電涌保護(hù)器（SPD）工作原理和結(jié)構(gòu)

電涌保護(hù)器（Surge protection Device）是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置,，過去常稱為“避雷器”或“過電壓保護(hù)器”英文簡寫為SPD.電涌保護(hù)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)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞,。 

  電涌保護(hù)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,。用于電涌保護(hù)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。

  一,、SPD的分類

  1,、按工作原理分：

  1.開關(guān)型：其工作原理是當(dāng)沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)為高阻抗,，但一旦響應(yīng)雷電瞬時過電壓時，其阻抗就突變?yōu)榈椭?，允許雷電流通過。用作此類裝置時器件有：放電間隙,、氣體放電管,、閘流晶體管等。

  2.限壓型：其工作原理是當(dāng)沒有瞬時過電壓時為高阻擾,，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(qiáng)烈非線性。用作此類裝置的器件有：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：與被保護(hù)的設(shè)備并聯(lián),，對雷電脈沖呈現(xiàn)為低阻抗，而對正常工作頻率呈現(xiàn)為高阻抗,。

  扼流型：與被保護(hù)的設(shè)備串聯(lián),，對雷電脈沖呈現(xiàn)為高阻抗，而對正常的工作頻率呈現(xiàn)為低阻抗,。

  用作此類裝置的器件有：扼流線圈,、高通濾波器、低通濾波器,、1/4波長短路器等,。

  按用途分：（1）電源保護(hù)器：交流電源保護(hù)器、直流電源保護(hù)器,、開關(guān)電源保護(hù)器等,。

  （2）信號保護(hù)器：低頻信號保護(hù)器、高頻信號保護(hù)器,、天饋保護(hù)器等,。

  二、SPD的基本元器件及其工作原理

  1.放電間隙（又稱保護(hù)間隙）：

  它一般由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成，其中一根金屬棒與所需保護(hù)設(shè)備的電源相線L1或零線（N）相連,，另一根金屬棒與接地線（PE）相連接,，當(dāng)瞬時過電壓襲來時，間隙被擊穿,，把一部分過電壓的電荷引入大地,，避免了被保護(hù)設(shè)備上的電壓升高。這種放電間隙的兩金屬棒之間的距離可按需要調(diào)整,，結(jié)構(gòu)較簡單,，其缺點(diǎn)時滅弧性能差。改進(jìn)型的放電間隙為角型間隙,，它的滅弧功能較前者為好,，它是靠回路的電動力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。

  2.氣體放電管：

  它是由相互離開的一對冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體（Ar）的玻璃管或陶瓷管內(nèi)組成的,。為了提高放電管的觸發(fā)概率,，在放電管內(nèi)還有助觸發(fā)劑。這種充氣放電管有二極型的,，也有三極型的，

  氣體放電管的技術(shù)參數(shù)主要有：直流放電電壓Udc,；沖擊放電電壓Up（一般情況下Up≈（2～3）Udc,；工頻而授電流In；沖擊而授電流Ip,；絕緣電阻R（>109Ω）,；極間電容（1-5PF）

  氣體放電管可在直流和交流條件下使用,，其所選用的直流放電電壓Udc分別如下：在直流條件下使用：Udc≥1.8U0（U0為線路正常工作的直流電壓）

  在交流條件下使用：U dc≥1.44Un（Un為線路正常工作的交流電壓有效值）

  3.壓敏電阻：

  它是以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻,，當(dāng)作用在其兩端的電壓達(dá)到一定數(shù)值后,，電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當(dāng)于多個半導(dǎo)體P-N的串并聯(lián),。壓敏電阻的特點(diǎn)是非線性特性好（I=CUα中的非線性系數(shù)α），通流容量大（～2KA/cm2）,，常態(tài)泄漏電流?。?/span>10-7～10-6A），殘壓低（取決于壓敏電阻的工作電壓和通流容量），對瞬時過電壓響應(yīng)時間快（～10-8s）,，無續(xù)流,。

 壓敏電阻的技術(shù)參數(shù)主要有：壓敏電壓（即開關(guān)電壓）UN，參考電壓Ulma,；殘壓Ures；殘壓比K（K=Ures/UN）,；最大通流容量Imax,；泄漏電流；響應(yīng)時間,。

