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浪涌保護器的工作原理

發(fā)布時間:2021/12/13

1;基本原理

　　電涌保護器(Surge Protective Device，SPD)又稱浪涌保護器

，是用于帶電系統(tǒng)中限制瞬態(tài)過電壓和導引泄放電涌電流的非線性防護器件

，用以保護耐壓水平低的電器或電子系統(tǒng)免遭雷擊及雷擊電磁脈沖或操作過電壓的損害

。近年來

，電子信息系統(tǒng)(如電視

、電話

、通信

、計算機網(wǎng)絡等)發(fā)展迅猛，電子信息設(shè)備大量涌現(xiàn)和普及

。這類系統(tǒng)和設(shè)備往往比較昂貴和重要

，其工作電壓、耐壓水平很低

，極易受到雷電電磁脈沖的危害

，為此需采用SPD做過電壓保護。

　　由于各國遵循的標準不一樣

，產(chǎn)品的規(guī)格沒有統(tǒng)一

，參數(shù)的標識也各自有側(cè)重，遠不如其他電氣產(chǎn)品規(guī)范，這就給設(shè)計選型帶來很大不便

。在工程設(shè)計中

，常見品牌按產(chǎn)地劃分主要可分為國產(chǎn)產(chǎn)品

、歐洲產(chǎn)品和美洲產(chǎn)品

。國產(chǎn)產(chǎn)品參數(shù)設(shè)置較亂，規(guī)格多樣

，殘壓較高

。規(guī)范產(chǎn)品的型號設(shè)置有的仿歐洲產(chǎn)品，有的遵循國標定參數(shù)

，大部分產(chǎn)品都標注In與Imax

。由于國產(chǎn)產(chǎn)品對應用場所要求較低，建筑物等級不高

，設(shè)備耐壓值大

，所以一些參數(shù)要求可適當放松。

　　歐洲產(chǎn)品一般標注最大放電電流

，產(chǎn)品型號也是根據(jù)這個參數(shù)設(shè)定的

。例如歐洲某著名品牌XXX65、XXX40

，其中數(shù)值65

、40就是Imax。但我國標準明確規(guī)定要用標稱放電電流In來進行選型

，這是目前在工程設(shè)計中遇到的一個尷尬情況

。經(jīng)查該產(chǎn)品資料，XX65的In值不超過20 kA

，XX40的In值不超過15 kA

。如果依照GB50343建議值，這兩種產(chǎn)品只能用于設(shè)備末端三級保護

，但在實際設(shè)計中

，卻裝在了一、二級上

，這明顯與國家標準的選型參數(shù)不符

，且殘壓較高，普通型號一般超過1 200 V

，一旦接線環(huán)境不好

，很容易突破設(shè)備耐壓值。一般歐系產(chǎn)品Uc值較小

，且投機取巧標注線電壓

，因此在選型時，較容易出現(xiàn)誤導。

　　2 SPD概述

　　2.1 SPD的工作原理

　　電涌保護器適用于220/380V低壓電源保護

，是一種非線性元件

，根據(jù)IEC標準規(guī)定，電涌保護器是主要抑制傳導過來的線路過電壓和過電流的裝置

。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(chǎn)生的工頻續(xù)流

，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?div id="d48novz" class="flower left">

，保護被保護的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。

　　電涌保護器的類型和結(jié)構(gòu)按不同的用途有所不同

，但至少包含一個非線性電壓限制元件

。常用電涌保護器有MOV（Metal Oxide Varistor）同氣體放電管等。電涌包含強大的能量因此不能被阻止

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；谶@種原因，保護敏感電氣設(shè)備免受電涌損壞的策略是把電涌從設(shè)備分流后流入大地

。

　　浪涌保護器MOV由三部分組成：中間是一根金屬氧化物材料

，由兩個半導體連接著電源和地線。當產(chǎn)生浪涌時MOV立即動作

，響應時間為1～3毫微秒

。MOV中的“V”是變阻器，在響應的一瞬間

，MOV的電阻從最大值降到近乎零歐姆

，過電流經(jīng)MOV流入大地。被保護電氣設(shè)備繼續(xù)在正常工作電壓下運行

。其半導體元件具有隨電壓變化而改變電阻的性質(zhì)

