浪涌保护器（SPD）的基本原理及应用

     1 引言

　　电涌保护器(Surge Protective Device，SPD)又称浪涌保护器，是用于带电系统中限制瞬态过电压和导引泄放电涌电流的非线性防护器件，用以保护耐压水平低的电器或电子系统免遭雷击及雷击电磁脉冲或操作过电压的损害。近年来，电子信息系统(如电视、电话、通信、计算机网络等)发展迅猛，电子信息设备大量涌现和普及。这类系统和设备往往比较昂贵和重要，其工作电压、耐压水平很低，极易受到雷电电磁脉冲的危害，为此需采用SPD做过电压保护。

　　由于各国遵循的标准不一样，产品的规格没有统一，参数的标识也各自有侧重，远不如其他电气产品规范，这就给设计选型带来很大不便。在工程设计中，常见品牌按产地划分主要可分为国产产品、欧洲产品和美洲产品。国产产品参数设置较乱，规格多样，残压较高。规范产品的型号设置有的仿欧洲产品，有的遵循国标定参数，大部分产品都标注In与Imax。由于国产产品对应用场所要求较低，建筑物等级不高，设备耐压值大，所以一些参数要求可适当放松。

　　欧洲产品一般标注最大放电电流，产品型号也是根据这个参数设定的。例如欧洲某着名品牌XXX65、XXX40，其中数值65、40就是Imax。但我国标准明确规定要用标称放电电流In来进行选型，这是目前在工程设计中遇到的一个尴尬情况。经查该产品资料，XX65的In值不超过20 kA，XX40的In值不超过15 kA。如果依照GB50343建议值，这两种产品只能用于设备末端三级保护，但在实际设计中，却装在了一、二级上，这明显与国家标准的选型参数不符，且残压较高，普通型号一般超过1 200 V，一旦接线环境不好，很容易突破设备耐压值。一般欧系产品Uc值较小，且投机取巧标注线电压，因此在选型时，较容易出现误导。

　　2 SPD概述

　　2.1 SPD的工作原理

　　电涌保护器适用于220/380V低压电源保护，是一种非线性元件，根据IEC标准规定，电涌保护器是主要抑制传导过来的线路过电压和过电流的装置。电涌保护器起到保护作用，基本要求是必须承受预期通过的雷电电流，并且通过电涌最大钳压，有效熄灭在雷电流通过后产生的工频续流，把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。

　　电涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同，但至少包含一个非线性电压限制元件。常用电涌保护器有MOV（Metal Oxide Varistor）同气体放电管等。电涌包含强大的能量因此不能被阻止。基于这种原因，保护敏感电气设备免受电涌损坏的策略是把电涌从设备分流后流入大地。

　　浪涌保护器MOV由三部分组成：中间是一根金属氧化物材料，由两个半导体连接着电源和地线。当产生浪涌时MOV立即动作，响应时间为1～3毫微秒。MOV中的“V”是变阻器，在响应的一瞬间，MOV的电阻从最大值降到近乎零欧姆，过电流经MOV流入大地。被保护电气设备继续在正常工作电压下运行。其半导体元件具有随电压变化而改变电阻的性质。当电压低于某个特定值时，半导体中的电子运动产生高电阻。反之，当电压超过该特定值时，电子运动会发生变化，半导体电阻降低接近零欧姆。电压正常，浪涌保护器MOV闲在一旁，不影响电力线路。

　　*价浪涌保护器MOV优劣的指标：（1）箝位电压：表示将导致MOV接通地线的电压值。箝位电压越低，表示保护性能越好。（2）能量吸收/耗散能力：此标称值表示浪涌保护器在烧毁前能够吸收多少能量，单位为焦耳。其数值越高，保护性能就越好。（3）响应时间：浪涌保护器不会立刻断开，它们对电涌做出响应会有略微的延迟。

　　另一种常见的浪涌保护装置是气体放电管。这些气体放电管作用与MOV相同，它们将多余电流从火线移到地线，通过在两根电线之间使用惰性气体作为导体实现此功能。当电压处于某一特定范围时，该气体的组成决定了它是不良导体。如果电压出现浪涌并超过这一范围，电流的强度将足以使气体电离，从而使气体放电管成为非常良好的导体。它会将电流传导至地线，直到电压恢复正常水平，随后又会成为不良导体。

