夏季(ji)是雷(lei)電活動(dong)頻(pin)繁(fan)的季(ji)節(jie)，對於(yu)防(fang)爆空調這類(lei)高價(jia)值電(dian)氣(qi)設備(bei)而言，雷擊造(zao)成的電路(lu)損(sun)壞尤為常(chang)見(jian)。其中，壓敏電(dian)阻作(zuo)為(wei)電(dian)路(lu)保(bao)護的關鍵(jian)元(yuan)件，其擊穿(chuan)損(sun)壞往(wang)往(wang)與(yu)雷(lei)擊直(zhi)接(jie)相關。因此(ci)，深入(ru)理解雷(lei)擊對壓敏電(dian)阻的影響(xiang)機制(zhi)，並(bing)采取科學(xue)有效(xiao)的避雷措施，對於(yu)保(bao)障設備安(an)全(quan)運(yun)行(xing)至(zhi)關重(zhong)要(yao)。
壹(yi)、壓敏電(dian)阻的工(gong)作原理與(yu)雷(lei)擊損(sun)壞機制(zhi)
壓敏電(dian)阻(MOV)是(shi)壹(yi)種(zhong)電(dian)壓敏感(gan)型(xing)半(ban)導體元件，其核(he)心(xin)特(te)性(xing)是在(zai)正(zheng)常電(dian)壓下呈現(xian)高阻(zu)抗狀(zhuang)態，而(er)當(dang)電壓超過(guo)閾(yu)值時(shi)迅(xun)速(su)轉(zhuan)為(wei)低阻抗，從(cong)而將(jiang)過(guo)電(dian)壓能(neng)量泄(xie)放(fang)至大(da)地(di)。在(zai)防爆空調電路(lu)中(zhong)，壓敏電(dian)阻通(tong)常(chang)並(bing)聯在(zai)電源輸入(ru)端，用(yong)於(yu)吸(xi)收(shou)浪(lang)湧(yong)電(dian)壓。然而(er)，夏季(ji)雷擊產(chan)生的瞬(shun)態過(guo)電(dian)壓可(ke)達數千(qian)伏甚(shen)至更高(gao)，遠(yuan)超(chao)常(chang)規壓敏電(dian)阻的耐受能(neng)力(通(tong)常(chang)為470V-680V)。當(dang)雷(lei)擊能(neng)量超過(guo)元(yuan)件標(biao)稱吸(xi)收(shou)焦耳數(常見(jian)規格為100J-400J)時，會導致(zhi)壓敏電(dian)阻內(nei)部(bu)晶(jing)界(jie)層熔(rong)穿(chuan)，表現(xian)為元(yuan)件開裂(lie)、燒(shao)焦或(huo)阻值(zhi)歸零(ling)等(deng)不可(ke)修(xiu)復(fu)性(xing)損(sun)壞。
雷擊損(sun)壞的具體路(lu)徑包(bao)括：
1. 直(zhi)擊雷(lei)破(po)壞：雷電(dian)直(zhi)接(jie)擊中(zhong)供電(dian)線(xian)路(lu)時(shi)，產(chan)生(sheng)的數十千(qian)安級(ji)電流(liu)會通(tong)過(guo)電(dian)源線(xian)傳導至(zhi)設備(bei)，造(zao)成壓敏電(dian)阻瞬(shun)間過(guo)載(zai)。
2. 感(gan)應(ying)雷效(xiao)應(ying)：雷電電(dian)磁脈沖在(zai)附近導體上(shang)感(gan)應(ying)出數(shu)千(qian)伏電(dian)壓，這種(zhong)高頻(pin)浪湧(yong)雖(sui)持續(xu)時(shi)間短(微(wei)秒級)，但(dan)上(shang)升(sheng)速(su)率極(ji)快(可(ke)達1kV/μs)，容易(yi)引發(fa)壓敏電(dian)阻的雪(xue)崩擊穿(chuan)。
3. 地電(dian)位(wei)反擊：當(dang)建築(zhu)物(wu)防(fang)雷(lei)系(xi)統(tong)泄(xie)放(fang)雷電(dian)流(liu)時，接(jie)地(di)系(xi)統(tong)暫態(tai)電位(wei)升(sheng)高(gao)，導致(zhi)設備(bei)外(wai)殼(ke)與(yu)電(dian)路(lu)間(jian)形(xing)成電位(wei)差，可(ke)能(neng)擊穿(chuan)壓敏電(dian)阻的絕(jue)緣介質(zhi)。
二、防(fang)爆空調系統(tong)的避雷技術(shu)體系
針(zhen)對上(shang)述(shu)雷(lei)擊威(wei)脅(xie)，需要構(gou)建多級防(fang)護體系：
1. 外(wai)部(bu)防(fang)雷(lei)設(she)施(shi)