。當電壓低于某個特定值時，半導體中的電子運動產(chǎn)生高電阻

。反之

，當電壓超過該特定值時，電子運動會發(fā)生變化

，半導體電阻降低接近零歐姆

。電壓正常，浪涌保護器MOV閑在一旁

，不影響電力線路

。

　　*價浪涌保護器MOV優(yōu)劣的指標：（1）箝位電壓：表示將導致MOV接通地線的電壓值。箝位電壓越低，表示保護性能越好

。（2）能量吸收/耗散能力：此標稱值表示浪涌保護器在燒毀前能夠吸收多少能量

，單位為焦耳。其數(shù)值越高

，保護性能就越好

。（3）響應時間：浪涌保護器不會立刻斷開，它們對電涌做出響應會有略微的延遲

。

　　另一種常見的浪涌保護裝置是氣體放電管

。這些氣體放電管作用與MOV相同，它們將多余電流從火線移到地線

，通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導體實現(xiàn)此功能。當電壓處于某一特定范圍時

，該氣體的組成決定了它是不良導體

。如果電壓出現(xiàn)浪涌并超過這一范圍，電流的強度將足以使氣體電離

，從而使氣體放電管成為非常良好的導體

。它會將電流傳導至地線，直到電壓恢復正常水平

，隨后又會成為不良導體

。

　　2.2 浪涌保護器的分類

　　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

。

　　2.2.1 按工作原理分類

　　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

。

　　(1)電壓開關(guān)型SPD

。在沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)高阻抗，一旦響應雷電瞬時過電壓

，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?div id="d48novz" class="flower left">

，允許雷電流通過，也被稱為“短路開關(guān)型SPD”

。

　　(2)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”

。

　　(3)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

。

　　2.2.2 按用途分類

　　按其用途分類， SPD可以分為電源線路SPD和信號線路SPD兩種

。

　　(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雷擊電磁脈沖輻射

。當線路足夠長時

，感應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。

　　(2)信號線路SPD

　　隨著信息系統(tǒng)的廣泛應用

，由于網(wǎng)絡線路多

，電子設(shè)備的耐壓水平低，雷擊對信息系統(tǒng)的危害越來越大

。雷電對信息系統(tǒng)的危害主要是雷擊電磁脈沖造成的

，包括沿線路傳導的雷電過電壓波

、雷電流在接地線產(chǎn)生的高電位反擊、雷擊電磁場的靜電感應和電磁感應

。對電磁脈沖的防護措施有攔截

、分流、等電位聯(lián)結(jié)

、屏蔽

、接地、合理布線等

。在信號線路上安裝SPD是信息系統(tǒng)防電磁脈沖的一個重要措施

，它可以同時起到攔截、分流

、等電位聯(lián)結(jié)的作用

。信號線路SPD應連接在被保護設(shè)備的信號端口上。其輸出端與被保護設(shè)備的端口相連

，有串接和并接之分

，一般是串聯(lián)安裝在信號線路上。因此

，在選擇信號SPD時，應選用插入損耗較小的SPD

。

　　2.3 SPD在防雷中的重要性

　　根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94（2000年版）的規(guī)定

，在LPZ0B，LPZ1

，LPZn+1防雷區(qū)建筑物應視情況采取防止感應雷

、靜電或電涌措施感應雷是由雷閃電流產(chǎn)生的強大電磁場變化（電磁脈沖感應或靜電感應）在導體上感應出的過電壓、過電流形成的雷擊

，對建筑物內(nèi)的電氣設(shè)備

，尤其低壓電子設(shè)備威脅巨大。建筑物內(nèi)部設(shè)備防雷保護的重點是防止感應雷入侵

。在感應雷的防護當中

，電涌保護器（SPD）是不可缺少的裝置，它能根據(jù)各種線路中出現(xiàn)的過電壓過電流及時做出反應

，泄放線路中的過電流或?qū)€路上的過電壓進行鉗制

，從而達到保護電氣設(shè)備的目的。

　　靜電

、電涌和感應雷的性質(zhì)一樣

，都可以通過電涌保護器（SPD）加以抑制。靜電產(chǎn)生的另一種形式是由于摩擦或電子設(shè)備的高速運行

，在人體和電子設(shè)備上產(chǎn)生大量靜電電荷

，人與物

、物與物間易發(fā)生高壓放電現(xiàn)象，放電后極易損壞精密的電子設(shè)備

；電涌日常產(chǎn)生的面很廣

，如電源的開和關(guān)，電源的插拔

，電梯

、電閘門、電動機的啟動和停止

，電鉆

、電焊、電氣設(shè)備損壞和電線短路等都會產(chǎn)生電涌

。另外

，電涌也常發(fā)生在電源系統(tǒng)內(nèi)部，電源干線

、支線

、發(fā)電機、變配電裝置

、UPS

、交直流電源、甚至電氣設(shè)備終端都可能發(fā)生[2]

