浪涌保護器原理及應用

杜尚彬

（南京菲尼克斯電氣有限公司哈爾濱辦事處，哈爾濱150001）

0 引言

電涌電壓是持續時間極短，有陡峭上升沿的脈沖電壓或瞬態電壓。雷擊是最為人熟知的導致該類極端電涌電壓產生的原因之一。其次，日常帶負載進行開關操作、靜電放電也會產生電涌電壓，這種電涌電壓可以通過電流、電感或電容等耦合途徑由電源、測量設備或數據傳輸系統進入電氣設備或電子設備內部。不論電涌電壓是如何產生的，它所產生的結果是相同的：設備毀壞、系統停頓或控制系統失靈。與系統失靈和更換元件的代價相比較，可能產生的數據丟失和收益率下降等間接損失遠遠大于直接損失。為了防止電涌電壓摧毀電氣系統，所有處于危險的接口，如信號輸入和電源入口必須安裝防雷及電涌保護器。

1 浪涌保護器的原理

電涌保護器（Surge Protective Device，SPD）又稱浪涌保護器，它是一個至少使用了一個非線性零件的裝置，可以有效限制瞬態過電壓和轉移浪涌電流。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。

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，把竄入信號、電力線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，保護設備或系統不受沖擊而損壞。用于浪涌保護器的基本元器件有放電間隙、氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管。

1.1 放電間隙

浪涌保護器中的放電間隙基于電弧放電技術。兩個角形放電電極位置彼此相對并按特定的距離固定在特殊絕緣板上。在放電電極下方設有一同材料的撞擊板對著角形間隙開口方向。在兩個電極之間出現電涌電壓時，在絕緣板的角形電極根部發生表面放電并形成電弧。持續的電弧被電動力驅動向下撞擊擋板并被撞碎。撞碎的電弧分斷熄滅線路的持續電流。

1.2 氣體放電管

氣體放電保護器含有一組電極的陶瓷或玻璃管封裝體。電極之間充有惰性氣體，如氬或氖。當達到點火電壓時，保護元件快速變為低阻抗狀態，可以排放10 kA（8/20 μs）以下的瞬態電流。其動作時間在毫微秒范圍內。其缺點是點火性能受到時間的限制以及可能出現電源續流。氣體放電保護器點火以后，電壓超過24 V的低阻抗電路尤其容易將原本只希望持續寥寥幾微秒，因充氣式放電器引起的短路繼續保持下去。其結果是充氣式放電器在剎那間爆裂。因此，采用氣體放電保護器的過電壓保護線路里，應預設一個短路器，以便在極短的時間內將電路中斷。

1.3 壓敏電阻

壓敏電阻可以在大功率電流排放以后，繼續調低殘余電壓的水平。壓敏電阻在尺寸與氣體放電管放電器基本相同的情況下無法泄放很大的電流。然而，它在毫微秒范圍內動作時間過程中反應速度要更快，而且沒有電流續流的問題。其缺點在于壓敏電阻的老化和電容相當高。

1.4 抑制二級管

作為高靈敏度保護元件可以使用反應速度極快的抑制二級管。其動作時間可以達到納秒級，電壓限制也同樣很好，約為額定電壓的1.8倍。其缺點是電流負荷量小和電容量相當高兩個方面。

人們十分希望充分利用氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管等各自優點而摒棄其缺點。當過電壓出現時，抑制二極管作為速度最快的元件首先動作。線路設計為，在抑制二級管可能被毀壞之前，放電電流即隨著幅值的上升轉換到前置的放電路徑上，即氣體放電管式放電器。如果放電電流小于該值，則氣體放電管不動作（如圖1所示）。

圖1

采用這種線路不僅可以在低保護電平的條件下利用放電器動作迅速的優點，同時還可以達到很高的放電容量。這樣就可以消除抑制二極管過載以及熔斷器在出現電源續流時頻繁切斷電路的缺點。

2 浪涌保護器的分類

浪涌保護器按工作原理可以分為限壓型、電壓開關型和組合型。在沒有瞬時過電壓時呈現高阻抗，一旦有雷電瞬時過電壓，阻抗就突變為低阻抗，允許雷電流通過，稱為電壓開關型SPD或短路開關型。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，被稱為限壓型SPD或鉗壓型SPD。組合型SPD是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或限壓型或兩者兼有的特性，這決定于所加電壓的特性。

浪涌保護器按用途可以分為電源線路和信號線路的浪涌保護器。電源的過電壓保護一般分為三個保護級。電源的初級保護安裝在電源的總入口，用雷電電流放電器。由于后續設備承受的殘壓仍舊過高，必須安裝過電壓防雷器作為二級保護設備。作為三級設備保護的過電壓防雷器應直接安裝在設備前面。信息線路的過電壓保護一般也分為三級。數據、電訊和MCR技術領域的接口靈敏度大大高于終端設備和電源入口。因此，數據接口必須有高靈敏度的防護。此類防雷器一般安裝于數據導線進入保護范圍的入口處。與電源系統內放電器所采用的并聯技術相反，MCR設備和數據處理器的過電壓保護裝置采用串聯方式接入傳輸導線。因此，相應的放電器必須在信息系統的兩側，即發射器和接收器前同時安裝。

