浅谈SPD在建筑物电子信息系统中的防雷

李郭然 蒋玉坤 彭书林 牛建仁

摘 要：本文通過对建筑防雷的认识，针对建筑物内电子信息系统的SPD防雷原理做了说明，并对电子信息系统SPD防雷设计方案中应遵循的技术规则及安装要求进行了分析。

关键词：建筑物；防雷；SPD

1、引言

雷电是一种大气放电现象，产生于积雨云中，积雨云在形成过程中，某些云团带正电荷，某些云团带负电荷。它们对大地的静电感应，使地面或建筑物表面产生异性电荷，当电荷积聚到一定程度时，不同电荷云团之间，或云团与大地之间的电场强度可以击穿空气（一般为25-30kV/cm），开始游离放电。雷电的形成要经过先到放到到主放电阶段，在主放电阶段里，会出现很大的雷电流（一般为几十kA至几百kA），并随之发生强烈的闪电和巨响，这就形成了雷电[1]。

雷电是一种古老而又神秘的自然现象。在人类社会历史的各个时期都记录着人与雷电抗争的经验。雷电危害可分为直击雷和感应雷两种，直击雷是雷云之间对建筑物的放电现象，雷电放电过程中伴随着强大的电流脉冲、极高的温度及强烈的机械力破坏放电路径上的建筑物、电子设备甚至危害人生安全[2]。感应雷是雷云与大地之间放电时产生的电磁辐射形成过电压对建筑物内外的金属管道、信号线、室内电子设备的损害。在建筑物中的防雷方案中可区分为外部防雷和内部防雷，外部防雷主要对直击雷的防护，通常的做法就是利用富兰克林避雷针接引雷电流，通过引下线与接地极把雷电流安全泄放到大地从而保护建筑物避免雷电的伤害。建筑物中的内部防雷主要是对雷电流侵入引起的过电压对建筑物内的供电系统、计算机、精密电子设备等的干扰和损坏[3]。

2、SPD防雷原理

建筑物内部防雷通常是做等电位连接，屏蔽以及接地措施，所有建筑物内的大尺寸金属部件、电器设备等都做等电位连接在一起，并与外部防雷装置相连。在信息时代的今天，以集成电路为核心组件的通信计算机网络与监控等先进电子设备出现在人们现代生活的各个领域，精密仪器对雷电涌非常敏感，除了通常的等电位连接外大部分的电子信息设备都需要近距离的高精度防雷保护。

目前比较常用的建筑物内电子信息设备的防雷保护主要是利用SPD（Surge protection Device）电涌保护器对建筑物内雷电引起的过电压电涌进行保护实现极短时间内对过电流进行分流泄放的功能[4]。SPD是用于限制瞬态过电压和泄放浪涌电流的电器，器件内有非线性元件，可分为电压开关型浪涌保护器与电压限制型浪涌保护器两种，SPD工作原理如图1所示：

图1 SPD安装示意图[5]

如图1所示SPD安装示意图，其基本工作原理是SPD在正常情况时呈现高阻状态，当电子信息设备电路遭遇过电压时，SPD呈现低阻状态，在纳秒级时间内实现低阻导通，瞬间泄放能力到大地，将过电压控制到一定水平，当瞬态雷击过电压消失后，SPD立即就恢复到了高阻状态，熄灭在过电压通过后产生的工频续流从而保护设备不被雷电过电压伤害[6]。

根据GB50343（2012版）建筑物电子信息系统防雷技术规范电压开关型SPD是指在无浪涌时呈高阻抗，当出现电压浪涌时突变为低阻抗，通常采用放电间隙、气体放电管、晶闸管和三端双向可控硅元件作为这类浪涌保护器的组件。电压限制型SPD是指在无浪涌时呈高阻抗，随着浪涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小，又称为限压型SPD，这类装置的常用器件有压敏电阻和抑制二极管。还有一种组合型SPD即由电压开关型组件和限压型组件组合而成，可以显示为电压开关型或限压型或二者兼有的特性，这决定于所加电压的特性。

3、SPD在电子信息设备中的防雷方案

建筑物电子信息系统的雷电防护，应考虑建筑物的重要性、使用性质、周围环境因素、信息系统设备的重要性、发生雷击事故的可能性和后果的严重程度等因素，采用雷击风险评估方法，对电子信息系统雷电防护等级进行综合评估计算后，将信息系统雷电防护等级定为A、B、C、D四个等级，采取不同的防护措施，参照国标GB50343（2012版）建筑物电子信息系统雷电防护等级的确定如表一所示：

