一、浪涌保護器

    浪涌保護器，也叫防雷器，是一種為各種電子設(shè)備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護的電子裝置。當電氣回路或者通信線路中因為外界的干擾突然產(chǎn)生尖峰電流或者電壓時，浪涌保護器能在極短的時間內(nèi)導(dǎo)通分流，從而避免浪涌對回路中其他設(shè)備的損害。

浪涌保護器，適用于交流50/60HZ，額定電壓220V/380V的供電系統(tǒng)中，對間接雷電和直接雷電影響或其他瞬時過壓的電涌進行保護，適用于家庭住宅、第三產(chǎn)業(yè)以及工業(yè)領(lǐng)域電涌保護的要求。

    二、專業(yè)術(shù)語

    1、接閃器 Air-termination system

    用于直接接受或承受雷擊的金屬物體和金屬結(jié)構(gòu)，如：避雷針、避雷帶（線）、避雷網(wǎng)等。

    2、引下線 Down conductor system

    連接接閃器與接地裝置的金屬導(dǎo)體。

    3、接地裝置 Earth termination system

    接地體和接地體連接導(dǎo)體的總和。

    4、接地體 Earth electrode

    埋入地中直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體。也稱接地極。直接與大地接觸的各種金屬構(gòu)件、金屬設(shè)施、金屬管道、金屬設(shè)備等可以兼作接地體，稱為自然接地體。

    5、接地體連接導(dǎo)體 Earth conductor

    從電氣設(shè)備接地端子接到接地裝置的連接導(dǎo)線或?qū)w，或從需要等電位連接的金屬物體、總接地端子、接地匯總板、總接地排、等電位連接排至接地裝置的連接導(dǎo)線或?qū)w。

    6、直擊雷 Direct lightning flash

    直接擊在建筑物、大地或防雷裝置等實際物體的雷電。

    7、地電位反擊 Back flashover

    雷電流經(jīng)過接地點或接地系統(tǒng)而引起該區(qū)域地電位的變化。地電位反擊會引起接地系統(tǒng)電位的變化，可能造成電子設(shè)備、電氣設(shè)備的損壞。

    8、雷電防護系統(tǒng) Lightning protection system（LPS）

    減少雷電對建筑物、裝置等防護目標造成損害的系統(tǒng)，包括外部和內(nèi)部雷電防護系統(tǒng)。

    8.1外部雷電防護系統(tǒng) External lightning protection system

    建（構(gòu)）筑物外部或本體的雷電防護部分，通常由接閃器、引下線和接地裝置組成，用于防直擊雷。

    8.2內(nèi)部雷電防護系統(tǒng) Internal lightning protection system

    建（構(gòu)）筑物內(nèi)部的雷電防護部分，通常由等電位連接系統(tǒng)、共用接地系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、合理布線、電涌防護器等組成，主要用于減小和防止雷電流在防護空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。

三、發(fā)展歷程

    最原始的電涌保護器羊角形間隙，出現(xiàn)于19世紀末期，用于架空輸電線路，防止雷擊損壞設(shè)備絕緣而造成停電。20世紀20年代，出現(xiàn)了鋁浪涌保護器，氧化膜浪涌保護器和丸式浪涌保護器。30年代出現(xiàn)了管式浪涌保護器。50年代出現(xiàn)了碳化硅防雷器。70年代又出現(xiàn)了金屬氧化物浪涌保護器?，F(xiàn)代高壓浪涌保護器，不僅用于限制電力系統(tǒng)中因雷電引起的過電壓，也用于限制因系統(tǒng)操作產(chǎn)生的過電壓。1992年以來，以德、法為代表的工控標準35mm導(dǎo)軌卡接式可拔插SPD防雷模塊，開始大規(guī)模引進到中國，稍后以美、英為代表的一體化箱式電源防雷組合也進入了中國。