  壓敏電阻的使用條件有：壓敏電壓：UN≥[（√2×1.2）/0.7]U0（U0為工頻電源額定電壓）

  最小參考電壓：Ulma≥（1.8～2）Uac （直流條件下使用）

  Ulma≥（2.2～2.5）Uac（在交流條件下使用,，Uac為交流工作電壓）

  壓敏電阻的最大參考電壓應(yīng)由被保護(hù)電子設(shè)備的耐受電壓來確定,，應(yīng)使壓敏電阻的殘壓低于被保護(hù)電子設(shè)備的而損電壓水平,，即（Ulma）max≤Ub/K，上式中K為殘壓比,，Ub為被保護(hù)設(shè)備的而損電壓,。

  4.抑制二極管：

  抑制二極管具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區(qū),，由于它具有箝位電壓低和動作響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn),，特別適合用作多級保護(hù)電路中的最末幾級保護(hù)元件,。抑制二極管在擊穿區(qū)內(nèi)的伏安特性可用下式表示：I=CUα,，上式中α為非線性系數(shù),，對于齊納二極管α=7～9，在雪崩二極管α=5～7.

  抑制二極管的技術(shù)參數(shù)主要有

  （1）額定擊穿電壓,，它是指在指定反向擊穿電流（常為lma）下的擊穿電壓，這于齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9V～4.7V范圍內(nèi),，而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V～200V范圍內(nèi),。

  （2）最大箝位電壓：它是指管子在通過規(guī)定波形的大電流時，其兩端出現(xiàn)的最高電壓,。

  （3）脈沖功率：它是指在規(guī)定的電流波形（如10/1000μs）下,，管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積。

  （4）反向變位電壓：它是指管子在反向泄漏區(qū)，其兩端所能施加的最大電壓,，在此電壓下管子不應(yīng)擊穿,。此反向變位電壓應(yīng)明顯高于被保護(hù)電子系統(tǒng)的最高運(yùn)行電壓峰值，也即不能在系統(tǒng)正常運(yùn)行時處于弱導(dǎo)通狀態(tài),。

  （5）最大泄漏電流：它是指在反向變位電壓作用下,，管子中流過的最大反向電流。

  （6）響應(yīng)時間：10-11s

  5.扼流線圈：扼流線圈是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件,，它由兩個尺寸相同,，匝數(shù)相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個四端器件,，要對于共模信號呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用,，而對于差模信號呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。扼流線圈使用在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號（如雷電干擾）,，而對線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘枱o影響,。

  這種扼流線圈在制作時應(yīng)滿足以下要求：

  1）繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路,。

  2）當(dāng)線圈流過瞬時大電流時,，磁芯不要出現(xiàn)飽和。

  3）線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣,，以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿,。

  4）線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容,，增強(qiáng)線圈對瞬時過電壓的而授能力,。

  6. 1/4波長短路器

  1/4波長短路器是根據(jù)雷電波的頻譜分析和天饋線的駐波理論所制作的微波信號電涌保護(hù)器，這種保護(hù)器中的金屬短路棒長度是根據(jù)工作信號頻率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波長的大小來確定的,。此并聯(lián)的短路棒長度對于該工作信號頻率來說,，其阻抗無窮大，相當(dāng)于開路,，不影響該信號的傳輸,，但對于雷電波來說，由于雷電能量主要分布在n+KHZ以下,，此短路棒對于雷電波阻抗很小,，相當(dāng)于短路，雷電能量級被泄放入地,。

  由于1/4波長短路棒的直徑一般為幾毫米,，因此耐沖擊電流性能好，可達(dá)到30KA（8/20μs）以上,，而且殘壓很小,，此殘壓主要是由短路棒的自身電感所引起的,，其不足之處是工頻帶較窄，帶寬約為2％～20％左右,，另一個缺點(diǎn)是不能對天饋設(shè)施加直流偏置,，使某些應(yīng)用受到限制。

  三,、SPD的基本電路

  電涌保護(hù)器的電路根據(jù)不同需要,，有不同的形式，其基本元器件就是上面介紹的幾種,，一個技術(shù)精通的防雷產(chǎn)品研究工作者,，可設(shè)計出五花八門的電路，好似一盒積木可搭出不同的結(jié)構(gòu)圖案,。研制出既有效又性能價格比好的產(chǎn)品，是防雷工作者的重任,。 

