浅谈电源电涌第三级保护-防雷、防火，确保用电安全！
深圳市碧通电子有限公司 蓝开平
摘要：论述电源电涌第三级保护必要性，提出做好电源电涌第三级(含D类)保护的一些建议。
关键词：电源电涌保护 三级防雷 电涌保护 静电保护
在21世纪信息时代，雷电灾害所涉及的范围几乎遍布各行各业。尤以大规模集成电路为核心组件的通信、计算机网络、测量、监控、电器等先进电子设备广泛运用于电力、航空、国防、通信、广电、金融、交通、石化、医疗以及其它现代生活的各个领域。由于这些电子设备普遍存在着对暂态过电压、过电流耐受能力较弱的缺点，因雷电和其它形式的电涌侵入电器设备内部，造成干扰、损坏的灾害事故呈逐年上升趋势。根据历史统计资料分析，在雷击损坏电器设备的事故中，有70%以上是从供电线路侵入的。因此，电源系统防雷是电子设备及其系统防雷的重要环节。
对建筑物及其电子信息系统的电源供电线路实施多级防雷是综合防雷的重要组成部分，这是防雷业界的共识。电源系统第一、第二级防雷保护，从防雷设计、设备配置、安装到检验，无论是设计方、施工方、建设方和工程验收方都极为注重，一般都能达到国家有关标准要求。关于电源系统第一、第二级防雷，已有很多文章论述，在此不再重复。下面对电源系统第三级防雷（电涌保护）进行浅析和探讨。
对于电源第三级防雷保护的必要性和重视程度，有一个认识问题。作者从建筑设计院设计师了解到，许多建筑设计中，对电源第三级防雷都不涉及，只设计电源总配电和大楼分配电的防雷（即电源第一级和第二级防雷）。究其原因，电器设备的配置在设计时往往都是变数，需要保护的电器设备除机房外都比较分散，数量也多。除此之外，工程的复杂性，工程费用的增加，对工程施工方和建设方来说，在某种程度上都会带来负担。因此，在防雷工程实施中往往被“疏忽”或淡化。这样，防雷系统第三道防线就成了问题。举一个雷击损坏电器设备的案例：某机场建在海波高度200米山上的一座雷达站，地处雷暴高发区，实施防雷工程时，建了避雷针和接地系统，且在总配电房和机房安装了第一和第二级电源防雷器。1994年夏天，雷电击中山脚附近的架空三相电源供电线路，造成山下水泵房电源配电箱严重损毁，山上雷达站电源设备（包括UPS整流二极管9只、大功率管5只、500V/15A保险管13只）和雷达9块控制电路板损坏，雷达瘫痪，经济损失约200万元。这次事故发生在电源架空线上，我们在这里只探讨电源的防雷保护。上述的总配电房和机房配电箱安装的一、二级电源防雷器均未损坏，可是电源设备损坏却如此严重。有人怀疑是防雷器质量有问题，作者认为不完全如此。安装的电源防雷器性能和可靠程度不清楚，但它对强雷电的侵入未能遏止住是肯定的。回头仔细分析，也不能全怪怨两只电源防雷器，如此强大的雷击，两处电源系统严重损坏甚至冒烟起火，两只电源防雷器能顶得住吗？假如当时电源安装了第三级防雷器，筑起了一道完善的防线，雷达站雷击损坏可能是另一种状况，起码损坏不会那么惨重。
电源第三级防雷保护能起多大的作用？
电源防雷器，无论是第一级、第二级还是第三级，都是并联在电源线路上的，对侵入电源线路的雷电流都同样起分流作用，将雷电流疏通至接地极释放，使电路过电压逐级下降。电源第三级防雷器使第二级的残压进一步降低，也减轻了第一、第二级防雷器的分流负担。像上述雷达站雷击情况，强大的雷电流仅靠电源的第一、第二级泄放是困难的。第一级SPD响应慢，第二级SPD分流能力有限，往往是还来不及释放，部分雷电流就已经跨过了第二级，使第二级输出的残压过高，雷电的能量有待进一步释放。据此就不难明了上述雷达站雷击事故的因果关系。一台或多台电源第三级防雷器的共同参与分流作用，可使雷电流释放更加充分，残压进一步降低，达到电器设备的安全要求。