表一 建筑物电子信息系统雷电防护等级

根据雷电防护等级评估为A、B等级的电子信息系统，应安装三级SPD进行防护，风险评估为C、D等级的电子信息系统应安装两级SPD防护，其它类型信息设备及线路SPD的选择，应根据信息设备的工作频率、电压、阻抗特性、传输频率、频带宽度、接口类型选用电压驻波比和插入损耗小的适配的SPD。对于无极性的信号传输线路不能靠安装信号SPD方法防止雷电感应损坏设备，而应对传输线路采用电磁场完善屏蔽或采用特殊结构的线缆实现防止雷电感应损坏设备。无极性信号传输线路不能安装信号SPD，否则安装在无极性信号传输线路的SPD在雷击瞬间初始阶段雷击电压达到峰值之前，由于SPD内的瞬态二极管导通近似短路，设备的接口板或主板已损坏，解决无极性信号传输线路防雷的有效措施是对雷电感应采取完善屏蔽或利用损耗型线缆，对无极性信号传输线路防雷有良好效果。

建筑物电子系统防雷中在设计SPD时，首先要确定SPD的测试类型，依据信号用SPD安装部位防雷分区及浪涌进入的耦合机制来确定。对建筑物中电子信息系统的保护使用SPD还应当确定SPD的保护水平，要充分从被保护设备冲击抗扰度的基础上来确定SPD 的保护水平，然后通过设备所在的防雷区划分和设备所处的电磁环境上选择SPD 的类型、安装位置和安装方法，并确认其注意事。

SPD的安装使用中最重要的要遵循合理的配合，在需要保护系统中安装SPD的数量取决于防雷区的概念以及保护设备的抗扰度和易损性，在对电子信息设备的保护中各SPD的配合应避免系统内的SPD承受过分压力，各个SPD的压力取决于他们的安装位置及性能。只要顺序安装了两个及其以上的SPD，就需要遵循SPD与保护设备的配合，对于所有的电涌电流流经由任何SPD耗散的部分能量低于或等于它承受的能量的话，能量配合就实现了，配合的目的就是利用SPD将总威胁设备安全值减到被保护设备能耐受的范围内。各个SPD承担泄放的电涌电流量不超过额定值，为了确保SPD充分配合好，必须满足如果电涌电流经过任何SPD耗散的部分能量低于或等于该SPD能承受的能量则实现了配合，这个最大耐受能量定义为SPD所能承受不致引起性能恶化的最大能量，为了确保SPD的使用寿命，最好设计为SPD的雷电流不超过SPD标称导通电流。目前的技术是通过选择不使用退藕元件的配合以及使用退藕元件的配合这两个原则来实现SPD之间的能量配合。不使用退藕元件的配合是以静态伏安特性进行配合，这种方法不需要退藕元件，退藕是由线路的自然阻抗供给的，这一原则最适合于限压型SPD。使用退藕元件的配合是使用具有足够电涌承受能力的阻抗作为退藕元件，退藕元件既可采用分立元件也可采用各防雷区界面及设备之间电缆的固有电阻及电感实现。

在建筑物内电子信息设备防雷中接线中， SPD可连接在L（相线）、N（中性线）、PE（保护线）间，如L-L、L-N、L-PE、N-PE，这些连接方式称为保护模式，它们与供电系统的接地型式有关。按GB50054-95《低压配电设计规范》规定，供电系统的接地形式可分为：TN-S系统（三相五线）、TN-C系统（三相四线）TN-C-S系统（由三相四线改为三相五线）、IT系统（三相三线）和TT系统（三相四线，电源有一点与地直接连接，负荷侧电气装置外露可导电部分连接的接地极与电源接地极无电气联系）。目前，浪涌保护器的保护模式大部分是4个保护模式（L-PE，N-PE），即三根火线分别与保护线，中性线与保护线连接。

4、总结

在建筑物电子信息系统SPD防雷设计中，要坚持综合防雷的原则，安装设计要符合安装现场的实际，充分了解分析现场安装电磁环境，结合经济效益综合评估，坚持科学实用的原则参照国标等专业技术做好防雷工作。

参考文献

[1] 吴恩鑫，丘炎仁. 浅谈建筑物电源SPD[J]. 科技致富向导，2015， 264.

[2] 曹兴华. 电涌保护器（SPD）的原理及应用[J] 中国高新技术企业旬刊，2012（26）：93-95.

[3] 张贵鹏. 建筑物防雷的SPD三级防护设计[J] 城市建设理论研究，2014.

[4] 叶平，刘仲达，熊芳瑜等. 建筑物电子系统用SPD设计的基本原则、内容和方法[J]. 城市建设理论研究：电子版，2012，1-9.

[5] 郑文健. 浅谈浪涌保护器SPD在防雷设计中的应用[J]. 江苏电器，2006， （2）：24-27.

[6] 胡玮. 现代新建筑的电涌保护器应用[J]. 安徽电子信息职业技术学院学报，2007， 2：105-107.

第一作者简介：李郭然，国网漳州供电公司，本科，工程师，1979年4月出生。