雷電防護技術及產品王宏BBLightningProtectionGroup

直擊雷防護產品OPR的研發和生產電涌保護器OVR系列產品的研發與生產2001年6月ABBLightningProtectiongroup成立，前身是創建于120年前的法國Soule防雷公司，在國際上具有相當規模的電涌保護器和提前放電避雷針的制造商和銷售商，已成為ABB全球銷售網絡的防雷產品研發和生產中心。

過電壓是電子設備產生故障和生產中斷的主要原因，它可以由雷擊、電網中的開關操作和相關干擾產生。電子設備破損保守統計過電壓產生的后果雷電是一種常見的自然現象，全球每天形成44000個雷暴中心，發生800萬次雷電，平均每秒放電100次。人類是無法制止的雷電。人們力所能及——預防和限制雷電的侵入途徑雷電的侵入途徑直擊雷雷直擊于外部雷電保護系統或建筑物接地的外部傳導部件雷直擊架空線閉環閉環直接對地耦合（地之間的電阻耦合）：當雷電電流在設備附近放電時，流過地面的雷電電流將導致接地電壓增加和PE的電壓能高達幾千伏。雷擊在外部保護設備上會在由電線形成的閉環上產生過電壓電感耦合雷擊產生的磁場將在任何環形配線中導致過電壓，在高空電線周圍的雷擊將在這些線上產生過電壓附近雷擊雷電的侵入途徑操作過電壓斷路器的開/關

變壓器、電機或電感、電阻突變皆可產生很快的電流變化(di/dt)和產生瞬時過電壓。過電壓雷電的侵入途徑SPD的2個功能:

釋放電涌電流

限制過電壓(1.2kV).SPD至少包含一個非線性元件?正常情況下，SPD對應用系統沒有任何影響。它在線路中起開路作用和保持相與地之間的絕緣。?當電涌發生時，SPD將瞬間（納秒級）降低其阻抗，同時傳導電涌電流。?當電涌發生后，SPD恢復高阻抗和起開路作用。雷電的術語10/350μs波形模擬具有高電能的直接雷擊8/20μs波形模擬間接或遠程雷擊，或者模擬開關操作雷電的術語Type1(ClassB)SPD用于處理雷電沖擊電流的波形10/350μs。一般推薦安裝在高暴露的地方，例如：雷電保護系統保護的或架空線供電的建筑物進線端。Type2(ClassC)SPD測試波形8/20μs時間比10/350μs短，用于釋放遠處雷擊或開關操作產生的低電能。一般建議安裝在沒有對直接雷擊暴露的地方雷電的術語沖擊電流Iimp：10/350μs電流波形的最大值，用來描述Type1產品。Type1(classB)產品應該耐受10/350μs電流波形5次增加的沖擊(0.1Iimp,0.25Iimp,0.5Iimp,0.75Iimp,Iimp)。最大放電電流Imax：8/20μs電流波形的最大值，用來描述Type2產品。Type2(classC)產品應該耐受8/20μs電流波形5次增加的沖擊(0.1Imax,0.25Imax,0.5Imax,0.75Imax,Imax)。標稱放電電流In流通SPD（有一個8/20μs電流波形）的電流峰值。根據IEC61643-1§7.6.4和IEC61643-12§5.5.2.1標準，Type1(classB)和Type2(classC)SPD應耐受15次8/20μs波形沖擊電流的幅值In。雷電的術語雷電電涌開關電涌230V50Hz瞬時過電壓暫時過電壓Un=230VSPD目標SPD對手最大持續工作電壓Uc最大r.m.s(均方根值)或直流電壓可持續供電SPD，它相當于SPD的額定電壓。典型電網為50Hz-230V（相-中性線），ABB開發了Un為255V或275V的產品。暫態過電壓UT在一個指定時間tT內，SPD可耐受的最大r.m.s.（均方根值）或暫時直流過電壓（TOV）。當暫時過電壓后，SPDs發生故障時，應該對人身、設備或設施沒有危害。例如：對于230V的相-中性線TN電網，根據IEC60364-4-442標準，在5s內，它應該比相與地之間的電壓334V高。雷電的術語1msmax電壓保護水平Up

