浪涌保護(hù)器（SPD）的基本原理及應(yīng)用

關(guān)于浪涌保護(hù)器的中心議題：

浪涌保護(hù)器的工作原理

浪涌保護(hù)器的分類

SPD在防雷中的重要性

SPD在計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

SPD應(yīng)用的問題

1 引言

電涌保護(hù)器(Surge Protective Device，SPD)又稱浪涌保護(hù)器，是用于帶電系統(tǒng)中限制瞬態(tài)過電壓和導(dǎo)引泄放電涌電流的非線性防護(hù)器件，用以保護(hù)耐壓水平低的電器或電子系統(tǒng)免遭雷擊及雷擊電磁脈沖或操作過電壓的損害。近年來，電子信息系統(tǒng)(如電視、電話、通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等)發(fā)展迅猛，電子信息設(shè)備大量涌現(xiàn)和普及。這類系統(tǒng)和設(shè)備比較昂貴和重要，其工作電壓、耐壓水平很低，極易受到雷電電磁脈沖的危害，為此需采用SPD做過電壓保護(hù)。

由于各國(guó)遵循的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，產(chǎn)品的規(guī)格沒有統(tǒng)一，參數(shù)的標(biāo)識(shí)也各自有側(cè)重，遠(yuǎn)不如其他電氣產(chǎn)品規(guī)范，給設(shè)計(jì)選型帶來很大不便。在工程設(shè)計(jì)中，常見品牌按產(chǎn)地劃分主要分為國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品、歐洲產(chǎn)品和美洲產(chǎn)品。國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品參數(shù)設(shè)置較亂，規(guī)格多樣，殘壓較高。規(guī)范產(chǎn)品的型號(hào)設(shè)置有的仿歐洲產(chǎn)品，有的遵循國(guó)標(biāo)定參數(shù)，大部分產(chǎn)品都標(biāo)注In與Imax。由于國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)用場(chǎng)所要求較低，建筑物等級(jí)不高，設(shè)備耐壓值大，所以一些參數(shù)要求可適當(dāng)放松。

歐洲產(chǎn)品一般標(biāo)注最大放電電流，產(chǎn)品型號(hào)也是根據(jù)這個(gè)參數(shù)設(shè)定的。例如歐洲某著名品牌XXX65、XXX40，其中數(shù)值65、40就是 Imax。但我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定要用標(biāo)稱放電電流In來進(jìn)行選型，這是目前在工程設(shè)計(jì)中遇到的一個(gè)尷尬情況。經(jīng)查該產(chǎn)品資料，XX65的In值不超過20 kA，XX40的In值不超過15 kA。如果依照GB50343建議值，這兩種產(chǎn)品只能用于設(shè)備末端三級(jí)保護(hù)，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，卻裝在了一、二級(jí)上，這明顯與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的選型參數(shù)不符，且殘壓較高，普通型號(hào)一般超過1 200 V，一旦接線環(huán)境不好，很容易突破設(shè)備耐壓值。一般歐系產(chǎn)品Uc值較小，且投機(jī)取巧標(biāo)注線電壓，因此在選型時(shí)，較容易出現(xiàn)誤導(dǎo)。

2 SPD概述

2.1 SPD的工作原理

電涌保護(hù)器適用于220/380V低壓電源保護(hù)，是一種非線性元件，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電涌保護(hù)器是主要抑制傳導(dǎo)過來的線路過電壓和過電流的裝置。電涌保護(hù)器起到保護(hù)作用，基本要求是必須承受預(yù)期通過的雷電電流，并且通過電涌最大鉗壓，有效熄滅在雷電流通過后產(chǎn)生的工頻續(xù)流，把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。

電涌保護(hù)器的類型和結(jié)構(gòu)按不同的用途有所不同，但至少包含一個(gè)非線性電壓限制元件。常用電涌保護(hù)器有MOV(Metal Oxide Varistor)同氣體放電管等。電涌包含強(qiáng)大的能量因此不能被阻止。基于這種原因，保護(hù)敏感電氣設(shè)備免受電涌損壞的策略是把電涌從設(shè)備分流后流入大地。

浪涌保護(hù)器MOV由三部分組成：中間是一根金屬氧化物材料，由兩個(gè)半導(dǎo)體連接著電源和地線。當(dāng)產(chǎn)生浪涌時(shí)MOV立即動(dòng)作，響應(yīng)時(shí)間為1～3毫微秒。MOV中的“V”是變阻器，在響應(yīng)的一瞬間，MOV的電阻從最大值降到近乎零歐姆，過電流經(jīng)MOV流入大地。被保護(hù)電氣設(shè)備繼續(xù)在正常工作電壓下運(yùn)行。其半導(dǎo)體元件具有隨電壓變化而改變電阻的性質(zhì)。當(dāng)電壓低于某個(gè)特定值時(shí)，半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生高電阻。反之，當(dāng)電壓超過該特定值時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，半導(dǎo)體電阻降低接近零歐姆。電壓正常，浪涌保護(hù)器MOV閑在一旁，不影響電力線路。