    四、基本特點

    1.保護通流量大，殘壓極低，響應(yīng)時間快；

    2.采用最新滅弧技術(shù)，徹底避免火災(zāi)；

    3.采用溫控保護電路，內(nèi)置熱保護；  

    4.帶有電源狀態(tài)指示，指示浪涌保護器工作狀態(tài)；            

    5.結(jié)構(gòu)嚴謹，工作穩(wěn)定可靠。

五、分析

    引言

    雷電災(zāi)害是最嚴重的自然災(zāi)害之一，全世界每年因雷電災(zāi)害造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失不計其數(shù)。隨著電子、微電子集成化設(shè)備的大量應(yīng)用，雷電過電壓和雷擊電磁脈沖所造成的系統(tǒng)和設(shè)備的損壞越來越多。因此，盡快解決建筑物和電子信息系統(tǒng)雷電災(zāi)害防護問題顯得十分重要。

隨著相關(guān)設(shè)備對防雷要求的日益嚴格，安裝浪涌保護器(Surge ProtectionDevice,SPD)抑制線路上的浪涌和瞬時過電壓、泄放線路上的過電流成為現(xiàn)代防雷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一。

    雷電的特性

    防雷包括外部防雷和內(nèi)部防雷。外部防雷以接閃器(避雷針、避雷網(wǎng)、避雷帶、避雷線）、引下線、接地裝置為主，其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲，將可能擊中建筑物的雷電通過避雷針（帶、網(wǎng)、線）、引下線等泄放入大地。內(nèi)部防雷包括防雷電感應(yīng)、線路浪涌、地電位反擊、雷電波入侵以及電磁與靜電感應(yīng)的措施。其基該方法是采用等電位聯(lián)結(jié)，包括直接連接和通過SPD間接連接，使金屬體、設(shè)備線路與大地形成一個有條件的等電位體，將因雷擊和其他浪涌引起的內(nèi)部設(shè)施分流和感應(yīng)的雷電流或浪涌電流泄放入大地，從而保護建筑物內(nèi)人員和設(shè)備的安全。

    雷電的特點是電壓上升非?？欤?0μs以內(nèi)），峰值電壓高（數(shù)萬至數(shù)百萬伏），電流大（幾十至幾百千安），維持時間較短（幾十至幾百微秒），傳輸速度快（以光速傳播），能量非常巨大，是浪涌電壓中最具破壞力的一種。

六、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兀Ｗo被保護的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊。

    按工作原理分

    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。

    ⑴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”。

    ⑵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”。

    ⑶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。

    按用途分

    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。

    選擇SPD，首先需要了解一些參數(shù)及其工作原理。

    ⑴ 10/350μs波是模擬直擊雷的波形，波形能量大； 8/20μs波是模擬雷電感應(yīng)和雷電傳導(dǎo)的波形。

    ⑵標稱放電電流In是指流過SPD、8/20μs電流波的峰值電流。

    ⑶最大放電電流Imax又稱為最大通流量，指使用8/20μs電流波沖擊SPD一次能承受的最大放電電流。

    ⑷最大持續(xù)耐壓Uc(rms）指可連續(xù)施加在SPD上的最大交流電壓有效值或直流電壓。

    ⑸殘壓Ur指在額定放電電流In下的殘壓值。

    ⑹保護電壓Up表征SPD限制接線端子間的電壓特性參數(shù)，其值可從優(yōu)選值的列表中選取，應(yīng)大于限制電壓的最高值。

    ⑺電壓開關(guān)型SPD主要泄放的是10/350μs電流波，限壓型SPD主要泄放的是8/20μs電流波。

    2.信號線路SPD

    信號線路SPD其實就是信號避雷器，安裝在信號傳輸線路中，一般在設(shè)備前端，用來保護后續(xù)設(shè)備，防止雷電波從信號線路涌入損傷設(shè)備。

    1）電壓保護水平（UP）的選擇

    UP 值不應(yīng)超過被保護設(shè)備耐沖擊電壓額定值，UP 要求SPD 與被保護的設(shè)備的絕緣應(yīng)有良好配合。

在低壓供配電系統(tǒng)裝置中，設(shè)備均應(yīng)具有一定的耐受電涌能力，即耐沖擊過電壓能力。當無法獲得220/380V 三相系統(tǒng)各種設(shè)備的耐沖擊過電壓值時，可按IEC 60664-1 和GB 50057-1994（2000 版）的給定指標選用。