3 浪涌保護器的關鍵參數

最大放電電流Imax：流過SPD，具有8/20 μs波形的放電電流的峰值。

標稱放電電流In：流過SPD具有8/20 μs形式的電流峰值。用于Ⅱ級實驗的SPD分級以及Ⅰ級、Ⅱ級實驗的SPD預處理實驗。

標稱電壓UN：SPD保護設備的工作電壓。

最大持續工作電壓Uc：允許持久地施加在SPD上的最大交流電壓有效值或直流電壓。

殘壓：當放電電流通過時所達到的額定峰值電壓。電壓保護水平Up：表征SPD限制接線端子間電壓的性能參數。

4 浪涌保護器的選型原則及選型案例

4.1 選型原則

浪涌保護器的選型原則應考慮被保護設備的重要程度和價值，被保護設備所處雷擊區的雷電浪涌強度，被保護設備對雷電浪涌的暴露程度。根據所選擇的電涌保護器和預期的環境影響，保護系統的電源和設備所需的保護措施被分為三級。分別對應國際GB50057-94（2000版）的耐沖擊過電壓類別的Ⅳ類6 kV、Ⅲ類4 kV、Ⅱ類2.5 kV、Ⅰ類1.5 kV的Ⅰ級（B）、Ⅱ級（C）、Ⅲ級（D）電涌保護器（SPD）。各級保護裝置在浪涌放電能力水平和保護級別上有所不同。在傳統三級保護概念下，其結構如表1。

表1

4.2 選型步驟

1）劃定雷電保護區。根據標準將防雷區分為：LPZ0A，LPZ0B，LPZ1，LPZn+1后續防雷區。所有進入建筑物的外來導電物均在LPZ0A或LPZ0B與LPZ1區交界處做等電位連接，并設置浪涌保護器，如有后續分區，一般也適用此原則。

2）根據雷擊風險及保護系統的重要性，確定雷電防護等級。在LPZ0區與LPZ1區交界處應安裝Ⅰ級分類實驗的SPD或限壓型SPD作為第一級保護，在LPZ1區與LPZ2區交界處應安裝限壓型SPD作為第二級保護，在終端設備前段安裝限壓型SPD作為第三級保護。

3）根據雷電流分流計算及被保護設備的運行參數，選擇確定浪涌保護器的各相關參數。

4.3 浪涌保護器在計算機機房防雷設計方案的應用

4.3.1 基本情況

機房位于辦公樓2樓，機房面積：11 m×6 m。供電采用1路AC380V電源由總配電房至辦公樓2樓機房，機房內設備通過1臺UPS供電。機房內有1臺交換機，1臺服務器，網絡引入線和內部局域網采用雙絞線傳輸。機房內部無接地引入線，可從機房主鋼筋引出。

4.3.2 設計說明

在對該建筑物進行充分的雷擊風險評估的基礎上，綜合考慮從供電、信號、接地三個部分進行設計，以最大限度地減輕雷電災害。

4.3.2.1 供電部分

1）在總配電房1路AC380V市電輸入母線上安裝1套FLT-CP-PLUS-3S-350（以德國菲尼克斯防雷為例）電源避雷器，作為電源第一級保護。主要為了避免由室外感應的強大過電壓波侵入室內低壓配電系統。為了以后維護方便，應在避雷器的并聯支路上串聯安裝空氣開關，以便于避雷器及時、方便地與主供電線路斷開。

2）在辦公樓2樓機房配電箱內加裝1套VAL-CP-3S-350電源避雷器，對機房供電線路提供保護。配電箱內應預留4P空氣開關位置，如無安裝位置，應在配電箱旁邊就近單獨安裝避雷器箱體。

3）在機房內UPS電源輸出線上安裝1套VAL-MS230/1+1電源避雷器，作為機房內設備供電的第三級保護。

4）對機房內的重要設備，服務器、交換機等，應考慮對設備的末端電源加裝CBT-GOALIE防雷插座，作為重要設備的末端保護。

4.3.2.2 信號部分

1）室外遠程網絡引入干線和內部局域網采用雙絞線傳輸，應在設備前端加裝網絡保護器，以防止設備遭雷擊電磁脈沖干擾或損壞，造成數據丟失。

2）設計在網絡交換機、服務器的網絡信號輸入端分別加裝D-LAN-CAT.5E網絡保護器，在網絡交換機的網絡信號輸出端加裝D-LAN-19"-24網絡保護器。

4.3.2.3 接地部分

1）利用大樓本身的結構鋼筋網作為機房接地網，從機房建筑物的兩個拐角主鋼筋引出兩點，通過1條40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼將兩點連為一體作為接地干線。

2）在機房內靜電地板下用16mm2紫銅帶敷設均壓環，室內所有設備金屬外殼、電纜進線的外屏蔽層、靜電地板、光纜金屬加強筋等均應就近接到均壓環上，并通過大樓的接地系統接地。

5 結語

浪涌保護器通過泄放雷電電流、限制浪涌電壓來保護電子設備，是電子設備防雷的主要手段，是內部防雷的主要組成部分。有效的電涌防護由評估潛在的風險和辨別需被保護的對象設備開始。采用全面、系統防護理念——重視所有相關電源、數據、電信接口的防護。這是對數據網絡、工廠設備、建筑電氣系統等等進行全面、有效防護的唯一方法。

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