SPD時，應(yīng)在下面所列的各點(diǎn)之間裝設(shè)：

（1）當(dāng)在電源進(jìn)線端,，中性線與PE（保護(hù)線）直接相連或沒有中性線時,，接在每一線與總接地端子或總保護(hù)線之間，取其路徑最短者,。接線參見圖1。

（2）當(dāng)在電源進(jìn)線端,，中性線與PE（保護(hù)線）不直接相連時：

  接線形式1：接在每一相線與總接地端子或總保護(hù)線之間,，和接在中性線與總接地端子或總保護(hù)線之間，取其路徑最短者,。接線參見圖2,。
接線形式2：接在每一相線與中性線之間和接在中性線與總接地端子或總保護(hù)線之間，取其路徑最短者,。接線參見圖3,。

在低壓配電系統(tǒng)的電源進(jìn)線端或其附近裝設(shè)SPD的安裝要求見表4。

5,、低壓電源系統(tǒng)中SPD的選擇及安裝位置

5.1 信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖的防護(hù)應(yīng)按其所處的建筑物條件,、信息設(shè)備的重要程度、發(fā)生雷擊事故嚴(yán)重程度等進(jìn)行雷擊風(fēng)險評估,，將信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖的防護(hù)分為A,、B、C,、D四級,，分別采用相應(yīng)防護(hù)措施：

A級：宜在低壓系統(tǒng)中采取3—4級SPD進(jìn)行保護(hù)。

B級：宜在低壓系統(tǒng)中采取2—3級SPD進(jìn)行保護(hù),。

C級：宜在低壓系統(tǒng)中采取2級SPD進(jìn)行保護(hù),。

D級：宜在低壓系統(tǒng)中采取1級或以上SPD進(jìn)行保護(hù),。

(說明) 風(fēng)險評估計算方法參見IEC61662：雷擊損害風(fēng)險的評估。

5.2 SPD在電源系統(tǒng)中的安裝位置如下：

（1）在LPZ0A區(qū)和 LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界面處連續(xù)穿越的電源線路上應(yīng)安裝符合I級分類試驗(yàn)的SPD,，如總電源進(jìn)線配電柜內(nèi),、配電變壓器的低壓側(cè)主配電柜內(nèi)、引出至本建筑物防直擊雷裝置保護(hù)范圍以外的電源線路的配電箱內(nèi),。

（2）在LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界面處穿越的電源線路上應(yīng)安裝符合Ⅱ級分類試驗(yàn)的SPD,，如引出至本建筑物防直擊雷裝置的保護(hù)范圍之內(nèi)的屋頂風(fēng)機(jī)、屋頂廣告照明的電源配電箱內(nèi),。

（3）當(dāng)電源進(jìn)線處安裝的電涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平加上其兩端引線的感應(yīng)電壓保護(hù)不了該配電箱供電的設(shè)備時,，應(yīng)在該級配電箱安裝符合Ⅱ級分類試驗(yàn)的SPD，其位置一般設(shè)在LPZ1區(qū)和LPZ2區(qū)交界面處,。如：樓層配電箱,、計算機(jī)中心、電信機(jī)房,、電梯控制室 ,、有線電視機(jī)房、樓宇自控室,、保安監(jiān)控中心,、消防中心、工業(yè)自控室,、變頻設(shè)備控制室,、醫(yī)院手術(shù)室、監(jiān)護(hù)室及裝有電子醫(yī)療設(shè)備的場所的配電箱內(nèi),。

（4）對于需要將瞬態(tài)過電壓限制到特定水平的設(shè)備（尤其是信息系統(tǒng)設(shè)備）,，應(yīng)考慮在該設(shè)備前安裝符合Ⅲ級分類試驗(yàn)的SPD，其位置一般設(shè)在LPZ2區(qū)和其后續(xù)防雷區(qū)交界面處,。如：計算機(jī)設(shè)備,、信息設(shè)備、電子設(shè)備及控制設(shè)備前或最近的插座箱內(nèi),。

5.3 SPD在住宅中的安裝：

（1）高層住宅應(yīng)在照明,、動力總配電箱內(nèi)安裝符合I級分類試驗(yàn)的SPD，并宜在屋頂風(fēng)機(jī),、電梯等設(shè)備的電源配電箱內(nèi)安裝符合Ⅱ級分類試驗(yàn)的SPD,。高層住宅在工程檔次較高及造價允許的情況下宜在住戶配電箱內(nèi)安裝符合Ⅲ級分類試驗(yàn)的SPD,。