是當釋放沖擊電流到地面時，由接線端子之間的電涌保護器給定的電壓。它直接由變阻器和火花間隙產生，不可超過連接在下級設備的耐受電壓值。續流If.If是指SPD電涌電流流過（過電壓消失）之后，在電力系統供電電壓作用下流過SPD的電流。火花間隙或氣體放電管會產生續流（電弧），非線性電阻不會產生續流。如果電弧不被切斷，此電流將達到電力系統預期的短路電流Icc。續流切斷能力Ifi(或額定斷開續流值)在Uc下SPD切斷的續流If值。SPD的Ifi

應該等于或大于安裝點的預期短路電流(Icc)雷電的術語UocU(V)I(A)R雷電保護區域(LPZ)?LPZ0A：本區內的各物體都可能遭到直接雷擊和導走全部雷電流；電磁場強度沒有衰減。?LPZ0B：本區內的各物體不可能遭到大于所選滾球半徑對應的雷電流直接雷擊，電磁場強度沒有衰減。?LPZ1：本區內的各物體不可能遭到直接雷擊，流經各導體的電流比LPZ0A和LPZ0B要小；電磁場強度可能衰減。TypeI(ClassB)SPDs

應該安裝在LPZOA和LPZ1之間的界面處，阻止雷電沖擊電流通過線路進入。?LPZ2：本區內流經各導體的電流比LPZ1更小，電磁場強度會進一步衰減。Type2(ClassC)SPDs安裝在LPZ1和LPZ2之間的界面處，用于泄放剩余電涌電流和限制過電壓。?LPZ3：與LPZ2相比，裝有靈敏設備的區域由振蕩效應產生的過電壓、電磁場強度和操作過電壓被減少。SPD的配置空調LPZ1LPZ2LPZ3LPZ1LPZ1LPZOALPZOALPZOBLPZOBLPZ1LPZ2用于LPZOA–LPZ1界面處的電涌保護器用于LPZOB–LPZ1界面和更多界面處的電涌保護器用于LPZOA–LPZ2界面處的組合型電涌保護器埋地電纜入口處安裝的Type1SPD接至主匯流排，當外部雷電系統中發生直擊雷時，此SPD將釋放供電網絡中的部分雷電流。空調系統引下線接地系統架空線入口處安裝的組合型電涌保護器接至接地匯流排，直接保護LPZ2的設備，使部分雷電流無法進入LPZ2。由于照明燈處于LPZ0A，用于照明的供電電纜應安裝Type1SPD。LPZOALPZOB外部雷電防護系統的雷電保護區界面環形接地電極金屬外殼屏蔽水泥墻鋼筋地基的鋼筋SPD的配置TN-SL1L2L3NPE總配電室分配電室精確保護電涌保護器電涌保護器電涌保護器F2F1RCD總接地端子排局部接地端子排(如果存在)設備首端kWh1212LPZ0LPZ1LPZ2F2外部雷電保護系統SPD的配置TN-C-SL1L2L3PEN總配電室分配電室精確保護電涌保護器Type1Type2,Imax=40kA/極,Up=1.5kVType3Up=0.8kV外部雷電保護系統電涌保護器電涌保護器F1RCD總接地端子排

分接地端子排(如果存在)設備首端kWh1212LPZ0LPZ1LPZ2F2F2SPD的配置TTL1L2L3NPE總配電室分配電室精確保護電涌保護器Type1Type2,Imax=40kA/極,Up=1.5kVType3,Up=0.8kV外部雷電保護系統電涌保護器電涌保護器F2RCD總接地端子排局部接地端子排(如果存在)設備首端kWh12LPZ0LPZ1LPZ2F1F2SPD的配置I=100kA(10/350μs)

50%

Is=50%

Is/3=16.3%

Is/3=16.3%

Is/3=16.3%

金屬煤氣管金屬水管全部雷電流I的50%流入雷電保護系統的接地裝置。剩余的50%雷電流Is分配于引入建筑物的各種外來導電物、電力線、通信線。I=100%(10/350μs)I=50%