價(jià)浪涌保護(hù)器MOV優(yōu)劣的指標(biāo)：(1)箝位電壓：表示將導(dǎo)致MOV接通地線的電壓值。箝位電壓越低，表示保護(hù)性能越好。(2)能量吸收/耗散能力：此標(biāo)稱值表示浪涌保護(hù)器在燒毀前能夠吸收多少能量，單位為焦耳。其數(shù)值越高，保護(hù)性能就越好。(3)響應(yīng)時(shí)間：浪涌保護(hù)器不會(huì)立刻斷開，它們對(duì)電涌做出響應(yīng)會(huì)有略微的延遲。

另一種常見的浪涌保護(hù)裝置是氣體放電管。這些氣體放電管作用與MOV相同，它們將多余電流從火線移到地線，通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)此功能。當(dāng)電壓處于某一特定范圍時(shí)，該氣體的組成決定了它是不良導(dǎo)體。如果電壓出現(xiàn)浪涌并超過這一范圍，電流的強(qiáng)度將足以使氣體電離，從而使氣體放電管成為非常良好的導(dǎo)體。它會(huì)將電流傳導(dǎo)至地線，直到電壓恢復(fù)正常水平，隨后又會(huì)成為不良導(dǎo)體。

2.2 浪涌保護(hù)器的分類

SPD是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，其作用是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊。

2.2.1 按工作原理分類

按其工作原理分類， SPD可以分為電壓開關(guān)型、限壓型及組合型。

(1)電壓開關(guān)型SPD。在沒有瞬時(shí)過電壓時(shí)呈現(xiàn)高阻抗，一旦響應(yīng)雷電瞬時(shí)過電壓，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?，允許雷電流通過，也被稱為“短路開關(guān)型SPD”。

(2)限壓型SPD。當(dāng)沒有瞬時(shí)過電壓時(shí)，為高阻抗，但隨電涌電流和電壓的增加，其阻抗會(huì)不斷減小，其電流電壓特性為強(qiáng)烈非線性，有時(shí)被稱為“鉗壓型SPD”。

(3)組合型SPD。由電壓開關(guān)型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為電壓開關(guān)型或限壓型或兩者兼有的特性，這決定于所加電壓的特性。

2.2.2 按用途分類

按其用途分類， SPD可以分為電源線路SPD和信號(hào)線路SPD兩種。

(1)電源線路SPD

由于雷擊的能量是非常巨大的，需要通過分級(jí)泄放的方法，將雷擊能量逐步泄放到大地。在直擊雷非防護(hù)區(qū)(LPZ0A)或在直擊雷防護(hù)區(qū) (LPZ0B)與第一防護(hù)區(qū)(LPZ1)交界處，安裝通過Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器或限壓型浪涌保護(hù)器作為第一級(jí)保護(hù)，對(duì)直擊雷電流進(jìn)行泄放，或者當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時(shí)，將傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放。在第一防護(hù)區(qū)之后的各分區(qū)(包含LPZ1區(qū))交界處安裝限壓型浪涌保護(hù)器，作為二、三級(jí)或更高等級(jí)保護(hù)。第二級(jí)保護(hù)器是針對(duì)前級(jí)保護(hù)器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護(hù)設(shè)備，在前級(jí)發(fā)生較大雷擊能量吸收時(shí)，仍有一部分對(duì)設(shè)備或第三級(jí)保護(hù)器而言是相當(dāng)巨大的能量，會(huì)傳導(dǎo)過來，需要第二級(jí)保護(hù)器進(jìn)一步吸收。同時(shí)，經(jīng)過第一級(jí)防雷器的傳輸線路也會(huì)感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射。當(dāng)線路足夠長(zhǎng)時(shí)，感應(yīng)雷的能量就變得足夠大，需要第二級(jí)保護(hù)器進(jìn)一步對(duì)雷擊能量實(shí)施泄放。第三級(jí)保護(hù)器對(duì)通過第二級(jí)保護(hù)器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐壓等級(jí)，假如兩級(jí)防雷就可以做到限制電壓低于設(shè)備的耐壓水平，就只需要做兩級(jí)保護(hù);假如設(shè)備的耐壓水平較低，可能需要四級(jí)甚至更多級(jí)的保護(hù)。