    2）標稱放電電流In 的（沖擊通流容量）選擇

    流過SPD、8/20 μs 電流波的峰值電流。用于對SPD 做II 級分類試驗，也用于對SPD 做I 級和II 級分類試驗的預(yù)處理。

事實上，In 是SPD 不發(fā)生實質(zhì)性破壞而能通過規(guī)定次數(shù)(一般為20 次)、規(guī)定波形（8/20 μs）的最大限度的沖擊電流峰值。

    3）最大放電電流Imax（極限沖擊通流容量）的選擇

    流過SPD、8/20 μs 電流波的峰值電流，用于II 級分類試驗。Imax 與In 有許多相同點，他們都是用8/20 μs 電流波的峰值電流對SPD 做II 級分類試驗。不同之處也很明顯，Imax 只對SPD 做一次沖擊試驗，試驗后SPD 不發(fā)生實質(zhì)性破壞；而In 可以做20次這樣的試驗，試驗后SPD 也不能有實質(zhì)性破壞。因此，Imax 是沖擊的電流極限值，所以最大放電電流也稱為極限沖擊通流容量。顯然，Imax>In。

七、工作原理

    浪涌保護器（Surge protection Device）是電子設(shè)備雷電防護中不可缺少的一種裝置，過去常稱為

  “避雷器”或“過電壓保護器”英文簡寫為SPD.浪涌保護器的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?a target="_blank" >雷電流泄流入地，保護被保護的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。

    浪涌保護器的類型和結(jié)構(gòu)按不同的用途有所不同，但它至少應(yīng)包含一個非線性電壓限制元件。用于浪涌保護器的基本元器件有：放電間隙、充氣放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線圈等。

分級防護

    第一級防雷器可以對于直接雷擊電流進行泄放，或者當電源傳輸線路遭受直接雷擊時傳導(dǎo)的巨大能量進行泄放，對于有可能發(fā)生直接雷擊的地方，必須進行CLASS—I的防雷。第二級防雷器是針對前級防雷器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護設(shè)備，對于前級發(fā)生較大雷擊能量吸收時，仍有一部分對設(shè)備或第三級防雷器而言是相當巨大的能量會傳導(dǎo)過來，需要第二級防雷器進一步吸收。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LEMP，當線路足夠長感應(yīng)雷的能量就變得足夠大，需要第二級防雷器進一步對雷擊能量實施泄放。第三級防雷器是對LEMP和通過第二級防雷器的殘余雷擊能量進行保護。

第一級保護

    目的是防止浪涌電壓直接從LPZ0區(qū)傳導(dǎo)進入LPZ1區(qū)，將數(shù)萬至數(shù)十萬伏的浪涌電壓限制到2500—3000V。

    入戶電力變壓器低壓側(cè)安裝的電源防雷器作為第一級保護時應(yīng)為三相電壓開關(guān)型電源防雷器，其雷電通流量不應(yīng)低于60KA。該級電源防雷器應(yīng)是連接在用戶供電系統(tǒng)入口進線各相和大地之間的大容量電源防雷器。一般要求該級電源防雷器具備每相100KA以上的最大沖擊容量，要求的限制電壓小于2500V，稱之為CLASS I級電源防雷器。這些電磁防雷器是專為承受雷電和感應(yīng)雷擊的大電流以及吸引高能量浪涌而設(shè)計的，可將大量的浪涌電流分流到大地。它們僅提供限制電壓（沖擊電流流過電源防雷器時，線路上出現(xiàn)的最大電壓稱為限制電壓）為中等級別的保護，因為CLASS I級保護器主要是對大浪涌電流進行吸收，僅靠它們是不能完全保護供電系統(tǒng)內(nèi)部的敏感用電設(shè)備的。

    第一級電源防雷器可防范10/350μs、100KA的雷電波，達到IEC規(guī)定的最高防護標準。其技術(shù)參考為：雷電通流量大于或等于100KA（10/350μs）；殘壓值不大于2.5KV；響應(yīng)時間小于或等于100ns。