- 接(jie)閃(shan)器優(you)化(hua)：在(zai)建築(zhu)物(wu)頂(ding)部(bu)安(an)裝(zhuang)提(ti)前(qian)放(fang)電型(xing)避雷針，其觸(chu)發式主(zhu)動引(yin)雷(lei)技術(shu)可(ke)將(jiang)保(bao)護半(ban)徑提(ti)升(sheng)30%以(yi)上(shang)。根(gen)據GB50057-2010規範，接(jie)閃(shan)網(wang)格不應(ying)大於(yu)10m×10m(二類(lei)防(fang)雷(lei)建築(zhu))。
- 引(yin)下線(xian)布置(zhi)：采用(yong)多根對稱引(yin)下(xia)線(xian)(不少(shao)於(yu)8根(gen))，減(jian)小雷電流(liu)通(tong)過(guo)時(shi)的電磁耦合效(xiao)應(ying)。銅質(zhi)引(yin)下(xia)線(xian)截面積需≥50mm²，並(bing)避免90°直角彎(wan)折(zhe)。
- 接(jie)地(di)系(xi)統(tong)改造(zao)：采用(yong)環形(xing)接(jie)地(di)極(ji)與(yu)垂直(zhi)接(jie)地(di)極(ji)組(zu)合的方(fang)式，土(tu)壤電阻率高(gao)的地區可(ke)添(tian)加(jia)降(jiang)阻劑(ji)。獨立防雷(lei)地網(wang)接(jie)地(di)電(dian)阻(zu)應(ying)≤10Ω，與(yu)電(dian)氣(qi)地網(wang)間(jian)距(ju)≥3m。
2. 內部(bu)電(dian)湧(yong)保(bao)護
- 三級SPD配(pei)置(zhi)：
- 第(di)壹(yi)級(ji)：在(zai)配(pei)電箱安裝開關型(xing)SPD(如間隙(xi)式)，通(tong)流(liu)容量≥50kA(10/350μs波(bo)形(xing))，用(yong)於(yu)泄(xie)放(fang)主要(yao)雷(lei)電流(liu)。
- 第(di)二級(ji)：在(zai)空調配(pei)電回路(lu)裝(zhuang)限(xian)壓型(xing)SPD(MOV模塊)，標(biao)稱放(fang)電電(dian)流(liu)20kA(8/20μs)，電壓保(bao)護水平Up≤1.5kV。
- 第三級(ji)：在(zai)空調控制(zhi)板前(qian)加(jia)裝(zhuang)精(jing)細(xi)保(bao)護SPD(如TVS二極(ji)管)，響(xiang)應(ying)時間<1ns。
- 退(tui)耦(ou)設計：各(ge)級SPD之間保(bao)持5-10米線(xian)距或(huo)加(jia)裝(zhuang)退(tui)耦(ou)電(dian)感，確保(bao)能(neng)量分級(ji)泄(xie)放(fang)。
3. 設備(bei)級(ji)防護(hu)強化(hua)
- 壓敏電(dian)阻選(xuan)型(xing)升(sheng)級(ji)：選(xuan)用(yong)通(tong)流(liu)容量更大(da)的型(xing)號(hao)(如直徑14mm以(yi)上(shang)的561k系列)，標(biao)稱電壓選(xuan)擇1.2-1.5倍工(gong)作電壓(380V系統(tong)建議選(xuan)用(yong)470V-510V)。
- 復(fu)合保(bao)護電路(lu)：在(zai)壓敏電(dian)阻前(qian)端(duan)串聯(lian)溫度保(bao)險管(TF系列(lie))，當(dang)元(yuan)件過(guo)熱時及(ji)時切(qie)斷(duan)回(hui)路(lu)；並(bing)聯氣(qi)體放(fang)電管(guan)(GDT)分(fen)擔(dan)高(gao)頻(pin)浪湧(yong)能(neng)量。
- PCB布局優化(hua)：保(bao)護元件盡量靠(kao)近接(jie)線(xian)端子，引(yin)線(xian)長度<10cm；敏感(gan)電路(lu)采用(yong)網(wang)格接(jie)地(di)設(she)計，避免形(xing)成地環路(lu)。
三(san)、運(yun)行(xing)維(wei)護關鍵(jian)措(cuo)施(shi)
1. 雷(lei)雨(yu)季(ji)前(qian)檢(jian)測(ce)：
- 使用(yong)絕(jue)緣電阻(zu)測(ce)試儀(yi)測(ce)量壓敏電(dian)阻阻(zu)值(zhi)，正(zheng)常時(shi)應(ying)>1MΩ(500V檔測(ce)量)。
- 紅外(wai)熱像儀(yi)檢查(zha)SPD模塊溫度，溫差(cha)>5℃需立即更換。
- 接(jie)地(di)電(dian)阻(zu)測(ce)試應(ying)在(zai)幹(gan)燥(zao)天氣(qi)進(jin)行(xing)，測(ce)量值年(nian)變化(hua)率(lv)>20%需整改。
2. 雷(lei)擊後處(chu)置(zhi)流(liu)程：