(2)信號(hào)線路SPD

隨著信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，由于網(wǎng)絡(luò)線路多，電子設(shè)備的耐壓水平低，雷擊對(duì)信息系統(tǒng)的危害越來越大。雷電對(duì)信息系統(tǒng)的危害主要是雷擊電磁脈沖造成的，包括沿線路傳導(dǎo)的雷電過電壓波、雷電流在接地線產(chǎn)生的高電位反擊、雷擊電磁場(chǎng)的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。對(duì)電磁脈沖的防護(hù)措施有攔截、分流、等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、接地、合理布線等。在信號(hào)線路上安裝SPD是信息系統(tǒng)防電磁脈沖的一個(gè)重要措施，它可以同時(shí)起到攔截、分流、等電位聯(lián)結(jié)的作用。信號(hào)線路SPD應(yīng)連接在被保護(hù)設(shè)備的信號(hào)端口上。其輸出端與被保護(hù)設(shè)備的端口相連，有串接和并接之分，一般是串聯(lián)安裝在信號(hào)線路上。因此，在選擇信號(hào)SPD時(shí)，應(yīng)選用插入損耗較小的SPD。

2.3 SPD在防雷中的重要性

根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94(2000年版)的規(guī)定，在LPZ0B，LPZ1，LPZn+1防雷區(qū)建筑物應(yīng)視情況采取防止感應(yīng)雷、靜電或電涌措施感應(yīng)雷是由雷閃電流產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場(chǎng)變化(電磁脈沖感應(yīng)或靜電感應(yīng))在導(dǎo)體上感應(yīng)出的過電壓、過電流形成的雷擊，對(duì)建筑物內(nèi)的電氣設(shè)備，尤其低壓電子設(shè)備威脅巨大。建筑物內(nèi)部設(shè)備防雷保護(hù)的重點(diǎn)是防止感應(yīng)雷入侵。在感應(yīng)雷的防護(hù)當(dāng)中，電涌保護(hù)器(SPD)是不可缺少的裝置，它能根據(jù)各種線路中出現(xiàn)的過電壓過電流及時(shí)做出反應(yīng)，泄放線路中的過電流或?qū)€路上的過電壓進(jìn)行鉗制，從而達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備的目的。

靜電、電涌和感應(yīng)雷的性質(zhì)一樣，都可以通過電涌保護(hù)器(SPD)加以抑制。靜電產(chǎn)生的另一種形式是由于摩擦或電子設(shè)備的高速運(yùn)行，在人體和電子設(shè)備上產(chǎn)生大量靜電電荷，人與物、物與物間易發(fā)生高壓放電現(xiàn)象，放電后極易損壞精密的電子設(shè)備;電涌日常產(chǎn)生的面很廣，如電源的開和關(guān)，電源的插拔，電梯、電閘門、電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，電鉆、電焊、電氣設(shè)備損壞和電線短路等都會(huì)產(chǎn)生電涌。另外，電涌也常發(fā)生在電源系統(tǒng)內(nèi)部，電源干線、支線、發(fā)電機(jī)、變配電裝置、UPS、交直流電源、甚至電氣設(shè)備終端都可能發(fā)生[2]。與雷電相比，雖然電涌的脈沖電壓較低，但其脈沖寬、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度仍然不小，但足以干擾和損壞電氣設(shè)備。

3 SPD在計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)大多由大規(guī)模集成電路組成，微電子器件的絕緣強(qiáng)度低，而這些敏感電子設(shè)備的工作電壓卻在不斷降低，其數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，因而它們受過電壓特別是雷電襲擊而受到損害的可能性就大大增加，其后果可能使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中斷，并造成難以估量的經(jīng)濟(jì)損失。雷電和浪涌電壓成為信息時(shí)代的一大公害。

3.1　電源系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)

(1)主配電屏。三相線上加裝3只MC50-B模塊，并分別加上空氣開關(guān)，在N線和地線之間加裝MC125-B/NPE模塊。

(2)UPS保護(hù)。在每個(gè)相線與中線之間加裝V20-C模塊，并在每個(gè)模塊前加裝空氣開關(guān)，在N線與地線之間加裝V20-C/NPE模塊。

(3)需要保護(hù)的重要設(shè)備端。使用CNS32D對(duì)其電源線加以保護(hù)。

(4)弱電設(shè)備的電源保護(hù)。使用V20-C防雷模塊或VF系列電源精細(xì)保護(hù)模塊。

電源防雷器示意圖如圖1所示，其中MC50-B/3+NPE為3個(gè)高能石墨間隙防雷器和1個(gè)MC125-B/NPE模塊的組合，V20-C/3+NPE/AS為增強(qiáng)型帶聲光功能的防雷器。防雷器及空氣開關(guān)分別安裝于相應(yīng)的MCCB旁。