　　2.2 浪涌保护器的分类

　　SPD是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，其作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击。

　　2.2.1 按工作原理分类

　　按其工作原理分类， SPD可以分为电压开关型、限压型及组合型。

　　(1)电压开关型SPD。在没有瞬时过电压时呈现高阻抗，一旦响应雷电瞬时过电压，其阻抗就突变为低阻抗，允许雷电流通过，也被称为“短路开关型SPD”。

　　(2)限压型SPD。当没有瞬时过电压时，为高阻抗，但随电涌电流和电压的增加，其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性，有时被称为“钳压型SPD”。

　　(3)组合型SPD。由电压开关型组件和限压型组件组合而成，可以显示为电压开关型或限压型或两者兼有的特性，这决定于所加电压的特性。

　　2.2.2 按用途分类

　　按其用途分类， SPD可以分为电源线路SPD和信号线路SPD两种。

　　(1)电源线路SPD

　　由于雷击的能量是非常巨大的，需要通过分级泄放的方法，将雷击能量逐步泄放到大地。在直击雷非防护区(LPZ0A)或在直击雷防护区(LPZ0B)与第一防护区(LPZ1)交界处，安装通过Ⅰ级分类试验的浪涌保护器或限压型浪涌保护器作为第一级保护，对直击雷电流进行泄放，或者当电源传输线路遭受直接雷击时，将传导的巨大能量进行泄放。在第一防护区之后的各分区(包含LPZ1区)交界处安装限压型浪涌保护器，作为二、三级或更高等级保护。第二级保护器是针对前级保护器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备，在前级发生较大雷击能量吸收时，仍有一部分对设备或第三级保护器而言是相当巨大的能量，会传导过来，需要第二级保护器进一步吸收。同时，经过第一级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射。当线路足够长时，感应雷的能量就变得足够大，需要第二级保护器进一步对雷击能量实施泄放。第三级保护器对通过第二级保护器的残余雷击能量进行保护。根据被保护设备的耐压等级，假如两级防雷就可以做到限制电压低于设备的耐压水平，就只需要做两级保护;假如设备的耐压水平较低，可能需要四级甚至更多级的保护。

　　(2)信号线路SPD

　　随着信息系统的广泛应用，由于网络线路多，电子设备的耐压水平低，雷击对信息系统的危害越来越大。雷电对信息系统的危害主要是雷击电磁脉冲造成的，包括沿线路传导的雷电过电压波、雷电流在接地线产生的高电位反击、雷击电磁场的静电感应和电磁感应。对电磁脉冲的防护措施有拦截、分流、等电位联结、屏蔽、接地、合理布线等。在信号线路上安装SPD是信息系统防电磁脉冲的一个重要措施，它可以同时起到拦截、分流、等电位联结的作用。信号线路SPD应连接在被保护设备的信号端口上。其输出端与被保护设备的端口相连，有串接和并接之分，一般是串联安装在信号线路上。因此，在选择信号SPD时，应选用插入损耗较小的SPD。

　　2.3 SPD在防雷中的重要性

　　根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）的规定，在LPZ0B，LPZ1，LPZn+1防雷区建筑物应视情况采取防止感应雷、静电或电涌措施感应雷是由雷闪电流产生的强大电磁场变化（电磁脉冲感应或静电感应）在导体上感应出的过电压、过电流形成的雷击，对建筑物内的电气设备，尤其低压电子设备威胁巨大。建筑物内部设备防雷保护的重点是防止感应雷入侵。在感应雷的防护当中，电涌保护器（SPD）是不可缺少的装置，它能根据各种线路中出现的过电压过电流及时做出反应，泄放线路中的过电流或对线路上的过电压进行钳制，从而达到保护电气设备的目的。

　　静电、电涌和感应雷的性质一样，都可以通过电涌保护器（SPD）加以抑制。静电产生的另一种形式是由于摩擦或电子设备的高速运行，在人体和电子设备上产生大量静电电荷，人与物、物与物间易发生高压放电现象，放电后极易损坏精密的电子设备；电涌日常产生的面很广，如电源的开和关，电源的插拔，电梯、电闸门、电动机的启动和停止，电钻、电焊、电气设备损坏和电线短路等都会产生电涌。另外，电涌也常发生在电源系统内部，电源干线、支线、发电机、变配电装置、UPS、交直流电源、甚至电气设备终端都可能发生[2]。与雷电相比，虽然电涌的脉冲电压较低，但其脉冲宽、持续时间长，强度仍然不小，但足以干扰和损坏电气设备。