这里列举另一雷击的案例：2005年5月，广东省东莞市某玩具厂发生一次雷击事故。雷击把该厂安装在电脑主服务器电源端口处的电源电涌保护器打坏，冒出浓浓的黑烟，防雷器电路板严重损毁，防雷的关键元件压敏电阻爆裂。幸运的是电脑服务器并未损坏，拆下电源电涌保护器，接上电源，电脑服务器正常工作。该厂于2004年底为完善防雷系统，安装了电源和信号线路防雷设备，包括四级电源防雷保护（总配电、分配电和电子系统主机分别装了一、二、三级防雷器，有十台电脑电源端口特别加装了2.5KA的电涌保护器作精细保护！）和电脑、电话和监控信号线路防雷。这次雷击除前述的电脑服务器的电源电涌保护器（电源第四级SPD）损坏外，其它的防雷器和电器设备都未损坏。可想而知，是电源第四级SPD起了关键作用而挽救了该厂的电脑服务器，也是电源多级防雷所起的综合防护作用的结果。因为，雷电（感应）进入电源线路后，不可能有明确的走向，而是随机的，哪里的接地电阻小，雷电流就往哪里流。这次雷电流在进入电脑服务器之前，其安装的电源电涌保护器起到了分流、限压的作用，保护了电脑服务器。而该电涌保护器因流过的雷电流过强损坏是正常的现象。这次雷击事故充分的说明了电源多级防雷抗电涌的重要性和它对电器设备系统所起的保护作用，也提醒我们，电源第三级SPD必不可少，重要的关键设备还应做电源第四级SPD的精细保护，以保障电器设备的安全。
上面谈到的电源三级防雷是针对雷电侵入电力系统干线考虑的。实际的电力设备系统的部分终端离分配电柜（第二级防雷）还有一定的距离，这段线路感应雷电仍然存在。特别要提及的是近几年，高层楼宇越来越多，楼越高、受雷击的几率也越多。当雷电击中高楼的避雷针、避雷带时，雷电流沿引下线（通常为建筑物的钢筋）流下向大地释放时会产生电磁场，使周围的金属感应雷电，其中就包括楼内的电源线路。高楼的总配电（第一级防雷）通常放在楼底。这样，高层楼宇电器设备防感应雷主要靠电源第三级SPD。
电涌保护器（SPD）除防雷功能外，还具有抗电涌、防静电功能。日常产生的电涌的面很广，如电源的开和关，电源的插拔，电梯、电闸门、电动机的启动和停止，电钻，电焊，电器设备损坏和电线短路等都会产生电涌。与雷电相比，虽然电涌的脉冲电压较低，但其脉冲宽、持续时间长，强度仍然不小。电涌足于干扰和损坏电器，甚至殃成火灾。且电涌发生在电源系统内部，电源干线、支线、发电机、变配电装置、UPS、交直流电源、甚至电器设备终端都可能发生。一旦发生就会直接进入电器设备内部，造成电器设备的损坏。且电涌平时就经常发生，防不胜防！所以，电涌对电器设备的威胁很大，不可等闲视之！
静电，当雷云或其它带电物体与金属导体靠近时，金属导体会感应出与带电物体极性相反的电荷，静电电荷若得不到及时的释放，其电压会越积越高，可达几百伏至上千伏。静电一旦在电源线路上形成，将威胁电器的安全。
电涌、静电和雷电的性质一样，其防护都可以通过浪涌（电涌）保护器（SPD）加以抑制。前面电源保护器统一称作电源电涌保护（电源SPD）比较恰当。根据雷电、电涌和静电所具有的特性，在电源系统发生的部位及其对电器威胁的程度，可以看出第三级电源SPD保护的范围更广，对各种电涌的吸收更有效，其功能和作用并不亚于第一、二级电源SPD。因此，在建筑及电器设备系统的电源系统实施防雷时，只有同时做好三级电涌保护，才能有效的防范雷电、电涌和静电对电器的侵袭，从而保障电器设备的安全。防雷工程的实践，也充分证明了这一点，无论工程项目范围大小，凡是在做好第一、二级电源防雷的同时，较为完善地解决好电源第三级防雷，防雷工程就能达到良好的效果。在此，需特别强调的是不要忽视第三级电源SPD保护，否则将前功尽弃，殃成恶果！尤其是高层楼宇、电源线路长和跨楼的电器、露天的电器终端、无人值守的基站、机房、监控、监测和监管中心等等，第三级电源SPD保护应着重和加强。电脑机房、监控中心等设备数量多和集中的场所，建议在其配电箱按第二级电源SPD保护处理，在其重要设备终端安装第三级电源SPD。而特别重要的电子信息系统的关键设备，如电脑网络中的服务器，在其设备的电源端口再串接保护水平低的电源SPD作精细保护也有必要。建筑和电器设备系统未做或不完善的三级电源SPD，一定要加以完善。
第三级（D类）电源SPD在其他方面的应用：
