防雷器性能与参数

防雷器性能与参数

谢湘梅王佩张珺

1湖南省桂阳县气象局424400；2湖南省郴州市气象局423000

摘要：防雷器是防雷避雷必不可少的设施，其性能决定防雷避雷的效果。分析研究防雷器的参数与性能，合理设计应用防雷器，是确保防雷避雷效果的关键。了解防雷器的参数与性能，才可以分析研究应用防雷器，做好和完善防雷措施，保证防雷安全。

关键词：防雷器性能参数分析应用

前言防雷器的防雷效果决定于防雷器的性能，防雷器的性能取决于防雷器的参数，分析研究防雷器的参数可以更好的发挥防雷器的性能，合理应用和安排防雷器的参数可以让防雷器有更好的防雷效果，从而可以更好地防雷避雷，减少或避免雷电灾害给人们给社会造成的损失。才能够让我们的防雷工作更好的服务于社会和人类。

1.防雷器

防雷器就是防御雷电的器具，一般使用中分防直击雷和防雷击电涌两大类。

1.1防直击雷防雷器

防直击雷防御器就是防御、拦截或遮挡直击雷直接击毁建（构）筑物或其它物体（如电力设施、设备或露天摆放的物体）。平时说的接闪器，分接闪杆、接闪带、接闪网、接闪线。以前还有把优化的接闪杆称作是消雷器、引雷器、多（？）针防雷器、放射性消雷器、提前放电避雷针、预放电避雷针等，现在只称作是优化避雷针，而且在很多场所都还在推广使用。

优化避雷针就是通过材料和结构上的优化，让避雷针更容易让雷云放电，而且尽可能的让放电电流小。

1.2防雷击电涌防雷器

防雷击电涌防雷器通常被称为避雷器、电涌保护器、过电压保护器。其实际上就是防御雷电在导体上形成的电涌（即雷击过电夺，雷击强电流、雷电浸入波）对导体上的设施设备造成电击危害，雷击电涌可能是直击雷电，（有电流感应和静电感应），反击雷电或雷击电磁辐射等形成的，所以雷击电涌的强度可以在几百千安到几微安之间，为防御这复杂而强度差别之大的雷击电涌，电涌保护器的品种、类型及所用材料也非常之多。

电涌保护器的种类有组合防雷箱、模块避雷器、阀式避雷器、空气间隙、气体放电避雷器、氧化锌避雷器、半导体避雷器、压敏电阻避雷器等。

2.防雷器性能

2.1防直击雷防雷器的性能

防直击雷防雷器的性能就是让避雷器此比周围物体或被保护物更容易、更快让雷云放电，且放电电流越小越好。更容易、更快让雷云放电就保证了雷云不对或少对周围物体（被保护物）放电，从而就减少了周围物体的雷击风险，放电电流小，就是让雷云放过程中的雷电感应、雷电反击、雷电辐射等危害减少。

让防雷器容易放电的基本做法是增加防雷器高度、增加防雷器的导电性能、降低防雷器接地电阻，从材料、结构、形状设计成更容易让雷云放电，越容易让雷云放电就是自身引雷效果，保护周围物体免遭雷击危害的可能性越大，从而可以说成是防雷器的保护效果好，还可以说成是防雷器的保护范围大。很多厂家把自己的防雷器保护范围说得很大，比如保护半径可达一百米之多，保护角度可达八十度以上，这些使用者只能参考。首先国家没有任何规范标准承认防雷器有这么大的保护范围。而且在实际情况中，有时候任何优化的高级的防雷器都可能没有一点保护范围，如高处的“侧击雷”，强对流天气形势下强风吹动的雷雨云。在我们的工作中就遇到了雷电将避雷带旁边下面的混凝土击烂掉落的情况。防雷器性能只能尽可能相信，发挥其防雷效果，不能确信防雷器的性能完全可靠。