　　3 SPD在计算机信息系统中的应用

　　现代计算机信息系统大多由大规模集成电路组成，微电子器件的绝缘强度低，而这些敏感电子设备的工作电压却在不断降低，其数量和规模不断扩大，因而它们受过电压特别是雷电袭击而受到损害的可能性就大大增加，其后果可能使整个系统运行中断，并造成难以估量的经济损失。雷电和浪涌电压成为信息时代的一大公害。

　　3.1　电源系统的防雷设计

　　(1)主配电屏。三相线上加装3只MC50-B模块，并分别加上空气开关，在N线和地线之间加装MC125-B/NPE模块。

　　(2)UPS保护。在每个相线与中线之间加装V20-C模块，并在每个模块前加装空气开关，在N线与地线之间加装V20-C/NPE模块。

　　(3)需要保护的重要设备端。使用CNS32D对其电源线加以保护。

　　(4)弱电设备的电源保护。使用V20-C防雷模块或VF系列电源精细保护模块。

　　电源防雷器示意图如图1所示，其中MC50-B/3+NPE为3个高能石墨间隙防雷器和1个MC125-B/NPE模块的组合，V20-C/3+NPE/AS为增强型带声光功能的防雷器。防雷器及空气开关分别安装于相应的MCCB旁。

图1　电源防雷器示意图

　　3.2　计算机网络的防雷设计

　　在进出机房的百兆双绞线两端都加装RJ45S-E100/4-F网络防雷器;光纤线不需加装防雷器，但其加强芯应在入户处接地处理。在网络交换机出线端口处也安装RJ45S-E100/4-F网络防雷器，从而形成多级保护。

　　4 SPD应用中的几个问题

　　4.1 SPD的连接线和接地线导体的截面积

　　SPD的连接线和接地线一般采用多股铜线，其接地线截面积应大于连接线的截面积，并按与SPD连接的等电位联结排主接地线截面的50%确定。安装在电气装置电源进线端或靠近进线处的Ⅱ级分类试验的SPD，其接地线应为不小于4 mm2的多股铜线。对于防直击雷的Ⅰ级分类试验的SPD，其接地线宜为不小于16 mm2的多股铜线。当采用其他材质导线时，其截面积应与上述铜导线截面等效。SPD两端引线应短而直，避免形成过大环路。

　　4.2 SPD的附件

　　现有大部分电源系统SPD产品都像微型断路器一样采用模块化导轨安装形式，有单极和一体化的多极产品，有固定式和芯体可插拔更换的插拔式两种安装形式。为了监视SPD的老化和运行状态，采用金属氧化物电阻元件的限压型SPD，带有老化显示及过载热分断装置和失效指示功能。根据系统运行需要还可装设工作状态监视报警模块或远程监控辅助触头。间隙型SPD可选用运行状态指示器和雷击计数器的产品。

　　4.3 SPD的过流保护

　　SPD安装线路上应有过电流保护器件，并参照制造商的建议配置。当采用断路器时，应采用具有C型脱扣曲线的延时型脱扣器，其额定电流第一级不小于50 A(可选63 A)，以后各级不小于20 A(可选32 A)。当采用熔断器时，其配置原则与断路器相同。当SPD装于剩余电流保护装置(RCD)的负荷侧时，为防止电涌电流通过时，RCD误动作，可采用带延时的S型剩余电流保护器。对特别重要的负荷设备可采用对大气过电压不敏感的SI型剩余电流保护器，且应具有不小于3 kA(8/20μs)的电涌电流抗干扰能力。

　　5 结论

　　电涌保护器（SPD）是综合防雷系统的重要组成部分，有着不可替代的作用。电涌保护器（SPD）的连接电路根据不同需要，有不同的形式，在做好屏蔽（线路、机房、设备）、等电位连接和建立联合共同接地系统后，将其保护认真做深、做细、做好，筑起一道雷电、静电和电涌无法逾越的防线，才能真正保障信息系统和电气设备的安全。