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杭州特奥环保科技有限公司作者
夏季是雷电活动频繁的季节，对于防爆空调这类高价值电气设备而言，雷击造成的电路损坏尤为常见。其中，压敏电阻作为电路保护的关键元件，其击穿损坏往往与雷击直接相关。因此，深入理解雷击对压敏电阻的影响机制，并采取科学有效的避雷措施，对于保障设备安全运行至关重要。
一、压敏电阻的工作原理与雷击损坏机制
压敏电阻(MOV)是一种电压敏感型半导体元件，其核心特性是在正常电压下呈现高阻抗状态，而当电压超过阈值时迅速转为低阻抗，从而将过电压能量泄放至大地。在防爆空调电路中，压敏电阻通常并联在电源输入端，用于吸收浪涌电压。然而，夏季雷击产生的瞬态过电压可达数千伏甚至更高，远超常规压敏电阻的耐受能力(通常为470V-680V)。当雷击能量超过元件标称吸收焦耳数(常见规格为100J-400J)时，会导致压敏电阻内部晶界层熔穿，表现为元件开裂、烧焦或阻值归零等不可修复性损坏。
雷击损坏的具体路径包括：
1. 直击雷破坏：雷电直接击中供电线路时，产生的数十千安级电流会通过电源线传导至设备，造成压敏电阻瞬间过载。
2. 感应雷效应：雷电电磁脉冲在附近导体上感应出数千伏电压，这种高频浪涌虽持续时间短(微秒级)，但上升速率极快(可达1kV/μs)，容易引发压敏电阻的雪崩击穿。
3. 地电位反击：当建筑物防雷系统泄放雷电流时，接地系统暂态电位升高，导致设备外壳与电路间形成电位差，可能击穿压敏电阻的绝缘介质。
二、防爆空调系统的避雷技术体系
针对上述雷击威胁，需要构建多级防护体系：
1. 外部防雷设施
- 接闪器优化：在建筑物顶部安装提前放电型避雷针，其触发式主动引雷技术可将保护半径提升30%以上。根据GB50057-2010规范，接闪网格不应大于10m×10m(二类防雷建筑)。
- 引下线布置：采用多根对称引下线(不少于8根)，减小雷电流通过时的电磁耦合效应。铜质引下线截面积需≥50mm²，并避免90°直角弯折。
- 接地系统改造：采用环形接地极与垂直接地极组合的方式，土壤电阻率高的地区可添加降阻剂。独立防雷地网接地电阻应≤10Ω，与电气地网间距≥3m。
2. 内部电涌保护
- 三级SPD配置：
- 第一级：在配电箱安装开关型SPD(如间隙式)，通流容量≥50kA(10/350μs波形)，用于泄放主要雷电流。
- 第二级：在空调配电回路装限压型SPD(MOV模块)，标称放电电流20kA(8/20μs)，电压保护水平Up≤1.5kV。
- 第三级：在空调控制板前加装精细保护SPD(如TVS二极管)，响应时间<1ns。
- 退耦设计：各级SPD之间保持5-10米线距或加装退耦电感，确保能量分级泄放。
3. 设备级防护强化
- 压敏电阻选型升级：选用通流容量更大的型号(如直径14mm以上的561k系列)，标称电压选择1.2-1.5倍工作电压(380V系统建议选用470V-510V)。
- 复合保护电路：在压敏电阻前端串联温度保险管(TF系列)，当元件过热时及时切断回路；并联气体放电管(GDT)分担高频浪涌能量。
- PCB布局优化：保护元件尽量靠近接线端子，引线长度<10cm；敏感电路采用网格接地设计，避免形成地环路。
三、运行维护关键措施
1. 雷雨季前检测：
- 使用绝缘电阻测试仪测量压敏电阻阻值，正常时应>1MΩ(500V档测量)。
- 红外热像仪检查SPD模块温度，温差>5℃需立即更换。
- 接地电阻测试应在干燥天气进行，测量值年变化率>20%需整改。
2. 雷击后处置流程：
- 立即切断电源，检查压敏电阻外观是否有裂纹、黑斑等损伤。
- 更换损坏元件时，需同步检查后级电路(特别是整流桥和滤波电容)是否连带损坏。
- 记录雷击时间、天气状况及损坏特征，建立故障数据库用于防护改进。
3. 智能监测技术应用：
- 安装在线SPD监测装置，实时采集漏电流、动作次数等参数，通过4G模块上传至云平台。
- 采用超声波局部放电检测技术，提前发现压敏电阻的早期劣化。
- 结合雷电定位系统数据，当20公里范围内发生雷暴时自动启动设备保护模式。
四、典型案例分析
某化工厂防爆空调群在2024年7月连续发生压敏电阻击穿事故，经调查发现：
- 直击雷通过厂区监控系统电源线侵入，原SPD为单级40kA防护，未达到化工场所要求的80kA标准。
- 接地系统因土壤腐蚀导致电阻升至28Ω，雷电流泄放不畅。
- 压敏电阻型号为07D471K(直径7mm)，通流容量不足。
改造方案：
1. 更换为10/350μs波形下100kA的B级SPD；
2. 采用铜包钢接地极配合石墨接地模块，接地电阻降至4.3Ω；
3. 升级压敏电阻为14D561K，并增加串联熔断器。
改造后经历三次强雷暴考验，设备零损坏。
结语
防爆空调的雷击防护是一个系统工程，需要将建筑防雷、配电保护、设备防护有机结合。通过精确计算雷电流参数、科学配置保护器件、严格执行维护制度，可显著降低压敏电阻击穿风险。特别是在石油、化工等高风险场所，建议每两年进行一次防雷系统有效性评估，确保防护措施始终与雷电环境变化保持同步。随着新型半导体材料(如SiC压敏电阻)的应用，未来防爆空调的雷击耐受能力还将得到质的提升。
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