建筑物浪涌保護器（SPD）結構設計

羅祿全

摘? 要：建筑物浪涌保護器常被用于建筑電氣系統中抑制過電壓。隨著電氣設備的微型化發展，結構設計不僅要滿足其安裝要求，同時還要滿足其結構和電氣性能要求。文章從建筑物浪涌保護器結構設計角度出發，首先分析其結構組成和原理，然后以絕緣設計和滅弧設計為例進行分析，包括其電極和滅弧運動機構的設計。以此來提高建筑物浪涌保護器的性能。

關鍵詞：浪涌保護器;建筑物;結構;滅弧

中圖分類號：TU895? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0093-02

Abstract： Surge protectors of the building are often used to suppress overvoltage in building electrical systems. With the development of miniaturization of electrical equipment， structural design should not only meet its installation requirements， but also meet its structural and electrical performance requirements. From the point of view of the structural design of the building surge protector， this paper first analyzes its structural composition and principle， and then takes the insulation design and arc extinguishing design as an example， including the design of its electrode and arc extinguishing mechanism，? in order to improve the performance of the surge protector.

Keywords： surge protector; building; structure; arc suppression

引言

近年來氣候的異常變化，極大的增加了雷電災害的發生率。電子設備的集成化應用，提高了建筑物的智能化水平，但是其耐壓性能卻在逐漸降低。雷電影響是引起建筑物供電系統中浪涌的主要來源。雷電引入到電子設備的暫態過電壓極易破壞電子設備。因此，在建筑物供電系統中除了采取一定的避雷措施外，還應裝設浪涌保護器。浪涌保護器可以在極短的時間內，將較大電流接地，可以避免建筑物火災。因此，浪涌保護器對于穩定性和可靠性要求較高，基于此，本文對建筑物浪涌保護器的結構進行設計分析。

1 浪涌保護器的分類

浪涌保護器用途比較廣泛，內部結構不同其使用場合也不盡相同。從用途來看，可以將浪涌保護器分為電源保護器和信號保護器。而從其工作原理來看，可以將其分為開關型、限壓型和分流型。

（1）開關型SPD。根據電流的通斷狀態呈現出開關特性。當電路中沒有瞬態過電壓時，SPD對外呈現高阻抗，阻斷電路電流流過。一旦電路中出現瞬時過電壓，其內部阻抗陡然降低，呈現導通狀態，當過電壓消失，恢復高阻抗狀態。該類型的SPD內部結構主要包括：放電間隙、氣體放電管和晶閘管等。

（2）限壓型SPD。當電路中沒有過電壓時，其狀態相當于開關型SPD。該SPD的特點在于，其內部阻抗與電涌電流非線性負相關，電涌電流越大其阻抗越小。通過限制流過的電流來保證電路電壓的穩定。該類型的SPD內部結構包括氧化鋅、壓敏電阻、抑制二極管、雪崩二極管等。

（3）分流型或扼流型。分流型或扼流型其本質還是為了保證電氣設備的不受外部脈沖電壓或電流的沖擊。通過分流或者阻斷電路來實現。分流型在正常頻率下表現為高阻狀態，扼流型正常頻率下表現為低阻狀態。

2 浪涌保護器的基本機構及原理

浪涌保護器的主要作用在于限壓，因此限壓元件為核心部件，另外還包括放電間隙、放電管、電阻和線圈等輔助元件組成。常見建筑浪涌保護器外形結構如圖1所示。

（1）放電間隙。放電間隙是指浪涌保護器裸露在大氣中的金屬物體間隙。兩根金屬棒分別接電源和大地，在正常情況下呈現斷開狀態。一旦電路中有瞬時的過電壓，該放電間隙即被擊穿，把一部分過電壓電荷導入大地，避免被保護設備上因電壓突然升高而損壞。

（2）氣體放電管。氣體放電管是由相對的金屬導體，中間留有一定的放電間隙，放電間隙被惰性氣體（Ar）填充，然后進行封裝而成。當施加在氣體放電管兩端的電壓超過一定值時，放電間隙被擊穿導電。為了提高可靠性，還可以配置觸發劑。

（3）壓敏電阻。壓敏電阻的主要成分為氧化鋅，其對電壓非常敏感，當施加在兩端的電壓超過導通閾值時，會自動導通電路。其工作特性類似于多個PN結串并聯，可以在極短的時間內響應瞬時過電壓。在浪涌保護器的結構設計中，壓敏電阻的選用及結構對其性能的影響較大。

