浪涌保護器（SPD）的基本原理及應用

關(guān)于浪涌保護器的中心議題：

浪涌保護器的工作原理

浪涌保護器的分類(lèi)

SPD在防雷中的重要性

SPD在計算機信息系統中的應用

SPD應用的問(wèn)題

1 引言

電涌保護器(Surge Protective Device，SPD)又稱(chēng)浪涌保護器，是用于帶電系統中限制瞬態(tài)過(guò)電壓和導引泄放電涌電流的非線(xiàn)性防護器件，用以保護耐壓水平低的電器或電子系統免遭雷擊及雷擊電磁脈沖或操作過(guò)電壓的損害。近年來(lái)，電子信息系統(如電視、電話(huà)、通信、計算機網(wǎng)絡(luò )等)發(fā)展迅猛，電子信息設備大量涌現和普及。這類(lèi)系統和設備比較昂貴和重要，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(guò)電壓保護。

由于各國遵循的標準不一樣，產(chǎn)品的規格沒(méi)有統一，參數的標識也各自有側重，遠不如其他電氣產(chǎn)品規范，給設計選型帶來(lái)很大不便。在工程設計中，常見(jiàn)品牌按產(chǎn)地劃分主要分為國產(chǎn)產(chǎn)品、歐洲產(chǎn)品和美洲產(chǎn)品。國產(chǎn)產(chǎn)品參數設置較亂，規格多樣，殘壓較高。規范產(chǎn)品的型號設置有的仿歐洲產(chǎn)品，有的遵循國標定參數，大部分產(chǎn)品都標注In與Imax。由于國產(chǎn)產(chǎn)品對應用場(chǎng)所要求較低，建筑物等級不高，設備耐壓值大，所以一些參數要求可適當放松。

歐洲產(chǎn)品一般標注最大放電電流，產(chǎn)品型號也是根據這個(gè)參數設定的。例如歐洲某著(zhù)名品牌XXX65、XXX40，其中數值65、40就是 Imax。但我國標準明確規定要用標稱(chēng)放電電流In來(lái)進(jìn)行選型，這是目前在工程設計中遇到的一個(gè)尷尬情況。經(jīng)查該產(chǎn)品資料，XX65的In值不超過(guò)20 kA，XX40的In值不超過(guò)15 kA。如果依照GB50343建議值，這兩種產(chǎn)品只能用于設備末端三級保護，但在實(shí)際設計中，卻裝在了一、二級上，這明顯與國家標準的選型參數不符，且殘壓較高，普通型號一般超過(guò)1 200 V，一旦接線(xiàn)環(huán)境不好，很容易突破設備耐壓值。一般歐系產(chǎn)品Uc值較小，且投機取巧標注線(xiàn)電壓，因此在選型時(shí)，較容易出現誤導。

2 SPD概述

2.1 SPD的工作原理

電涌保護器適用于220/380V低壓電源保護，是一種非線(xiàn)性元件，根據IEC標準規定，電涌保護器是主要抑制傳導過(guò)來(lái)的線(xiàn)路過(guò)電壓和過(guò)電流的裝置。電涌保護器起到保護作用，基本要求是必須承受預期通過(guò)的雷電電流，并且通過(guò)電涌最大鉗壓，有效熄滅在雷電流通過(guò)后產(chǎn)生的工頻續流，把竄入電力線(xiàn)、信號傳輸線(xiàn)的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入地，保護被保護的設備或系統不受沖擊而損壞。

電涌保護器的類(lèi)型和結構按不同的用途有所不同，但至少包含一個(gè)非線(xiàn)性電壓限制元件。常用電涌保護器有MOV(Metal Oxide Varistor)同氣體放電管等。電涌包含強大的能量因此不能被阻止?；谶@種原因，保護敏感電氣設備免受電涌損壞的策略是把電涌從設備分流后流入大地。

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

價(jià)浪涌保護器MOV優(yōu)劣的指標：(1)箝位電壓：表示將導致MOV接通地線(xiàn)的電壓值。箝位電壓越低，表示保護性能越好。(2)能量吸收/耗散能力：此標稱(chēng)值表示浪涌保護器在燒毀前能夠吸收多少能量，單位為焦耳。其數值越高，保護性能就越好。(3)響應時(shí)間：浪涌保護器不會(huì )立刻斷開(kāi)，它們對電涌做出響應會(huì )有略微的延遲。

另一種常見(jiàn)的浪涌保護裝置是氣體放電管。這些氣體放電管作用與MOV相同，它們將多余電流從火線(xiàn)移到地線(xiàn)，通過(guò)在兩根電線(xiàn)之間使用惰性氣體作為導體實(shí)現此功能。當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體。如果電壓出現浪涌并超過(guò)這一范圍，電流的強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體。它會(huì )將電流傳導至地線(xiàn)，直到電壓恢復正常水平，隨后又會(huì )成為不良導體。

2.2 浪涌保護器的分類(lèi)

SPD是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，其作用是把竄入電力線(xiàn)、信號傳輸線(xiàn)的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入地，保護被保護的設備或系統不受沖擊。

2.2.1 按工作原理分類(lèi)

按其工作原理分類(lèi)， SPD可以分為電壓開(kāi)關(guān)型、限壓型及組合型。

(1)電壓開(kāi)關(guān)型SPD。在沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)呈現高阻抗，一旦響應雷電瞬時(shí)過(guò)電壓，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?，允許雷電流通過(guò)，也被稱(chēng)為“短路開(kāi)關(guān)型SPD”。

(2)限壓型SPD。當沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)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烈非線(xiàn)性，有時(shí)被稱(chēng)為“鉗壓型SPD”。