2.2防电涌防雷器

防电涌防雷器就是在导体或某一线路上在有雷击电涌时其响应时间快、分流的电涌电流多、箱位后的电压低，从从而让线路上的其它设备免受雷击过电压、过电流的危害。但是，没有理想的防雷器可以在最短时间内（其它设备还没反应的情况时）将雷击电涌的强电流分流干净，将雷击过电压钳位在设备工作电压之内，而且还要防雷器本身不要损毁，还要在设备反应时间内恢复线路正常工作状态。就是防雷器的性能要尽可能满足耐冲击通流量、响应时间快、恢复时间短、分流多、钳位限压后残压低，这些就需防雷器使用元器件的性能参数来保证合理使用，有些情况还需搭配使用防雷器元器件，充分发挥元器参数效果，才能保证防雷器的可靠完善，从而更完好的保护其它（被保护）设施设备的防雷安全。

3.防雷器参数

3.1防直击雷防雷器的参数

雷云对防雷器的放电电场电压强度：就是雷云与防雷器之间电压强度达到多少伏，雷云对防雷器放电－闪击电压。雷云对防雷器放电的持续时间，即闪击时间。雷云对防雷器放电时，雷电流通道的电流强度，即闪击电流。雷云对防雷器放电时的通道阻抗，即防雷器的冲击接地电阻，它一般是平时测得的工频接地电阻的十分之一至五分之一。

雷云对防雷器放电时的通道感抗，即防雷器雷电流通道中电感对雷电流的阻抗；感抗计算公式为XL=2πfl，f为频率，l为电感。防雷器结构的几何参数，即材料规格大小。

普通接闪装置的基本参数也是基本性质的参数，即：闪击电压就电压强度可击穿空气的强度，它与距离有直接的关系；在均匀电场，气压为0.098MPa、温度为20℃、两极间距大于0.1cm的条件下，空气击穿电压与极间距离保持以下关系Uj=300B+1.35，式中：Uj为空气击穿电压，kV；B为电极间距离，cm；计算可得1mm空气击穿电压为31.15kV。

通道感抗基本上可忽略不计。优化避雷针就不一样了。优化避雷针闪击电压可以是普通接闪装置的二分之一至五分之一，这决定于优化避雷针的优化性能，就是其材料及结构组成的优化性。这一性能目前世界上可以检验的机构和场所不多，需要大型的可模拟雷电的场所和设备，使用人员是不可能检验测试的。只能是一方面参考产品介绍，另一方面相信科技总有价值，它是优化的就肯定比普通的接闪装置优化。

优化避雷针在结构上和针与接地连接通道上会设置一些阻抗（主要是感抗），使得在雷云对防雷器放电时的时间会延缓，电流会变小，但又不影响它降低放电电压强度的优化性。因为感抗对高频呈现大的阻抗，对低频阻抗为零，感抗可降低雷电流幅值。这样雷云放电时的电流感应、电磁辐射、雷电反击等大大降低了、雷击的危害就小多了。

例如：在“针”与连接杆之间加一金属球，球的上部可让雷云与针之间更易感应电荷，可降低雷云与针之间的击穿电压，球的曲面对高频的雷电流呈感抗，又可降低放电电流，延缓放电时间，降低雷击波形陡度，不就是优化了避雷针，当然，更加复杂的设计、更优化的结构和材料，可能会是更加优化的防雷器。

3.2防雷击电涌防雷器参数

3.2.1雷电通流量：指防雷器中芯片可承受的雷击电流值，多以千安为单位，有最大值即实验击穿临界值，标准值即通过200次或200次以上实验电流芯片未击穿。检验这一参数的实验电流有8/20和10/350两种波形，检验效果无很大差别，但参数值8/20波形实验电流是10/350波形实验电流的六分之一，这一参数应拒绝由多个小参数元件并联成大参数元件使用，这一参数只能在实验台上检验，使用人员无法测量，一般参考产品的标注。

3.2.2响应电压：防雷器芯片导通电压，临界电压多以伏为单位，原则上响应电压越低越好，但太低容易发生误导通影响电路正常工作，还有就是实际过电压与响应电压差越大，击穿可能性越大。这一参数使用人员可以检测，也应随时检测，它可直接体现防雷器能否使用和使用质量、效果。