（2）多層住宅在符合本文第五部分2條1款時,，宜在照明總配電箱內(nèi)安裝符合I級分類試驗(yàn)的SPD,。符合本文第五部分2條2款時，宜在照明總配電箱內(nèi)安裝符合Ⅱ級分類試驗(yàn)的SPD,。分散型小別墅宜將SPD安裝在住戶配電箱內(nèi),。

6,、電涌保護(hù)器安裝的注意事項：

SPD的安裝應(yīng)注意如下問題：

（1）第一級保護(hù)的SPD應(yīng)靠近建筑物的入戶線的總等電位連接端子處，第二,、三級保護(hù)的SPD應(yīng)盡量靠近被保護(hù)設(shè)備安裝,。

（2）電涌保護(hù)器接至等電位連接的導(dǎo)線要盡可能短而直,。

（3）為滿足信息系統(tǒng)設(shè)備耐受能量要求，SPD的安裝可進(jìn)行多級配合,，在進(jìn)行多級配合時應(yīng)考慮SPD之間的能量配合,，當(dāng)有續(xù)流時應(yīng)在線路中串接退耦裝置,。有條件時,，宜采用同一廠家的同類產(chǎn)品,，并要求廠家提供其各級產(chǎn)品之間的安裝距離要求。在無法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時，電壓開關(guān)型與限壓型SPD之間的線路長度小于10米時和限壓型SPD之間線路長度小于5米時宜串接退耦裝置。

（4）在同一電源系統(tǒng)中,，當(dāng)安裝在電源裝置的起點(diǎn)處的SPD的保護(hù)電壓水平Up≤末端被保護(hù)設(shè)備的耐壓水平的50％時,，可僅安裝一級電涌保護(hù)器,。

（5）必須考慮退化或壽命終止后可能產(chǎn)生的過電流或接地故障對信息系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的影響,，因此在SPD的電源側(cè)應(yīng)安裝過電流保護(hù)裝置（如熔斷器或空氣斷路器），過電流保護(hù)器（設(shè)置于內(nèi)部或外部）與SPD一起承擔(dān)等于和大于安裝處的預(yù)期最大短路電流,，選擇時,，應(yīng)考慮SPD制造廠商規(guī)定的其產(chǎn)品應(yīng)具備的最大過電流保護(hù)器。此外,制造廠商所規(guī)定的SPD的額定阻斷蓄流值不應(yīng)小于安裝處的預(yù)期短路電流,。在TT系統(tǒng)中還應(yīng)安裝剩余電流保護(hù)裝置,，并宜帶有劣化顯示功能。

（6）在爆炸危險場所使用的SPD應(yīng)具有防爆功能,。

（7）在考慮各設(shè)備之間的過電壓保護(hù)水平Up時,，若線路無屏蔽時尚應(yīng)計及線路的感應(yīng)電壓,，在考慮被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊過電壓水平時宜按其值的80％考慮,。

（8）在供電電壓超過所規(guī)定的10％及諧波使電壓幅值加大的場所，應(yīng)根據(jù)具體情況對氧化鋅壓敏電阻SPD提高Uc值,。

（9）當(dāng)設(shè)有信息系統(tǒng)的建筑物需加裝SPD保護(hù)時,，若該建筑物沒有裝設(shè)防直擊雷裝置和不處于其他建筑物或物體的保護(hù)范圍內(nèi)時,，宜按第三類防雷建筑采取防直擊雷的措施,。在要考慮屏蔽的情況下,，防直擊雷接閃器宜采用避雷網(wǎng),。

參考文獻(xiàn)

B50057—94（2000年版）建筑物防雷設(shè)計規(guī)范
IEC61024—1：建筑物防雷 第1部分 通則
IEC61312—1：雷擊電磁脈沖的防護(hù) 第1部分 通則
IEC61312—2：雷擊電磁脈沖的防護(hù) 第2部分 建筑物的屏蔽,、內(nèi)部等電位連接及接地
IEC61312—3：雷擊電磁脈沖的防護(hù) 第3部分 浪涌保護(hù)器的要求
IEC60364—5—534：建筑物的電氣裝置 第5部分 電氣裝置的選擇與安裝IEC61662： 雷擊損害風(fēng)險的評估
QX3－2000：中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)規(guī)范