(3)組合型SPD。由電壓開(kāi)關(guān)型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為電壓開(kāi)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(lèi)

按其用途分類(lèi)， SPD可以分為電源線(xiàn)路SPD和信號線(xiàn)路SPD兩種。

(1)電源線(xiàn)路SPD

由于雷擊的能量是非常巨大的，需要通過(guò)分級泄放的方法，將雷擊能量逐步泄放到大地。在直擊雷非防護區(LPZ0A)或在直擊雷防護區 (LPZ0B)與第一防護區(LPZ1)交界處，安裝通過(guò)Ⅰ級分類(lèi)試驗的浪涌保護器或限壓型浪涌保護器作為第一級保護，對直擊雷電流進(jìn)行泄放，或者當電源傳輸線(xiàn)路遭受直接雷擊時(shí)，將傳導的巨大能量進(jìn)行泄放。在第一防護區之后的各分區(包含LPZ1區)交界處安裝限壓型浪涌保護器，作為二、三級或更高等級保護。第二級保護器是針對前級保護器的殘余電壓以及區內感應雷擊的防護設備，在前級發(fā)生較大雷擊能量吸收時(shí)，仍有一部分對設備或第三級保護器而言是相當巨大的能量，會(huì )傳導過(guò)來(lái)，需要第二級保護器進(jìn)一步吸收。同時(shí)，經(jīng)過(guò)第一級防雷器的傳輸線(xiàn)路也會(huì )感應雷擊電磁脈沖輻射。當線(xiàn)路足夠長(cháng)時(shí)，感應雷的能量就變得足夠大，需要第二級保護器進(jìn)一步對雷擊能量實(shí)施泄放。第三級保護器對通過(guò)第二級保護器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護。根據被保護設備的耐壓等級，假如兩級防雷就可以做到限制電壓低于設備的耐壓水平，就只需要做兩級保護;假如設備的耐壓水平較低，可能需要四級甚至更多級的保護。

(2)信號線(xiàn)路SPD

隨著(zhù)信息系統的廣泛應用，由于網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)路多，電子設備的耐壓水平低，雷擊對信息系統的危害越來(lái)越大。雷電對信息系統的危害主要是雷擊電磁脈沖造成的，包括沿線(xiàn)路傳導的雷電過(guò)電壓波、雷電流在接地線(xiàn)產(chǎn)生的高電位反擊、雷擊電磁場(chǎng)的靜電感應和電磁感應。對電磁脈沖的防護措施有攔截、分流、等電位聯(lián)結、屏蔽、接地、合理布線(xiàn)等。在信號線(xiàn)路上安裝SPD是信息系統防電磁脈沖的一個(gè)重要措施，它可以同時(shí)起到攔截、分流、等電位聯(lián)結的作用。信號線(xiàn)路SPD應連接在被保護設備的信號端口上。其輸出端與被保護設備的端口相連，有串接和并接之分，一般是串聯(lián)安裝在信號線(xiàn)路上。因此，在選擇信號SPD時(shí)，應選用插入損耗較小的SPD。

2.3 SPD在防雷中的重要性

根據《建筑物防雷設計規范》GB50057-94(2000年版)的規定，在LPZ0B，LPZ1，LPZn+1防雷區建筑物應視情況采取防止感應雷、靜電或電涌措施感應雷是由雷閃電流產(chǎn)生的強大電磁場(chǎng)變化(電磁脈沖感應或靜電感應)在導體上感應出的過(guò)電壓、過(guò)電流形成的雷擊，對建筑物內的電氣設備，尤其低壓電子設備威脅巨大。建筑物內部設備防雷保護的重點(diǎn)是防止感應雷入侵。在感應雷的防護當中，電涌保護器(SPD)是不可缺少的裝置，它能根據各種線(xiàn)路中出現的過(guò)電壓過(guò)電流及時(shí)做出反應，泄放線(xiàn)路中的過(guò)電流或對線(xiàn)路上的過(guò)電壓進(jìn)行鉗制，從而達到保護電氣設備的目的。

靜電、電涌和感應雷的性質(zhì)一樣，都可以通過(guò)電涌保護器(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備的高速運行，在人體和電子設備上產(chǎn)生大量靜電電荷，人與物、物與物間易發(fā)生高壓放電現象，放電后極易損壞精密的電子設備;電涌日常產(chǎn)生的面很廣，如電源的開(kāi)和關(guān)，電源的插拔，電梯、電閘門(mén)、電動(dòng)機的啟動(dòng)和停止，電鉆、電焊、電氣設備損壞和電線(xiàn)短路等都會(huì )產(chǎn)生電涌。另外，電涌也常發(fā)生在電源系統內部，電源干線(xiàn)、支線(xiàn)、發(fā)電機、變配電裝置、UPS、交直流電源、甚至電氣設備終端都可能發(fā)生[2]。與雷電相比，雖然電涌的脈沖電壓較低，但其脈沖寬、持續時(shí)間長(cháng)，強度仍然不小，但足以干擾和損壞電氣設備。

3 SPD在計算機信息系統中的應用

現代計算機信息系統大多由大規模集成電路組成，微電子器件的絕緣強度低，而這些敏感電子設備的工作電壓卻在不斷降低，其數量和規模不斷擴大，因而它們受過(guò)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)系統運行中斷，并造成難以估量的經(jīng)濟損失。雷電和浪涌電壓成為信息時(shí)代的一大公害。

3.1　電源系統的防雷設計

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

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

(3)需要保護的重要設備端。使用CNS32D對其電源線(xiàn)加以保護。

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

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為增強型帶聲光功能的防雷器。防雷器及空氣開(kāi)關(guān)分別安裝于相應的MCCB旁。