建筑电气中的SPD电压保护方法研究刘奇

刘奇

摘要：在现代建筑的建设过程中，更高、更智能成为其追求的基本方向。然而在此过程中也使得建筑受到雷电的扰动更为显著。其中以建筑弱电电气为代表的相关体系最为敏感。针对这一情况，以电涌过电压保护器（SPD）为代表的保护机制成为了一种有效选择。本文以此为根本目的，对保护机制的建立、保护原理以及后续的执行与可能效果进行分析，旨在为相关技术的推广与应用奠定必要的理论基础。

关键词：建筑电气；SPD；方法分析；应用

一、引言

雷电是一种较为常见的自然放电现象，由于其较高的电压而使得在不接触的情况下对建筑电气系统形成显著的影响。尤其是在当下的建筑开发过程中，超高的建筑高度以及密度更大的电气需求使得此种影响呈现出加剧的趋势。针对这一问题，广大的科研工作者以及设计人员开展了全面的研究并形成了以雷电保护器为核心的保护机制。

就具体的方法而言主要可以分为引流方式（如避雷针）、断路保护方式（如过载断路器）、增益均衡方式（如SPD等）等。经过实践验证，其中电压或电流增益均衡方式由于其不影响电路的正常运行而受到格外的重视。然而，该技术由于相对较新，且应用范围普及率相对较差而使得部分电气设计人员对于其特性、原理及应用模式的了解存在一定的缺失。进而造成了该技术推广效率不高等客观问题。

本文针对这一现象，以SPD为研究对象分析其保护机制与设计实践，希望能够对该技术的推广提供必要助力。

二、SPD设计原理分析

SPD是电涌保护器的简称，现阶段被广泛的应用于电子设备或电气系统的防雷体系中。其核心原理是在超过负荷的电流或电压作用于电力线路后，利用物理电路手段将其限制在合理的范围之内，并将多余电能通过接地的方式进行无功率泄流，从而达到保护主体电路的根本目的。在实际构成过程中其主要包括了如下元器件：一是非线性电压限制元件，通过此元件对产生的瞬时超高电压或电流进行限制；二是放电管、压敏电阻等，该电气元件单元主要对超负荷电压进行检测，并形成有效的泄流；三是抑制二极管、扼流线圈等，该电气元件是形成更为稳定的限制效果，在提升效能的基础上保障主体电路运行正常。

从实际的应用效果与作用原理来进行分类。SPD系统主要包括了如下几种：一是开关型，即当高压产生时，在保护的同时对主体线路进行断路处置，防止超压电流流入电路对其他设备形成损毁。此类保护器保护效果显著，且在一定时间内防止损害的二次发生，但是其生效的过程中主体线路无法工作，会形成一定的经济与效率损失；二是限压型，通过与被保护电阻进行串联，在形成较高电压后，利用氧化锌压敏电阻等方式分担多余电压，此种模式无法在总体电路电阻波动范围较大的系统中进行应用，且存在调试谐波的出现对相关用电器的保护效果较为有限；三是分流型，利用不同供电模式中阻抗差异来引导过剩电流的泄流。该方法是一种较为新颖且高效的方法，本文后续的设计将以此为基本原理进行构建。

三、建筑电气SPD保护设计

现阶段对于建筑电气防雷系统设计的要求逐步提高，针对该领域的设计除了基本的有效性之外，还需要考量其自动化与信息化内涵。基于上文的原理与现阶段的设计思路，本文以电压保护适配器的方式对相关内容进行开发与设计。具体内容如下：

第一，总体开发。本保护系统的核心采用可数字编程的中心处理器进行联合设计，其中涵盖了复位单元、时序单元、处置单元与电路单元等四大系统。并通过中心处理进行有效的连接，采用单片机对相关功能予以实现。在实际的设计过程中拟采用西门子K9F系列DSP芯片来进行实际规划。

第二，电压保护系统设计。为了满足其对于雷电感应电压与直接接触电压的全范围保护有效性，该系统需要在入户及高层主线中进行二重安装。其核心组件是通过CAN收发器接收相关电路的运行信息，并在信号处理器（DSP芯片）的处置下形成处置单元的启动讯号，而启动单元则采用D/A组件予以实现，配合相关的物理电路来形成对高压的控制。值得我们注意的是在该系统的设计过程中，需要加装隔离器以避免雷电感应电压对整体系统的破坏。在具体设计层面可以采用压敏电阻串联的方式来分担多余电压，进而使得进入处理器的电流能够在正常范围之内。

第三，电压保护处置单元的设计。此单元是起到保护作用的关键核心，是利用电磁耦合的方式限制电路中的总体电流，并形成有效的补偿机制，避免雷电对建筑电气的磨坏。在实际的设计角度其分为初级电路与次级电路两个部分，二者通过电磁感应予以连接。在初级电路中并联高频逆变器与初级补偿；在次级电路中则需要同时并连入次级补偿、整流、滤波电路，并以电池组为电能供给单元。通过此种设计模式能够有效的将震荡幅度调制算法与SPD保护系统进行耦合，进而利用磁场密度的变化来产生有效的阻抗。

第四，复位单元设计。本系统的自动化体现在复位单元的设计方面，通过重复的与常态的电路运行信息检测系统产生恢复电流，而在通过基线恢复讯号的同时利用A/D线路将信息进行回传，经处理器出之后向高压控制处置单元发出停止工作的信号，使得整体保护系统复位并处于待机状态。此种设计能够有效降低保护系统自身的能耗，并形成有效控制。

四、SPD效果及其有效性

通过上文的分析我们对SPD电压保护系统进行了实证设计，并从智能化的角度分析给出了各部分的设计原则与方法。在实际的设计之后，为了保障其有效性，我们需要对该系统的有效性进行检测，具体结果如下：

首先，具体效果的测定采用Matlab仿真的方式来进行。在具体测试的过程中确定等效电路后对相关的参数予以设定。根据建设项目的实际电气需求，楼宇电气总额定功率为1000kw，因此测算其总等效电阻约为0.8Ω。通过π滤波的方式仿真5V电源状态，并设定互感系数为0.125H。上述参数均是参照建筑电气的实际需求来进行确定的，进一步保障了测试结果的准确性。

其次，在Matlab平台上加载等效电路与相关参数后，对外部雷电引入进行模拟。按照不同的雷电模式设定为感应电压与直接电压两种，其中均采用外部接入的方式来进行，其中根据过往经验设定感应电压为500V，直接电压设定为3000V。

最后，对系统进行仿真研究。通过仿真我们发现被保护电路内的感应电压与电流上浮幅度均能够控制在5%以下，并在0.6s后恢复正常波形。根据电功率计算可以确定该系统保护下的电流对于建筑电气及附属用电器不产生危害。说明此保护系统科学有效。

五、总结

建筑电气水平越来越高，随之而来的是对防雷保护的有效性提出了挑战。在自动化与智能化核心思想的指导下，本文系统分析了SPD电压保护模式的基本原理。并采用单片机的方式对具体建筑电气保护体系进行了设计。最后，通过仿真的方式对系统有效性进行了认证。希望通过本文的研究能够为今后的相关设计提供必要依据。

参考文献：

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