的。分级实施电涌防护的第一步是对电涌环境进行分类。

电涌环境的分类是依据电涌的强度和频度。国际上一般将电涌环境分为3类(如图所示):

(1)C类:指户外以及进线的总开关处，这些部位容易出现较强的雷电电涌，具体位置包括:电表与配电盘之间的连线，建筑物之间的架空线，连接到井下的地下电缆;

(2)B类:指与C类环境之间连线较短的位置，以及大型建筑物中的照明系统，这些位置的电涌既可以由雷电产生，也可以由内部电气开关产生，由雷电产生的电涌经过配电线衰减，已经比C类环境中的电涌衰减了一些;

(3)A类:指房间内的电源插座和较长配电线的终端;较长的含义是离开B级规定的位置10米以上的电源插座，或者离开C级规定的位置20米以上的电源插座，这些位置的电涌主要是内部电气开关产生的电涌电压。

按照电气电子工程师协会(IEEE)的推荐，浪涌保护应该分级实施，分级的方法与浪涌环境分类相对应:

第一级:在入户配电柜处，消除户外雷电产生的浪涌，防止巨大的浪涌能量进入户内;

第二级:在配电系统的配电盘处，其作用有两个，一个是进一步消弱第一级残留的浪涌能量，另一个是消除内部电气开关产生的浪涌;

第三级:安装在敏感电子设备的电源入线处，为电子设备提供完善的保护。

分级防护的目的有两个，一个是逐级衰减雷电浪涌，另一个是消除内部负荷接通和断开时产生的浪涌。

第一级防护主要针对雷电在电源线上感应的浪涌电压，将雷电浪涌进行适度的衰减。这级防护要采用承受电流能量强的浪涌保护器。国外一些厂商推荐使用承受电流能力在200kA以上的产品。实际上，根据大量统计，大部分浪涌电流的幅度在10kA左右，之所以保留这样大的富余量，主要是考虑到延长保护器的寿命。浪涌保护器的寿命是有限的，每承受一次浪涌冲击后，导通电压就会降低一些，当降低到电源电压时，浪涌保护器就宣告寿命结束。浪涌保护器每次电压降低的幅度与其额定电流容量有关。额定电流越大，浪涌保护器的寿命越长。欧美的一些厂商承敢于诺保修20年，就是基于这样大的富余量。第一级浪涌保护器的特点是容量大，不需要正弦波跟踪功能。

第二级防护的主要功能是进一步衰减残留的雷电浪涌，并衰减内部电气负荷产生的浪涌电压。这一级防护可以采用承受电流较小的浪涌保护器。根据后面是否有第三级保护，决定是否采用具有正弦波跟踪功能的保护器。如果有第三级防护，就不需要正弦波跟踪功能;如果没有

第三级防护，并且负荷是电子设备，就需要具有正弦波跟踪功能。

第三级防护的主要功能为用电设备提供没有浪涌的电压，要具有正弦波跟踪功能。遇到以下场合时，第三级防护是必要的:

(1)有基于微处理器的电子设备;

(2)贵重的电子设备或者维修周期很长的电子设备:

(3)雷电多发的地区;

(4)大功率电气负荷较多的地区;

(5)工厂、矿山中的自动化控制设备;

(6)自动化办公设备，电脑、复印机等;

(7)关键医疗设备，特别是生命监护设备。

1、雷电电涌过电压

以雷击引起的电涌危害最大，在雷击放电时，以雷击为中心1.5~2KM范围内，都可能产生危险的过电压。雷击引起(外部)电涌的特点是单相脉冲型，能量巨大。外部电涌的电压在几微秒内可从几百伏快速升高至20000V，可以传输相当长的距离。按ANSI/IEEEC62.41-1991说明，瞬间电涌可高达20000V，瞬间电流可达10000A。根据统计，系统外的电涌主要来自于雷电和其它系统的冲击，大约占20%。

雷击引起的电涌可分为:

(1)感应雷击电涌过电压:雷击闪电产生的高速变化的电磁场 ，闪电辐射的电场作用于导体，感应很高的过电压，这类过电压具有很陡的前沿并快速衰减。

(2)直接雷击电涌过电压:直接落雷在电网上，由于瞬间能量巨大，破坏力极强，目前还没有一种设备能对直接落雷进行保护。

(3)雷击传导电涌过电压:由远处的架空线传导而来，由于接于电力网的设备对过电压有不同的抑制能力，因此传导过电压能量随线路的延长而减弱。

(4)振荡电涌过电压:动力线等效一个电感，并于大地及临近金属物体间存在分布电容，构成并联谐振回路，在TT、TN供电系统，当出现单相接地故障的瞬间，由于高频率的成分出现谐振，在线路上产生很高过电压，主要损坏二次仪表。

2、操作电涌过电压

在电力系统内部，由于断路器的操作、负荷的投入和切除或系统故障等 系统内部的状态变化，而使系统参数发生变化，从而引起的电力内部电磁能量转换或传输过渡过程，将在系统内部出现过电压。系统内的电涌主要来自于系统内部用电负荷的冲击，大约占80%。在电力系统引起的内部过电压的原因大致可分为:

(1)电力大负荷的投入和切除;

(2)感性负荷的投入和切除;

(3)功率因素补偿电容器的投入和切除

(4)短路故障

内部产生的电涌特点主要是震荡型，在供电系统中的变压器、感性负载和电容器之间震荡且高次谐波成分含量高。IEEE中指出，内部电涌的电压值在几微秒至几纳秒从几百伏升高至6000V。在繁忙的工厂或城市商业用电环境中，每小时的瞬间电涌可达到180000~432000次。

载流和重燃电涌过电压:由接通和分断控制设备时产生，特别是电动机或变压器负载，在起动阶段或故障时分断，出现载流和重燃过电压，常使电动机绕组或变压器击穿损坏(如国内一钢铁企业发电厂，在一个月内因接通和分断过电压造成两台3000KW电动机相间南穿穿短路损坏)。

3、静电放电

干燥的绝缘体(如毛制品)，在干燥的环境通过摩控产生静电，能量较小，主要损坏集成电路。