（4）抑制二極管。浪涌保護器中抑制二極管，主要是由于其可以工作在方向擊穿區，可以迅速的響應并將電壓鉗位在最低。因此，可以作為浪涌保護的最后一級保護。

浪涌保護器的核心部件在于電壓型限流元件，或者擺動脫扣機構。擺動脫扣機構通過電極與擺桿的配合動作來完成電涌的泄放。電壓限流半導體的電阻可以隨著施加在其上的電壓進行變化。電壓的不同會引起內部電子運動的變化，當電壓低于閾值時，對外表現出非常高的阻性，當電壓超過閾值時，其阻性會迅速的降低，向導體轉化。電壓在閾值內，限流元件處于高阻狀態，電路斷開。電壓過高，隨著電壓的升高，電阻降低，通過的電流會增大，從而起到消除過電壓和穩壓的作用。此時，限流元件、大地和火線形成一個閉環的負反饋電路，火線電壓逐漸回復正常，從而限流元件再次向高阻抗轉化，最后阻斷電流。由此可見，限流元件對于遏制浪涌電流效果明顯。

另外，其他放電管也可以表現出與限流元件相類似的特性。通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導體實現此浪涌防護功能。其原理類似，不再贅述。

3 建筑物浪涌保護器結構設計要點

3.1 SPD絕緣結構設計

建筑物電涌保護器裝設在建筑電氣系統中，長時間工作在過電壓狀態，因此其絕緣容易出現老化現象。絕緣性能一旦下降，不能達到標準要求，浪涌保護器就會失去抑制電路過電壓的能力，絕緣性能下降，甚至會出現電力系統異常接地情況，因此，對于浪涌保護器的絕緣設計是非常重要的。

浪涌保護器的絕緣結構設計主要包括兩個方面。其一是內部電路與外殼的絕緣設計，由于浪涌保護器一旦接通將會有大電流通過，為了保證外殼不被擊穿，需要采用特殊耐壓材料制作，對于結構緊湊耐壓要求較高的結構設計中，宜采用絕緣材料灌注的方式，提供其絕緣性能。另一方面是，浪涌保護器在呈現高阻抗狀態時兩極之間的絕緣性能設計，宜選用高性能非線性限壓元件。結構設計完成后，要根據設計標準，檢測其爬電距離、阻抗、絕緣耐壓是否滿足設計要求。

3.2 SPD放電間隙滅弧設計

當流經浪涌保護器的電流過大，會引起浪涌保護器溫度的迅速升高，為了避免引發火災，部分浪涌保護器具有過熱保護功能。但是浪涌保護器在導通狀態下，內部有大電流流過，斷開電路會產生電弧，如何滅弧就成為結構設計的要點。

滅弧通常采用的方法有：拉長電弧、滅弧罩、油冷滅弧、氣吹滅弧、柵片滅弧和真空滅弧等，建筑浪涌保護器結構限制，因此優先考慮柵片滅弧。柵片滅弧是通過將電弧分隔熄滅的原理，長電弧隔離成為數個短弧，電弧兩極的電壓下降，不能維持燃弧而熄滅。本設計中采用橫向的柵片，對電弧進行強行分隔。

如圖2所示。滅弧機構可以在電極方向橫向移動，其與錯位桿連接，當電極通過電流較大時，會將錯位桿的連接點熔化，然后釋放錯位桿和滅弧機構。滅弧機構產生橫向的位移，電極會隨著滅弧結構的移動，進入到滅弧機構中。通過電極與擺桿的分離，防止電弧產生，或者產生的電弧隨著結構面爬升。該設計可以從電弧的產生和隔離方面迅速熄滅電弧。

如圖2所示，81為滅弧機構，擺桿50會拉動滅弧機構向電極移動，將電極完全置于滅弧結構內，滅弧蓋板30阻斷電弧爬升通路。滅弧板設計如圖3所示。

如圖3所示，側板32與滑動機構連接，凸柱與滅弧彈簧連接，中間隔板34將滅弧機構隔離出兩個空腔。當合扣點熔化后，滅弧室移動將電極嵌入到側板32與隔板34形成的插槽內。從電弧的熄滅原理來看，這一設計可以有效的將電弧隔斷，然后在空腔中熄滅。

4 結束語

建筑物浪涌保護器是建筑電氣安全運行不可或缺的設備。浪涌保護器不僅對于電路中的過電壓有抑制作用，另外，還可以對雷電過電壓進行泄放。隨著設備向緊湊型發展，結構設計成為提升其性能的關鍵。本文在浪涌保護器結構及原理分析的基礎上，從結構設計的角度重點分析了放電間隙和滅弧結構，同時考慮了機構間的運動配合，從而達到良好的滅弧性能。

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