I=50%

I=5x10%

SPD的配置

水管和煤氣管通訊網絡24V

10

10

I=100kA10

50x10=500kV

50kA

50kA

28kA

2x11kA

14kA

14kA

10

10

7x10=70kV

7kA

7kA

7kA

7x10=70kV

7kA

7kA

SPD的配置火花間隙和放電管當沒有過電壓（無電流流過）時，它具有高阻抗特性。當有過電壓時，阻抗在100ns內迅速降到0.1-1Ω。SPD的技術2.當電涌發生時，2極之間的電壓將在幾us內劇增。4.電涌電流流通電極.相和地短接，電涌電能流通火花間隙。UocU(V)I(A)RU(V)T(μs)I(A)電火花過電壓:火花間隙2極之間擊穿放電之前的最大電壓值轉換電壓1.沒有電涌時，火花間隙具有高阻抗特性(一般1000MOhms)，此時，SPD作為開路。3.當電壓達到幾千伏時（電火花過電壓），電極之間的空氣或氣體將發生電離和將產生電弧OVRT125255

OVRT150NOVRT13N25255TS

OVRT1+225255TS自動觸發電極產生小火花一旦浪涌入地,電弧會進入滅弧室并自動熄滅熱氣通過排氣通道排出,避免引起火險小火花導致主放電間隙擊穿,把浪涌能量引入大地電子觸發裝置感應到浪涌并進行放大SPD的技術OVRT1電涌保護器技術特性Type1-OVRT1Type1+2-OVRT1+2（B+C）Type1-OVRT1N技術工藝觸發式火花間隙觸發式火花間隙＋MOV中性線火花間隙電氣特性標準IEC61643-1/EN61643-11型號/測試等級T1/TypeⅠT1＋2/TypeⅠ＋TypeⅡT1/TypeⅠ極數1P/3P/4P1P+N3P+N1P1P電網型式TN-S/TN-C/TN-C-STTTTTT/TN-S/TN-C/TN-C-STT/TN-S/TN-C/TN-C-S電流類型ACACAC額定電壓Un230230/最大持續工作電壓UcV255255255電壓保護水平Up(L-PE)kV2,5//1.52.5/4電壓保護水平Up(L-N/N-PE)kV

/2.5/2.52.5/2.5//額定放電電流In(8/20)kA2525252525每相沖擊電流Iimp(10/350)kA25//2550/100沖擊電流Iimp(10/350)(L-N/N-PE)kA

/25/5025/100//TOV耐受特性UTOV(5s)V400//3341200TOV耐受特性UTOV(L-N:5s/N-PE:200ms)V

/400/1200400/1200//額定斷開續流值Ifi

kArms50//15/額定斷開續流值Ifi(L-N/N-PE)kArms/50/0.150/0.1/50/0.1持續工作電流Ic

mA無＜1＜1耐受短路電流Icc

kArms505050額定負載電流ILA//125最大后備熔絲A：并聯/串聯接線（V型接線）315/125315/125N/AUocU(V)I(A)R電涌發生和電壓增加電涌電流流通變阻器T(s)U(V)I(A)剩余電壓金屬氧化物電阻器MOV的SPD無過電壓時（泄漏電流將流通），具有高阻抗特性，但其高阻抗將隨著過電壓的增加而減少。當出現過電壓時，MOV電阻（大于1MΩ)將瞬間（幾納秒）降至1Ω以下。I(A)U(V)SPD的技術OVRBT2型號速查表電涌保護器主型號T1：第Ⅰ級(電壓開關型)T1+2：第Ⅰ＋Ⅱ(B+C)級組合型BT2：第Ⅱ級限壓型T1、T1+2：沖擊電流Iimp(kA，10/350

s)，7、15、25、50和100BT2：最大放電電流Imax(8/20

s)，10、15、40、70、100最大持續運行電壓Uc(V)：275、320、385、440特殊或附加功能s：安全儲備保護及顯示P：插入式模塊TS：遠方報警信號接點*不帶附加特殊功能時,無此虛線框內的字母。極數1N：

單相+中性線2：雙極(用于直流線路)3N：三相+中性線*對于單極模塊或插入式模塊，無此虛線框內的字母和數字。440sPTS370-N-OVRBT2OVRBT2性能特點最大放電電流Imax為100kA/相電壓保護水平Up＜1200V具有共模/差模保護具有老化過熱保護具有內部隔離器具有報警顯示插入式結構（可選）遠方報警功能（可選）集中監控模塊數多達15塊安全儲備保護及顯示適用于各種低壓配電網絡單極和多極固定式OVR固定式OVR內部電氣結構圖OVR1NOVR3NNLNL123差模保護模塊差模保護模塊共模保護模塊共模保護模塊單極和多極插拔式OVRBT2OVR1NPNPhNPh123插拔式OVRBT2內部電氣結構圖