。與雷電相比

，雖然電涌的脈沖電壓較低，但其脈沖寬

、持續(xù)時間長

，強度仍然不小，但足以干擾和損壞電氣設(shè)備

。

　　3 SPD在計算機信息系統(tǒng)中的應用

　　現(xiàn)代計算機信息系統(tǒng)大多由大規(guī)模集成電路組成

，微電子器件的絕緣強度低，而這些敏感電子設(shè)備的工作電壓卻在不斷降低

，其數(shù)量和規(guī)模不斷擴大

，因而它們受過電壓特別是雷電襲擊而受到損害的可能性就大大增加，其后果可能使整個系統(tǒng)運行中斷

，并造成難以估量的經(jīng)濟損失

。雷電和浪涌電壓成為信息時代的一大公害。

　　3.1　電源系統(tǒng)的防雷設(shè)計

　　(1)主配電屏

。三相線上加裝3只MC50-B模塊

，并分別加上空氣開關(guān)，在N線和地線之間加裝MC125-B/NPE模塊

。

　　(2)UPS保護

。在每個相線與中線之間加裝V20-C模塊

，并在每個模塊前加裝空氣開關(guān)，在N線與地線之間加裝V20-C/NPE模塊

。

　　(3)需要保護的重要設(shè)備端

。使用CNS32D對其電源線加以保護。

　　(4)弱電設(shè)備的電源保護

。使用V20-C防雷模塊或VF系列電源精細保護模塊

。

　　電源防雷器示意圖如圖1所示，其中MC50-B/3+NPE為3個高能石墨間隙防雷器和1個MC125-B/NPE模塊的組合

，V20-C/3+NPE/AS為增強型帶聲光功能的防雷器

。防雷器及空氣開關(guān)分別安裝于相應的MCCB旁。

　3.2　計算機網(wǎng)絡的防雷設(shè)計

　　在進出機房的百兆雙絞線兩端都加裝RJ45S-E100/4-F網(wǎng)絡防雷器;光纖線不需加裝防雷器

，但其加強芯應在入戶處接地處理

。在網(wǎng)絡交換機出線端口處也安裝RJ45S-E100/4-F網(wǎng)絡防雷器，從而形成多級保護

。

　　4 SPD應用中的幾個問題

　　4.1 SPD的連接線和接地線導體的截面積

　　SPD的連接線和接地線一般采用多股銅線

，其接地線截面積應大于連接線的截面積，并按與SPD連接的等電位聯(lián)結(jié)排主接地線截面的50%確定

。安裝在電氣裝置電源進線端或靠近進線處的Ⅱ級分類試驗的SPD

，其接地線應為不小于4 mm2的多股銅線。對于防直擊雷的Ⅰ級分類試驗的SPD

，其接地線宜為不小于16 mm2的多股銅線

。當采用其他材質(zhì)導線時，其截面積應與上述銅導線截面等效

。SPD兩端引線應短而直，避免形成過大環(huán)路

。

　　4.2 SPD的附件

　　現(xiàn)有大部分電源系統(tǒng)SPD產(chǎn)品都像微型斷路器一樣采用模塊化導軌安裝形式

，有單極和一體化的多極產(chǎn)品，有固定式和芯體可插拔更換的插拔式兩種安裝形式

。為了監(jiān)視SPD的老化和運行狀態(tài)

，采用金屬氧化物電阻元件的限壓型SPD，帶有老化顯示及過載熱分斷裝置和失效指示功能

。根據(jù)系統(tǒng)運行需要還可裝設(shè)工作狀態(tài)監(jiān)視報警模塊或遠程監(jiān)控輔助觸頭

。間隙型SPD可選用運行狀態(tài)指示器和雷擊計數(shù)器的產(chǎn)品。

　　4.3 SPD的過流保護

　　SPD安裝線路上應有過電流保護器件

，并參照制造商的建議配置

。當采用斷路器時，應采用具有C型脫扣曲線的延時型脫扣器

，其額定電流第一級不小于50 A(可選63 A)

，以后各級不小于20 A(可選32 A)

。當采用熔斷器時，其配置原則與斷路器相同

。當SPD裝于剩余電流保護裝置(RCD)的負荷側(cè)時

，為防止電涌電流通過時，RCD誤動作

，可采用帶延時的S型剩余電流保護器

。對特別重要的負荷設(shè)備可采用對大氣過電壓不敏感的SI型剩余電流保護器，且應具有不小于3 kA(8/20μs)的電涌電流抗干擾能力

。

　　5 結(jié)論

　　電涌保護器（SPD）是綜合防雷系統(tǒng)的重要組成部分

，有著不可替代的作用。電涌保護器（SPD）的連接電路根據(jù)不同需要

，有不同的形式

，在做好屏蔽（線路、機房

、設(shè)備）

、等電位連接和建立聯(lián)合共同接地系統(tǒng)后，將其保護認真做深

、做細

、做好，筑起一道雷電

、靜電和電涌無法逾越的防線

，才能真正保障信息系統(tǒng)和電氣設(shè)備的安全。

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