夏季是雷電活動頻繁的季節(jié)，對于防爆空調(diào)這類高價值電氣設(shè)備而言，雷擊造成的電路損壞尤為常見。其中，壓敏電阻作為電路保護的關(guān)鍵元件，其擊穿損壞往往與雷擊直接相關(guān)。因此，深入理解雷擊對壓敏電阻的影響機制，并采取科學有效的避雷措施，對于保障設(shè)備安全運行至關(guān)重要。
一、壓敏電阻的工作原理與雷擊損壞機制
壓敏電阻(MOV)是一種電壓敏感型半導體元件，其核心特性是在正常電壓下呈現(xiàn)高阻抗狀態(tài)，而當電壓超過閾值時迅速轉(zhuǎn)為低阻抗，從而將過電壓能量泄放至大地。在防爆空調(diào)電路中，壓敏電阻通常并聯(lián)在電源輸入端，用于吸收浪涌電壓。然而，夏季雷擊產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓可達數(shù)千伏甚至更高，遠超常規(guī)壓敏電阻的耐受能力(通常為470V-680V)。當雷擊能量超過元件標稱吸收焦耳數(shù)(常見規(guī)格為100J-400J)時，會導致壓敏電阻內(nèi)部晶界層熔穿，表現(xiàn)為元件開裂、燒焦或阻值歸零等不可修復性損壞。
雷擊損壞的具體路徑包括：
1. 直擊雷破壞：雷電直接擊中供電線路時，產(chǎn)生的數(shù)十千安級電流會通過電源線傳導至設(shè)備，造成壓敏電阻瞬間過載。
2. 感應雷效應：雷電電磁脈沖在附近導體上感應出數(shù)千伏電壓，這種高頻浪涌雖持續(xù)時間短(微秒級)，但上升速率極快(可達1kV/μs)，容易引發(fā)壓敏電阻的雪崩擊穿。
3. 地電位反擊：當建筑物防雷系統(tǒng)泄放雷電流時，接地系統(tǒng)暫態(tài)電位升高，導致設(shè)備外殼與電路間形成電位差，可能擊穿壓敏電阻的絕緣介質(zhì)。
二、防爆空調(diào)系統(tǒng)的避雷技術(shù)體系
針對上述雷擊威脅，需要構(gòu)建多級防護體系：
1. 外部防雷設(shè)施
- 接閃器優(yōu)化：在建筑物頂部安裝提前放電型避雷針，其觸發(fā)式主動引雷技術(shù)可將保護半徑提升30%以上。根據(jù)GB50057-2010規(guī)范，接閃網(wǎng)格不應大于10m×10m(二類防雷建筑)。
- 引下線布置：采用多根對稱引下線(不少于8根)，減小雷電流通過時的電磁耦合效應。銅質(zhì)引下線截面積需≥50mm²，并避免90°直角彎折。
- 接地系統(tǒng)改造：采用環(huán)形接地極與垂直接地極組合的方式，土壤電阻率高的地區(qū)可添加降阻劑。獨立防雷地網(wǎng)接地電阻應≤10Ω，與電氣地網(wǎng)間距≥3m。
2. 內(nèi)部電涌保護
- 三級SPD配置：
- 第一級：在配電箱安裝開關(guān)型SPD(如間隙式)，通流容量≥50kA(10/350μs波形)，用于泄放主要雷電流。
- 第二級：在空調(diào)配電回路裝限壓型SPD(MOV模塊)，標稱放電電流20kA(8/20μs)，電壓保護水平Up≤1.5kV。
- 第三級：在空調(diào)控制板前加裝精細保護SPD(如TVS二極管)，響應時間<1ns。
- 退耦設(shè)計：各級SPD之間保持5-10米線距或加裝退耦電感，確保能量分級泄放。
3. 設(shè)備級防護強化
- 壓敏電阻選型升級：選用通流容量更大的型號(如直徑14mm以上的561k系列)，標稱電壓選擇1.2-1.5倍工作電壓(380V系統(tǒng)建議選用470V-510V)。
- 復合保護電路：在壓敏電阻前端串聯(lián)溫度保險管(TF系列)，當元件過熱時及時切斷回路；并聯(lián)氣體放電管(GDT)分擔高頻浪涌能量。
- PCB布局優(yōu)化：保護元件盡量靠近接線端子，引線長度<10cm；敏感電路采用網(wǎng)格接地設(shè)計，避免形成地環(huán)路。
三、運行維護關(guān)鍵措施
1. 雷雨季前檢測：
- 使用絕緣電阻測試儀測量壓敏電阻阻值，正常時應>1MΩ(500V檔測量)。
- 紅外熱像儀檢查SPD模塊溫度，溫差>5℃需立即更換。
- 接地電阻測試應在干燥天氣進行，測量值年變化率>20%需整改。
2. 雷擊后處置流程：
- 立即切斷電源，檢查壓敏電阻外觀是否有裂紋、黑斑等損傷。
- 更換損壞元件時，需同步檢查后級電路(特別是整流橋和濾波電容)是否連帶損壞。
- 記錄雷擊時間、天氣狀況及損壞特征，建立故障數(shù)據(jù)庫用于防護改進。
3. 智能監(jiān)測技術(shù)應用：
- 安裝在線SPD監(jiān)測裝置，實時采集漏電流、動作次數(shù)等參數(shù)，通過4G模塊上傳至云平臺。
- 采用超聲波局部放電檢測技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)壓敏電阻的早期劣化。
- 結(jié)合雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，當20公里范圍內(nèi)發(fā)生雷暴時自動啟動設(shè)備保護模式。
四、典型案例分析
某化工廠防爆空調(diào)群在2024年7月連續(xù)發(fā)生壓敏電阻擊穿事故，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：
- 直擊雷通過廠區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)電源線侵入，原SPD為單級40kA防護，未達到化工場所要求的80kA標準。
- 接地系統(tǒng)因土壤腐蝕導致電阻升至28Ω，雷電流泄放不暢。
- 壓敏電阻型號為07D471K(直徑7mm)，通流容量不足。
改造方案：
1. 更換為10/350μs波形下100kA的B級SPD；
2. 采用銅包鋼接地極配合石墨接地模塊，接地電阻降至4.3Ω；
3. 升級壓敏電阻為14D561K，并增加串聯(lián)熔斷器。
改造后經(jīng)歷三次強雷暴考驗，設(shè)備零損壞。
結(jié)語
防爆空調(diào)的雷擊防護是一個系統(tǒng)工程，需要將建筑防雷、配電保護、設(shè)備防護有機結(jié)合。通過精確計算雷電流參數(shù)、科學配置保護器件、嚴格執(zhí)行維護制度，可顯著降低壓敏電阻擊穿風險。特別是在石油、化工等高風險場所，建議每兩年進行一次防雷系統(tǒng)有效性評估，確保防護措施始終與雷電環(huán)境變化保持同步。隨著新型半導體材料(如SiC壓敏電阻)的應用，未來防爆空調(diào)的雷擊耐受能力還將得到質(zhì)的提升。