上述电源三级电涌保护，真正进行实施的目前还不多，仍停留在某些高端的信息系统（如电脑网络、通讯系统、监控系统等）、重要单位和部门（公安、海关、指挥部等）和重要场所（雷达站、电站等），还有许许多多的各种电器设备，不仅没有做三级电源电涌保护，甚至连电涌保护都未沾上边。如电梯、水气泵站、通信站、监测站、停车场、地磅、商场、学校、医院等企事业单位的电脑、电器及千千万万的家庭电器- - - - - -几乎成了被遗忘的角落。这里有认识问题，缺乏防雷抗电涌的安全意识；绝大多数楼房在建设时，就没有设计和实施电器的防雷抗电涌保护；有的有侥幸心理，以为多年都未遭受雷击伤害等等。这样，这些分散的数量众多的电器设备成了雷击的“目标”、电涌的“标的”。从广东省气象局防雷检测所收集的雷害事故的资料了解到雷害事故让人触目惊心，据不完全统计，广东平均每年的雷害事故造成的经济损失近三忆元人民币。其收集的案例表明雷害事故损坏的大部分都是分散且没有防雷保护的电器设备。如此众多的电器设备按三级电源SPD的要求实施，有许多困难，也不现实。对其中部分贵重的电器设备安装第三级（D类）电源电涌保护器（属于最基本的防雷抗电涌保护），仍然很有必要，实施起来也不难。D类电源SPD虽然其承受雷击的抗浪涌能力不如一级（B类）、二级（C类），但其通流量足以抵御感应雷击和较弱的雷电波、工业电涌的侵入，且响应快速，残压低，而感应雷击占雷击伤害事故的85%以上。因此，D类电源电涌保护器对安装在室内的电器设备防感应雷击和电涌能起着良好的保护作用。D类电源SPD的价格低、性价比高，无需专门做防雷接地（利用电源工作地即可！），安装容易，普通电工即可操作安装。
为防止雷电及各种形式的电涌侵入电器设备内部造成干扰、损坏和灾害事故，各类电器设备都应安装D类电源SPD。“亡羊补牢”还未晚，否则还会“亡羊”，千万不要有侥幸心理。
第三级（D类）电源SPD的选择：
第三级（D类）电源SPD宜采用下述电路：
特点：
1.能有效抑制共模和差模电涌；
2.适合于多种制式的电源系统；
3.流过MOV漏电大大减小，延长SPD待机寿命；
4.PE与N隔离，安全可靠，可避免地电位升高对电源和设备的影响。
特点：
1.共模、差模全保护模式，残压低；
2.响应快，响应时间≤25ns；
3.PE与N隔离，安全可靠，避免地电位升高对电源和设备的影响；
4.接地线极短，有利于电涌释放。
第三级（D类）电源SPD的主要性能包括标称放电电流、最大浪涌放电电流、保护水平和响应时间等。对第三级（D类）电源SPD，各地的标准不一样。德国采用1至5KA的标称放电电流（8/20μs）；我国没有统一的说法，通常采用5至15KA的标称放电电流（8/20μs）或10至25KA的最大放电电流（8/20μs）。电源SPD的放电电流究竟多大合适，这要根据安装场地的环境（电涌性质、强度和出现的几率）、电源线路的状况（长度、有无屏蔽、室内还是室外铺设）和被保护电器重要程度及其抗电涌能力和要求等选择。在满足电源系统长期稳定工作的情况下，SPD持续工作电压要低，以获得较低的保护水平。当然，SPD的保护模式、泄流的过热脱扣保护、安全故障、告警指示以及SPD适应的电源系统制式等都应加以考虑。选择性能优良、质量可靠且能与电源SPD前两级能量相配合的SPD是第三级电源电涌保护的关键，一定要严格把关，
第三级（D类）电源SPD的安装：
第三级（D类）电源SPD应安装在靠近电源设备的电源接口处。SPD接地端与电源工作接地（PE）连接，连线应尽可能的短和直，长度一般不应大于0.5米。若电源无工作接地，应另做防雷接地。防雷接地的做法可采取把建筑物墙柱凿开小孔，露出钢筋，焊上一根带螺栓的钢条，再用一根带圆孔接头的铜导线与SPD连接，接地电阻≤10Ω
电源电涌保护，除上面谈及的安装第三级（D类）电源SPD 外，根据实际情况，还应做好屏蔽（线路、机房、设备），等电位连接，建立联合共同接地系统等，将三级电源SPD保护认真做深、做细、做好，筑起一道电涌无法逾越的防线，保障信息系统和电器设备的安全。
水平有限，文章中不当之处再所难免，诚请专家和同行指正。
参考文献：
1.建筑物防雷设计规范GB50057-94（2000年版）；
2 根据雷击因数正确选择SPD的通流容量 （信息产业部邮电设计院：刘吉克）。
3.新一代多功能电源安全插座
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http:www.cps800.com/news/2008-12/20081222164128.html
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