浪涌保護器（SPD）的基本原理及應(yīng)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

SPD在防雷中的重要性

SPD在計算機信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

SPD應(yīng)用的問題

1 引言

電涌保護器(Surge Protective Device，SPD)又稱浪涌保護器，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器件，用以保護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、計算機網(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。

由于各國遵循的標(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)計選型帶來很大不便。在工程設(shè)計中，常見品牌按產(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(shù)設(shè)置較亂，規(guī)格多樣，殘壓較高。規(guī)范產(chǎn)品的型號設(shè)置有的仿歐洲產(chǎn)品，有的遵循國標(biāo)定參數(shù)，大部分產(chǎn)品都標(biāo)注In與Imax。由于國產(chǎn)產(chǎn)品對應(yīng)用場所要求較低，建筑物等級不高，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)品型號也是根據(jù)這個參數(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。但我國標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定要用標(biāo)稱放電電流In來進行選型，這是目前在工程設(shè)計中遇到的一個尷尬情況。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)備末端三級保護，但在實際設(shè)計中，卻裝在了一、二級上，這明顯與國家標(biāo)準(zhǔn)的選型參數(shù)不符，且殘壓較高，普通型號一般超過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，且投機取巧標(biāo)注線電壓，因此在選型時，較容易出現(xiàn)誤導(dǎo)。

2 SPD概述

2.1 SPD的工作原理

電涌保護器適用于220/380V低壓電源保護，是一種非線性元件，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電涌保護器是主要抑制傳導(dǎo)過來的線路過電壓和過電流的裝置。電涌保護器起到保護作用，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、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)姶蟮睦纂娏餍沽魅氲?，保護被保護的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。

電涌保護器的類型和結(jié)構(gòu)按不同的用途有所不同，但至少包含一個非線性電壓限制元件。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(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。

浪涌保護器MOV由三部分組成：中間是一根金屬氧化物材料，由兩個半導(dǎo)體連接著電源和地線。當(dāng)產(chǎn)生浪涌時MOV立即動作，響應(yīng)時間為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。被保護電氣設(shè)備繼續(xù)在正常工作電壓下運行。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)電壓低于某個特定值時，半導(dǎo)體中的電子運動產(chǎn)生高電阻。反之，當(dāng)電壓超過該特定值時，電子運動會發(fā)生變化，半導(dǎo)體電阻降低接近零歐姆。電壓正常，浪涌保護器MOV閑在一旁，不影響電力線路。

價浪涌保護器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，表示保護性能越好。(2)能量吸收/耗散能力：此標(biāo)稱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(shù)值越高，保護性能就越好。(3)響應(yīng)時間：浪涌保護器不會立刻斷開，它們對電涌做出響應(yīng)會有略微的延遲。

另一種常見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)體實現(xiàn)此功能。當(dāng)電壓處于某一特定范圍時，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。它會將電流傳導(dǎo)至地線，直到電壓恢復(fù)正常水平，隨后又會成為不良導(dǎo)體。

2.2 浪涌保護器的分類

SPD是電子設(shè)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、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)姶蟮睦纂娏餍沽魅氲?，保護被保護的設(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。在沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)高阻抗，一旦響應(yīng)雷電瞬時過電壓，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩梗试S雷電流通過，也被稱為“短路開關(guān)型SPD”。

(2)限壓型SPD。當(dāng)沒有瞬時過電壓時，為高阻抗，但隨電涌電流和電壓的增加，其阻抗會不斷減小，其電流電壓特性為強烈非線性，有時被稱為“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(qū)(LPZ0A)或在直擊雷防護區(qū) (LPZ0B)與第一防護區(qū)(LPZ1)交界處，安裝通過Ⅰ級分類試驗的浪涌保護器或限壓型浪涌保護器作為第一級保護，對直擊雷電流進行泄放，或者當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時，將傳導(dǎo)的巨大能量進行泄放。在第一防護區(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(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護設(shè)備，在前級發(fā)生較大雷擊能量吸收時，仍有一部分對設(shè)備或第三級保護器而言是相當(dāng)巨大的能量，會傳導(dǎo)過來，需要第二級保護器進一步吸收。同時，經(jīng)過第一級防雷器的傳輸線路也會感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射。當(dāng)線路足夠長時，感應(yīng)雷的能量就變得足夠大，需要第二級保護器進一步對雷擊能量實施泄放。第三級保護器對通過第二級保護器的殘余雷擊能量進行保護。根據(jù)被保護設(shè)備的耐壓等級，假如兩級防雷就可以做到限制電壓低于設(shè)備的耐壓水平，就只需要做兩級保護;假如設(shè)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，雷擊對信息系統(tǒng)的危害越來越大。雷電對信息系統(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、雷擊電磁場的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。對電磁脈沖的防護措施有攔截、分流、等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、接地、合理布線等。在信號線路上安裝SPD是信息系統(tǒng)防電磁脈沖的一個重要措施，它可以同時起到攔截、分流、等電位聯(lián)結(jié)的作用。信號線路SPD應(yīng)連接在被保護設(shè)備的信號端口上。其輸出端與被保護設(shè)備的端口相連，有串接和并接之分，一般是串聯(lián)安裝在信號線路上。因此，在選擇信號SPD時，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)生的強大電磁場變化(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)備防雷保護的重點是防止感應(yīng)雷入侵。在感應(yīng)雷的防護當(dāng)中，電涌保護器(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做出反應(yīng)，泄放線路中的過電流或?qū)€路上的過電壓進行鉗制，從而達到保護電氣設(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、電動機的啟動和停止，電鉆、電焊、電氣設(shè)備損壞和電線短路等都會產(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、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)時間長，強度仍然不小，但足以干擾和損壞電氣設(shè)備。

3 SPD在計算機信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)代計算機信息系統(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，其后果可能使整個系統(tǒng)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代的一大公害。

3.1　電源系統(tǒng)的防雷設(shè)計

(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。在每個相線與中線之間加裝V20-C模塊，并在每個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)需要保護的重要設(shè)備端。使用CNS32D對其電源線加以保護。

(4)弱電設(shè)備的電源保護。使用V20-C防雷模塊或VF系列電源精細(xì)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個高能石墨間隙防雷器和1個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。防雷器及空氣開關(guān)分別安裝于相應(yīng)的MCCB旁。