3.2.3响应时间：防雷器反应速度，以微秒或纳秒为单位，原则上响应时间越短越好，它决定于防雷器芯片的性质、材料、质量以及防雷器装配中的辅助件及连接导体。

3.2.4残压：雷击过电压通过防雷器后呈现的电压，多以千伏为单位，它取决于防雷器的响应电压、响应时间、材料性质、结构、连接导线及接地电阻等，当然是残压越低越好。

3.2.5工作电压：防雷器可持续工作的电压，以千伏和伏为单位。

3.2.6续断时间：防雷器经过电压导通过后可能连续导通，这样就可能影响线路上正常工作或终止线路的正常工作状态，所以它必须在过电压经过后“断开”，其断开时间就续断时间，多以微秒或纳秒为单位，它决定于防雷器芯片的材料、性质。

3.2.7漏电流：防雷器在工作电压状态下的电流多以微安为单位，它决定于防雷器芯片的材料、结构，其数值必须确保不影响线路的正常工作，它也可以由使用人员检测。

3.2.8接地电阻：当然是越小越好，在多系统共用接地体的时候，要求接地电阻小于1欧姆，不大于4欧姆。接地电阻与残压的关系：接地电阻越大残压就越高Ur=RI；Ur为电涌保护器上端残压，R为电涌保护器下端接地电阻，I为通过电涌保护器的雷电流。

3.2.9连接导线：导线截面积不小于2.5平方毫米，导线长度不能太长，因为长导线对于高频的雷电流呈现很大的阻抗，它可能使残压成倍增大而失去了防雷器效果，一般要求相线加接地连接线长度不大于15米，在高层建筑中，建筑物的均压环可看作是接地装置。导线长度阻抗计算式：R=ρL/S；ρ为电阻率（铜的电阻率为0.0175），L为导线长度，S为导线截面积。与残压的关系：导线长度越长，导线阻抗越大，残压也就越大。实际上电涌保护器上端残压是导线长度阻抗加接地电阻共同形成的残压。

3.3电涌保护器材料、元件品种与参数的关系

氧化锌压敏电阻：响应和续断时间短，雷电通流量不能做得太大，目前标称通流量最大的在80KA以上，多用并联使用增大通流量，但多个并联使用是不可取的。

气体放电管：通流量可以做得较大，很容易做到100KA以上，但其响应时间长，续断时间非常长，约工作电压与导通电压差别不大，它就不会续断，完全可能让线路处于对地短路的工作状态，所以需慎重使用。

半导体器件：如可控二板管、闸流管、二极管、稳压管等都可以用于防雷器芯片之中，其响应时间和续断时间短，但其通流量小，耐冲击电压低，多使用于信号通道、弱电线路防雷。

空气间隙：其响应时间、续断时间都短，但其响应电压较高，做得太低易造成短路，不易操作，多使用在高压线路上。

阀式避雷器：相当于带有“机械部件”一样的防雷器，其响应时间和续断时间不是很短，以微秒或毫秒计，通流量也可做得较大，耐冲击电压高，多使用于高压线路中。

4.防雷器参数与防雷器性能（效果）的关系

4.1防直击雷防雷器

人们理想的情况下是雷云对防雷器电压越低越好，放电提前得越早越好，而放电时的电流越小越好，雷击波形陡度越小越好，这样可减小雷电流强度，降低雷击的危害，但这样都是厂家研究所才能做、才能检验的，使用都只能按照产品说明使用，这里就不多做论述。

4.2电涌保护器

人们理想的情况防雷器通流量越大，响应时间越快，残压越低，漏电流越小，续断时间越短，防雷避雷的效果就越好，但是每一种器件参数都有它的优点和缺点，还有局限性，必须合理使用各种防雷器的参数才能达到更好的防雷效果。