- 立即切(qie)斷(duan)電(dian)源，檢查(zha)壓敏電(dian)阻外(wai)觀是否(fou)有裂(lie)紋(wen)、黑(hei)斑(ban)等(deng)損(sun)傷。
- 更換損(sun)壞元件時，需同(tong)步檢查(zha)後級(ji)電(dian)路(lu)(特(te)別(bie)是(shi)整(zheng)流橋(qiao)和(he)濾波(bo)電(dian)容(rong))是否(fou)連(lian)帶損(sun)壞。
- 記錄(lu)雷擊時(shi)間、天(tian)氣(qi)狀況(kuang)及(ji)損(sun)壞特(te)征，建立故障(zhang)數據庫用(yong)於(yu)防(fang)護改進(jin)。
3. 智能(neng)監測(ce)技術(shu)應(ying)用(yong)：
- 安裝(zhuang)在(zai)線(xian)SPD監測(ce)裝置(zhi)，實(shi)時(shi)采集(ji)漏(lou)電(dian)流、動作次(ci)數等(deng)參數，通(tong)過(guo)4G模塊上(shang)傳(chuan)至(zhi)雲(yun)平臺(tai)。
- 采用(yong)超聲波(bo)局(ju)部(bu)放(fang)電檢(jian)測(ce)技術(shu)，提(ti)前(qian)發(fa)現(xian)壓敏電(dian)阻的早(zao)期(qi)劣(lie)化(hua)。
- 結(jie)合雷(lei)電(dian)定(ding)位(wei)系統(tong)數(shu)據，當20公裏(li)範(fan)圍內發(fa)生雷(lei)暴(bao)時(shi)自(zi)動啟動設備(bei)保(bao)護模式。
四(si)、典型(xing)案例分析(xi)
某(mou)化(hua)工(gong)廠防爆空調群在(zai)2024年(nian)7月(yue)連(lian)續(xu)發(fa)生壓敏電(dian)阻擊穿(chuan)事(shi)故(gu)，經(jing)調查(zha)發現(xian)：
- 直擊雷(lei)通(tong)過(guo)廠(chang)區(qu)監控(kong)系(xi)統(tong)電(dian)源線(xian)侵入(ru)，原SPD為單級40kA防護(hu)，未達到化(hua)工(gong)場所要(yao)求(qiu)的80kA標(biao)準(zhun)。
- 接(jie)地(di)系(xi)統(tong)因土壤腐蝕導致(zhi)電阻(zu)升(sheng)至(zhi)28Ω，雷電流(liu)泄(xie)放(fang)不暢(chang)。
- 壓敏電(dian)阻型(xing)號(hao)為(wei)07D471K(直徑7mm)，通(tong)流(liu)容量不足(zu)。
改造(zao)方(fang)案：
1. 更換為10/350μs波(bo)形(xing)下100kA的B級SPD；
2. 采用(yong)銅包(bao)鋼(gang)接(jie)地(di)極(ji)配(pei)合石墨(mo)接(jie)地(di)模塊，接(jie)地(di)電(dian)阻(zu)降(jiang)至4.3Ω；
3. 升(sheng)級(ji)壓敏電(dian)阻為(wei)14D561K，並(bing)增加(jia)串(chuan)聯(lian)熔(rong)斷(duan)器。
改造(zao)後經(jing)歷三(san)次(ci)強雷(lei)暴考(kao)驗，設(she)備零(ling)損(sun)壞。
結(jie)語(yu)
防(fang)爆空調的雷擊防(fang)護是(shi)壹個(ge)系(xi)統(tong)工(gong)程，需要將(jiang)建築(zhu)防(fang)雷、配(pei)電保(bao)護、設備防(fang)護(hu)有機結(jie)合。通(tong)過(guo)精(jing)確計算(suan)雷電(dian)流參數、科(ke)學(xue)配(pei)置(zhi)保(bao)護器件、嚴格執(zhi)行(xing)維(wei)護制(zhi)度，可(ke)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低壓敏電(dian)阻擊穿(chuan)風險(xian)。特(te)別(bie)是(shi)在(zai)石油(you)、化(hua)工(gong)等(deng)高(gao)風險場所，建議每(mei)兩(liang)年(nian)進(jin)行(xing)壹(yi)次(ci)防雷系統(tong)有效(xiao)性(xing)評估(gu)，確保(bao)防護措施(shi)始(shi)終與(yu)雷(lei)電環境(jing)變(bian)化(hua)保(bao)持同(tong)步。隨著(zhe)新型(xing)半(ban)導體材料(liao)(如SiC壓敏電(dian)阻)的應(ying)用(yong)，未來(lai)防(fang)爆空調的雷擊耐(nai)受能(neng)力還(hai)將(jiang)得到質(zhi)的提(ti)升(sheng)。