OVR3NPMOV芯片基座熱脫扣裝置模塊殼體安全儲備保護（冗余保護）指示窗口為白色：OVR處于正常工作狀態。2/3指示窗口為紅色：OVR處于后備工作狀態,應盡快更換。在這種狀態下，OVR防雷性能降低。指示窗口為紅色：OVR處于失去狀態，應立即更換。試驗檢測：兩個40kA閥片并聯,通流容量65～70kA。當MOV模塊溫度升很高時…低溫焊錫融化熱脫扣裝置動作信號孔獲取信號時……白色片狀機構動作兩個MOV模塊其中一個脫扣兩個MOV脫扣國外品牌國內品牌Type1SPDType2SPD設備Type1SPDType2SPDU2I1I2U1LLdi/dt(*)12匹配原理過電壓作用于1點和2點（火花間隙沒電流流過和非線性電阻基本上也沒有電流流過：Ldi/dt差不多為零。）首先響應的SPD是具有最低電壓保護水平Up的Type2SPD。電流流過Type2SPD和在電感(電纜長度)兩端產生電壓降Ldi/dt。當U2+Ldi/dt達到Type1SPD的點火電壓（擊穿電壓）時，Type1SPD動作（電極間產生電弧）。大部分能量流過Type1SPD。SPD的技術7-Type1SPD完成電流釋放1-Type2SPD開始動作4-Type1SPD在Up1動作（點火）2-電流開始流過Type2SPD5-電流開始流過Type1SPD6-Type2SPD完成電流釋放。Type2SPD釋放的一部分電流低于它的最大通流容量3-Ldi/dt增加電弧電壓Type1SPDType2SPD設備SPD的技術共模保護可以和OVRT150N聯合使用以實現共差模保護

OVRT1+225-255TS火花間隙MOVSPD的技術OVRT1/1+2性能特點T1T1+2OVR電涌保護器預期壽命長和可靠性高TOV(暫態過電壓)耐受特性:SPD可以承受電網電壓440V（5s）以內的任何波動，具有安全失效的模式,最高可承受1430V(200ms)的TOV(無明火，無生命危險)依據IEC61643-12的安裝標準進行V形連接以簡化接線形式集成在SPD本體的TS遙信觸點領先的觸發式火花間隙技術OVRT1/1+2產品選型低壓架空進線或使用避雷針建筑應使用10/350μs波形測試產品依據GB50057-94(2000年版)，GB50343，IEC60364/GB16895.22供電優先原則保護優先原則保護器件的安裝位置MCBSPD動作后設備仍運行，但無保護被保護設備被保護設備MCBSPD動作后設備停止運行(被保護)建議：一級SPD（OVRT1/1+2,OVR100、65）因性價比選取相應型號的熔絲二、三級SPD（OVR40、15）選微斷，S270、S260、S250S系列注：前端保護器件分斷能力要根據安裝點的短路電流計算進行相應調整一般安裝規定外部保護元件的選用OVR的安裝TN-S系統SPD選用示例RCDL1N被保護設備

OVR1N-40或OVR1N-40P被保護設備

L1L2PEPE單相回路三相回路PEOVR3N-40或OVR3N-40PUc據具體情況選定OVR的選型OVR樣本P9、P13中選取的防雷性能最佳選取圖例RCDNL3PEPEPETT系統SPD選用示例RCDL1N被保護設備

OVR1N-40或OVR1N-40P被保護設備

OVR3N-40或OVR3N-40PRCDL1NL2L3PEPE單相回路三相回路當OVR安裝在RCD負荷側Uc據具體情況選定Uc據具體情況選定當OVR安裝在RCD電源側,必須選用當OVR安裝在RCD電源側,必須選用OVR1N-40POVR3N-40POVR的選型OVR樣本P9、P13中選取的防雷性能最佳選取圖例PEPETN-C系統SPD選用示例被保護設備

3ⅩOVR403ⅩOVR40PPEN重復接地L1L2L3PEN三相回路Uc據具體情況選定OVR的選型OVR樣本P8、P12中選取的防雷性能最佳選取圖例IT系統SPD選用示例