第二級防護

    目的是進一步將通過第一級防雷器的殘余浪涌電壓的值限制到1500—2000V，對LPZ1—LPZ2實施等電位連接。

    分配電柜線路輸出的電源防雷器作為第二級保護時應(yīng)為限壓型電源防雷器，其雷電流容量不應(yīng)低于20KA，應(yīng)安裝在向重要或敏感用電設(shè)備供電的分路配電處。這些電源防雷器對于通過了用戶供電入口處浪涌放電器的剩余浪涌能量進行更完善的吸收，對于瞬態(tài)過電壓具有極好的抑制作用。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相45kA以上，要求的限制電壓應(yīng)小于1200V，稱之為CLASS Ⅱ級電源防雷器。一般用戶供電系統(tǒng)做到第二級保護就可以達到用電設(shè)備運行的要求了

    第二級電源防雷器采用C類保護器進行相—中、相—地以及中—地的全模式保護，主要技術(shù)參數(shù)為：雷電通流容量大于或等于40KA（8/20μs）；殘壓峰值不大于1000V；響應(yīng)時間不大于25ns。

第三級保護

    目的是最終保護設(shè)備的手段，將殘余浪涌電壓的值降低到1000V以內(nèi)，使浪涌的能量不致?lián)p壞設(shè)備。

    在電子信息設(shè)備交流電源進線端安裝的電源防雷器作為第三級保護時應(yīng)為串聯(lián)式限壓型電源防雷器，其雷電通流容量不應(yīng)低于10KA。

    最后的防線可在用電設(shè)備內(nèi)部電源部分采用一個內(nèi)置式的電源防雷器，以達到完全消除微小的瞬態(tài)過電壓的目的。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相20KA或更低一些，要求的限制電壓應(yīng)小于1000V。對于一些特別重要或特別敏感的電子設(shè)備具備第三級保護是必要的，同時也可以保護用電設(shè)備免受系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓影響。

    對于微波通信設(shè)備、移動機站通信設(shè)備及雷達設(shè)備等使用的整流電源，宜視其工作電壓的保護需要分別選用工作電壓適配的直流電源防雷器作為末級保護。

第四級及以上

    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。第四級保護其雷電通流容量不應(yīng)低于5KA。

八、安裝方法

    1、SPD常規(guī)安裝要求

    浪涌保護器采用35MM標準導(dǎo)軌安裝

    對于固定式SPD，常規(guī)安裝應(yīng)遵循下述步驟：

    1）確定放電電流路徑

    2）標記在設(shè)備終端引起的額外電壓降的導(dǎo)線，。

    3）為避免不必要的感應(yīng)回路，應(yīng)標記每一設(shè)備的 PE導(dǎo)體，

    4）設(shè)備與SPD之間建立等電位連接。

    5）要進行多級SPD的能量協(xié)調(diào)

    為了限制安裝后的保護部分和不受保護的設(shè)備部分之間感應(yīng)耦合，需進行一定測量。通過感應(yīng)源與犧牲電路的分離、回路角度的選擇和閉合回路區(qū)域的限制能降低互感，

    當載流分量導(dǎo)線是閉合回路的一部分時，由于此導(dǎo)線接近電路而使回路和感應(yīng)電壓而減少。

    一般來說，將被保護導(dǎo)線和沒被保護的導(dǎo)線分開比較好，而且，應(yīng)該與接地線分開。同時，為了避免動力電纜和通信電纜之間的瞬態(tài)正交耦合，應(yīng)該進行必要的測量。

    2、SPD接地線徑選擇

    數(shù)據(jù)線：要求大于2.5mm2 ；當長度超過0.5米時要求大于4mm2。YD/T5098-1998。

    電源線：相線截面積S≤16mm2 時，地線用S ；相線截面積16mm2≤S≤35mm2 時，地線用16mm2 ；相線截面積S≥35mm2時，地線要求S/2 ；GB 50054第2.2.9條    

    浪涌保護器的主要參數(shù)

