發布時間:2021/12/13
1;基本原理
電涌保護器(Surge Protective Device，SPD)又稱浪涌保護器，是用于帶電系統中限制瞬態過電壓和導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(如電視、電話、通信、計算機網絡等)發展迅猛，電子信息設備大量涌現和普及。這類系統和設備往往比較昂貴和重要，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。
由于各國遵循的標準不一樣，產品的規格沒有統一，參數的標識也各自有側重，遠不如其他電氣產品規范，這就給設計選型帶來很大不便。在工程設計中，常見品牌按產地劃分主要可分為國產產品、歐洲產品和美洲產品。國產產品參數設置較亂，規格多樣，殘壓較高。規范產品的型號設置有的仿歐洲產品，有的遵循國標定參數，大部分產品都標注In與Imax。由于國產產品對應用場所要求較低，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。
歐洲產品一般標注最大放電電流，產品型號也是根據這個參數設定的。例如歐洲某著名品牌XXX65、XXX40，其中數值65、40就是Imax。但我國標準明確規定要用標稱放電電流In來進行選型，這是目前在工程設計中遇到的一個尷尬情況。經查該產品資料，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，這兩種產品只能用于設備末端三級保護，但在實際設計中，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1 200 V，一旦接線環境不好，很容易突破設備耐壓值。一般歐系產品Uc值較小，且投機取巧標注線電壓，因此在選型時，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，是一種非線性元件，根據IEC標準規定，電涌保護器是主要抑制傳導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生的工頻續流，把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過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。
電涌保護器的類型和結構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。基于這種原因，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，由兩個半導體連接著電源和地線。當產生浪涌時MOV立即動作，響應時間為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，過電流經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。當電壓低于某個特定值時，半導體中的電子運動產生高電阻。反之，當電壓超過該特定值時，電子運動會發生變化，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，不影響電力線路。
*價浪涌保護器MOV優劣的指標：（1）箝位電壓：表示將導致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。其數值越高，保護性能就越好。（3）響應時間：浪涌保護器不會立刻斷開，它們對電涌做出響應會有略微的延遲。
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體實現此功能。當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體。如果電壓出現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體。它會將電流傳導至地線，直到電壓恢復正常水平，隨后又會成為不良導體。
2.2 浪涌保護器的分類
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、信號傳輸線的瞬時過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
按其工作原理分類， SPD可以分為電壓開關型、限壓型及組合型。
(1)電壓開關型SPD。在沒有瞬時過電壓時呈現高阻抗，一旦響應雷電瞬時過電壓，其阻抗就突變為低阻抗，允許雷電流通過，也被稱為“短路開關型SPD”。
(2)限壓型SPD。當沒有瞬時過電壓時，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。由電壓開關型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為電壓開關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(LPZ0A)或在直擊雷防護區(LPZ0B)與第一防護區(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，或者當電源傳輸線路遭受直接雷擊時，將傳導的巨大能量進行泄放。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，在前級發生較大雷擊能量吸收時，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，會傳導過來，需要第二級保護器進一步吸收。同時，經過第一級防雷器的傳輸線路也會感應雷擊電磁脈沖輻射。當線路足夠長時，感應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)信號線路SPD
隨著信息系統的廣泛應用，由于網絡線路多，電子設備的耐壓水平低，雷擊對信息系統的危害越來越大。雷電對信息系統的危害主要是雷擊電磁脈沖造成的，包括沿線路傳導的雷電過電壓波、雷電流在接地線產生的高電位反擊、雷擊電磁場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、等電位聯結、屏蔽、接地、合理布線等。在信號線路上安裝SPD是信息系統防電磁脈沖的一個重要措施，它可以同時起到攔截、分流、等電位聯結的作用。信號線路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，一般是串聯安裝在信號線路上。因此，在選擇信號SPD時，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生的強大電磁場變化（電磁脈沖感應或靜電感應）在導體上感應出的過電壓、過電流形成的雷擊，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，它能根據各種線路中出現的過電壓過電流及時做出反應，泄放線路中的過電流或對線路上的過電壓進行鉗制，從而達到保護電氣設備的目的。
靜電、電涌和感應雷的性質一樣，都可以通過電涌保護器（SPD）加以抑制。靜電產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生大量靜電電荷，人與物、物與物間易發生高壓放電現象，放電后極易損壞精密的電子設備；電涌日常產生的面很廣，如電源的開和關，電源的插拔，電梯、電閘門、電動機的啟動和停止，電鉆、電焊、電氣設備損壞和電線短路等都會產生電涌。另外，電涌也常發生在電源系統內部，電源干線、支線、發電機、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、持續時間長，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運行中斷，并造成難以估量的經濟損失。雷電和浪涌電壓成為信息時代的一大公害。
3.1 電源系統的防雷設計
(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，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，在N線與地線之間加裝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。防雷器及空氣開關分別安裝于相應的MCCB旁。
3.2 計算機網絡的防雷設計
在進出機房的百兆雙絞線兩端都加裝RJ45S-E100/4-F網絡防雷器;光纖線不需加裝防雷器，但其加強芯應在入戶處接地處理。在網絡交換機出線端口處也安裝RJ45S-E100/4-F網絡防雷器，從而形成多級保護。
4 SPD應用中的幾個問題
4.1 SPD的連接線和接地線導體的截面積
SPD的連接線和接地線一般采用多股銅線，其接地線截面積應大于連接線的截面積，并按與SPD連接的等電位聯結排主接地線截面的50%確定。安裝在電氣裝置電源進線端或靠近進線處的Ⅱ級分類試驗的SPD，其接地線應為不小于4 mm2的多股銅線。對于防直擊雷的Ⅰ級分類試驗的SPD，其接地線宜為不小于16 mm2的多股銅線。當采用其他材質導線時，其截面積應與上述銅導線截面等效。SPD兩端引線應短而直，避免形成過大環路。
4.2 SPD的附件
現有大部分電源系統SPD產品都像微型斷路器一樣采用模塊化導軌安裝形式，有單極和一體化的多極產品，有固定式和芯體可插拔更換的插拔式兩種安裝形式。為了監視SPD的老化和運行狀態，采用金屬氧化物電阻元件的限壓型SPD，帶有老化顯示及過載熱分斷裝置和失效指示功能。根據系統運行需要還可裝設工作狀態監視報警模塊或遠程監控輔助觸頭。間隙型SPD可選用運行狀態指示器和雷擊計數器的產品。
4.3 SPD的過流保護
SPD安裝線路上應有過電流保護器件，并參照制造商的建議配置。當采用斷路器時，應采用具有C型脫扣曲線的延時型脫扣器，其額定電流第一級不小于50 A(可選63 A)，以后各級不小于20 A(可選32 A)。當采用熔斷器時，其配置原則與斷路器相同。當SPD裝于剩余電流保護裝置(RCD)的負荷側時，為防止電涌電流通過時，RCD誤動作，可采用帶延時的S型剩余電流保護器。對特別重要的負荷設備可采用對大氣過電壓不敏感的SI型剩余電流保護器，且應具有不小于3 kA(8/20μs)的電涌電流抗干擾能力。
5 結論
電涌保護器（SPD）是綜合防雷系統的重要組成部分，有著不可替代的作用。電涌保護器（SPD）的連接電路根據不同需要，有不同的形式，在做好屏蔽（線路、機房、設備）、等電位連接和建立聯合共同接地系統后，將其保護認真做深、做細、做好，筑起一道雷電、靜電和電涌無法逾越的防線，才能真正保障信息系統和電氣設備的安全。
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