被保護設備

被保護設備

2ⅩOVR-40-440或2ⅩOVR-40-440P3ⅩOVR-40-440或3Ⅹ

OVR40-440PPEPEL1NL1NL2L3三相回路單相回路中性線引出時OVR的選型OVR樣本P8、P12中選取的防雷性能最佳選取圖例BACK安裝實例OVROVR最短距離接地點連接導線短而直OVR的選型

OPR（OptimizedPulseRod）結構和原理

OPR保護范圍的計算

OPR的選型及安裝市場競爭產品OPR系列優化脈沖提前放電避雷針OPR的工作原理無雷電云時，大氣中的電場強度E約為300V/m。有雷電云，云與地之間的電場強度E為10kV/m～20kV/m時，OPR通過底部電極吸收空間電場的能量并將電荷儲存在內部裝置中。電荷充電到一定程度時，通過其上部電極(d間隙擊穿)放電，OPR上部和尖端周圍形成強烈的離子層，提前產生一個向上發射的先導，使下行先導放電通道畸變。上行先導迅速向下行先導方向傳播并捕獲雷電，將雷電流經引下線導入大地，保護OPR下方的設施。OPR系列優化脈沖提前放電避雷針OPR的工作原理實驗表明：比普通避雷針更早地產生上行先導，啟動時間的搶先優勢ΔT，賦予了OPR更加有效的防雷保護空間顯著地提前放電時間ΔTOPR為無源系統，不需其它供電源支持，為非放射性元件的電子裝置。OPR系列優化脈沖提前放電避雷針在同等的測試條件下，將OPR與普通針的放電時間進行比較，OPR啟動上行先導時間與普通針的啟動時間的差為提前放電時間ΔT。ΔT=TSR-TE.S.ETSR－普通針的平均啟動時間TE.S.E－提前放電避雷針的平均啟動時間OPR系列優化脈沖提前放電避雷針提前放電時間ΔTOPRMeetingPointMeetingPointOPR系列優化脈沖提前放電避雷針普通避雷針OPR普通避雷針OPROPR比普通避雷針具有更強的雷電捕獲能力OPR系列優化脈沖提前放電避雷針OPR型號和結構

OPR系列優化脈沖提前放電避雷針顯著的提前放電時間ΔT能量自給的獨立脈沖系統相同高度下，OPR比普通避雷針保護范圍更大落雷準確度高，減少了雷擊于非避雷針體的概率免維護，無源、無需供電、無損耗元件安全可靠，無放射性元素、不銹鋼材料、耐腐蝕能力強重量輕，荷載小，安裝簡便，造型美觀極強的抗風能力OPR系列優化脈沖提前放電避雷針性能特點法國電氣中心實驗室測試

武漢高壓研究所（WHVRI）權威測試，與普通避雷針的對比試驗效果十分顯著OPR認證OPR系列優化脈沖提前放電避雷針WHVRI試驗結論ABB優化脈沖提前放電避雷針（OPR30）比普通避雷針（Franklin）擊穿時間短約50μs,即TB約為50μs。OPR30避雷針擊穿時刻的峰值電壓約比普通避雷針擊穿時刻的平均峰值電壓減小0.084MV，即ΔVB=0.084MV。OPR30避雷針經本次施加沖擊電壓擊穿試驗后，經測試試品內部裝置工作正常。OPR系列優化脈沖提前放電避雷針OPR選型兩個主要因素二、保護半徑Rp參考右圖計算值一、被保護物的重要程度及雷電風險評估“被保護物的重要程度”參見GB50057第二章“建筑物防雷分類”及附錄一“雷電風險評估”參見GB50343－2004附錄AOPR避雷針的選型

Rp：至針尖垂直距離h的平面的保護半徑h：OPR針尖至被保護物的垂直距離D:滾球半徑OPR保護范圍的計算

Rp：至針尖垂直距離h的平面的保護半徑h：OPR針尖至被保護物的垂直距離注：安裝高度要高于被保護2m保護半徑Rp由三個因素決定1.實際測量的ΔTOPR30型ΔT=30μsOPR60型ΔT=60μs2.根據《建筑物防雷設計規范》防雷等級或雷擊危險評估計算出的保護等級Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，確定保護半徑RP3.OPR針尖至被保護物的垂直距離h保護半徑Rp:Rp=

h(2D-h)Rp=

(h(2D-h)+L(2D+L))地面hRp普通避雷針D地面DD

LR