    1、標稱電壓Un：被保護系統(tǒng)的額定電壓相符，在信息技術(shù)系統(tǒng)中此參數(shù)表明了應(yīng)該選用的保護器的類型，它標出交流或直流電壓的有效值。

    2、額定電壓Uc：能長久施加在保護器的指定端，而不引起保護器特性變化和激活保護元件的最大電壓有效值。

    3、額定放電電流Isn：給保護器施加波形為8/20μs的標準雷電波沖擊10次時，保護器所耐受的最大沖擊電流峰值。

    4、最大放電電流Imax：給保護器施加波形為8/20μs的標準雷電波沖擊1次時，保護器所耐受的最大沖擊電流峰值。

    5、電壓保護級別Up：保護器在下列測試中的最大值：1KV/μs斜率的跳火電壓；額定放電電流的殘壓。

    6、響應(yīng)時間tA：主要反應(yīng)在保護器里的特殊保護元件的動作靈敏度、擊穿時間，在一定時間內(nèi)變化取決于du/dt或di/dt的斜率。

    7、數(shù)據(jù)傳輸速率Vs：表示在一秒內(nèi)傳輸多少比特值，單位：bps；是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中正確選用防雷器的參考值，防雷保護器的數(shù)據(jù)傳輸速率取決于系統(tǒng)的傳輸方式。

    8、插入損耗Ae：在給定頻率下保護器插入前和插入后的電壓比率。

    9、回波損耗Ar：表示前沿波在保護設(shè)備（反射點）被反射的比例，是直接衡量保護設(shè)備同系統(tǒng)阻抗是否兼容的參數(shù)。

    10、最大縱向放電電流：指每線對地施加波形為8/20μs的標準雷電波沖擊1次時，保護器所耐受的最大沖擊電流峰值。

    11、最大橫向放電電流：指線與線之間施加波形為8/20μs的標準雷電波沖擊1次時，保護器所耐受的最大沖擊電流峰值。

    12、在線阻抗：指在標稱電壓Un下流經(jīng)保護器的回路阻抗和感抗的和。通常稱為“系統(tǒng)阻抗”。

    13、峰值放電電流：分兩種：額定放電電流Isn和最大放電電流Imax。

    14、漏電流：指在75或80標稱電壓Un下流經(jīng)保護器的直流電流。

九、作用

    雷電放電可能發(fā)生在云層之間或云層內(nèi)部，或云層對地之間；另外許多大容量電氣設(shè)備的使用帶來的內(nèi)部浪涌，對供電系統(tǒng)（中國低壓供電系統(tǒng)標準：AC 50Hz 220/380V）和用電設(shè)備的影響以及防雷和防浪涌的保護，已成為人們關(guān)注的焦點。

    云層與地之間的雷擊放電，由一次或若干次單獨的閃電組成，每次閃電都攜帶若干幅值很高、持續(xù)時間很短的電流。一個典型的雷電放電將包括二次或三次的閃電，每次閃電之間大約相隔二十分之一秒的時間。大多數(shù)閃電電流在10，000至100，000安培的范圍之間降落，其持續(xù)時間一般小于100微秒。

    供電系統(tǒng)內(nèi)部由于大容量設(shè)備和變頻設(shè)備等的使用，帶來日益嚴重的內(nèi)部浪涌問題。我們將其歸結(jié)為瞬態(tài)過電壓（TVS）的影響。任何用電設(shè)備都存在供電電源電壓的允許范圍。有時即便是很窄的過電壓沖擊也會造成設(shè)備的電源或全部損壞。瞬態(tài)過電壓（TVS）破壞作用就是這樣。特別是對一些敏感的微電子設(shè)備，有時很小的浪涌沖擊就可能造成致命的損壞。

十、用途

    浪涌也叫突波，顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬分之一秒時間內(nèi)的一種劇烈脈沖，可能引起浪涌的原因有：重型設(shè)備、短路、電源切換或大型發(fā)動機。而含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品可以有效地吸收突發(fā)的巨大能量，以保護連接設(shè)備免于受損。

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