在一般设备的供电线路，其引入的雷击电涌有可能是直击雷形成的，其过电压会很高，电流强度会很大，也可能是电流感应或电磁辐射、静电感应等引起的，其强度大小可能正好是超过保护设备的耐受电压，可能防雷器没反应，设备却遭雷击损坏了，所以，对需要保护的用电设备，必须使用两级以上防雷器保护。对特殊情况，如与架空线路较近的区域或被保护设备较重要，耐冲击水平较低的电子设备，如电脑和电梯等，必须使用三级以上防雷器保护。每级之间必须保证足够的线间距离（导线应大于20米）或退耦器，以免防雷器之间的误响应发生。

第一级（即前级）应该考虑以大通流量和耐冲击电压为主，一般通流量80KA（8/20试验波形）以上，响应电压800V以上（因为低响应电压的耐冲击电压很低），若用到续断时间长或续断电流较大的器件应串联溶断器或漏电保护开关使用，以免影响被保护电路的正常工作。末级则考虑最低响应电压（接近工作电压峰值，又不危害线路正常工作），最快响应时间和续断时间的防雷器，其通流量可不需太大（太大了产品体积大不便放置），这样，可防御雷击过电压从外部过来的残压又可防御被保护设备附近因感应雷电或电磁辐射形成的弱小过电压对被保护设备造成的雷击危害了，又便于安装和放置，当然，为降低响应电压太低对线路工作的风险，有必要在保护线路（防雷器并联使用线路）上加装“漏电保护”装置。实际中使用的是带漏电保护的防雷插板，其防雷器件的芯片使用450－500V响应电压，通流量5－10KA，响应和续断时间以纳秒计的元件，多使用氧化锌压敏电阻。

中间级防雷器参数配置参照上述两级中间值使用，这样，基本可保证任何被保护线路上设备的防雷安全。

对于信号通道和弱电设备的防雷设备，由于其遭遇直击雷和强雷电危害的可能性较小，多考虑使用低响应时间、低续断时间、低响应电压的模式保护，为达到两级以上的效果，须采用在线路上串联使用组合式信号（或弱电系统）防雷器。所以，多采用半导体芯片加隔离（退耦）线圈、与压敏电阻或气体放电管组合使用的方式，但必须考虑与线路的传输速率和阻抗的匹配，防雷器的串联加入应不影响信号的传输。

4.3防雷器参数使用的实践依据

在一次雷击计算机中心机房事件中，两排并放的计算机设备，一边的设备完好无损，另一边的损坏过半，细查以后是另一边（新增）的设备未使用末级电源防雷器（其响应电压接近工作电压），所以是未使用最低响应电压防雷器保护造成的雷击损失。

在多次的电梯遭雷击损坏的事例中，仅考虑将电梯电源柜中防雷器响应电压680V换成响应电压520V左右防雷器，做好电梯设备、电源系统的重复接地，从此而无雷击祸害，这也是临界值附近响应电压防雷器所保障的。

在一起信号防雷的防雷项目事例中，电源系统采用了多级防雷保护，其设备信号系统工作电压±15V，开始使用响应电压60V以上防雷器，无防雷效果，后改换使用36V左右响应电压防雷器，从此，在任何雷击过程中安然无恙，实践证明这也是使用最低（临界值附近）响应电压防雷器的效果。

5.结束语

综上所述，防雷器参数决定防雷保护的效果，特别是在电涌保护的防雷措施，必须考虑防雷器参数并应在确保被保护设备线路的安全下，尽可能使用最低（离工作电压临界值最低）的参数的防雷器，才能确保防雷设施的防雷效果，确保被保护设施、设备的防雷安全。合理、正确、大胆使用防雷设施的技术参数，是保证防雷安全、可靠、实用的根本。

参考文献：

[1]GB18802.1低压配电系统的电涌保护器（电涌保护器）第一部分：性能要求和试验方法.2016

[2]GB18802.21低压电涌保护器第21部分：电信和信号网络的电涌保护器（电涌保护器）性能要求和试验方法.2016

第一作者简介：谢湘梅（1965年4月-），女，汉族，湖南省桂阳县人，中专，助理工程师；从事雷电防护工作。