電涌保護器（SPD）工作原理和結(jié)構(gòu)
電涌保護器（Surge protection Device）是電子設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.電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?，保護被保護的設備或系統(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，但它至少應包含一個非線性電壓限制元件。用于電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。
一、SPD的分類
1、按工作原理分：
1.開關型：其工作原理是當沒有瞬時過電壓時呈現(xiàn)為高阻抗，但一旦響應雷電瞬時過電壓時，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：與被保護的設備并聯(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：與被保護的設備串聯(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）電源保護器：交流電源保護器、直流電源保護器、開關電源保護器等。
（2）信號保護器：低頻信號保護器、高頻信號保護器、天饋保護器等。
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設備的電源相線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，避免了被保護設備上的電壓升高。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，其缺點時滅弧性能差。改進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體非線性電阻，當作用在其兩端的電壓達到一定數(shù)值后，電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當于多個半導體P-N的串并聯(lián)。壓敏電阻的特點是非線性特性好（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），對瞬時過電壓響應時間快（～10-8s），無續(xù)流。
壓敏電阻的技術參數(shù)主要有：壓敏電壓（即開關電壓）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由被保護電子設備的耐受電壓來確定，應使壓敏電阻的殘壓低于被保護電子設備的而損電壓水平，即（Ulma）max≤Ub/K，上式中K為殘壓比，Ub為被保護設備的而損電壓。
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快的優(yōu)點，特別適合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件。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擊穿。此反向變位電壓應明顯高于被保護電子系統(tǒng)的最高運行電壓峰值，也即不能在系統(tǒng)正常運行時處于弱導通狀態(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滿足以下要求：
1）繞制在線圈磁芯上的導線要相互絕緣，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）線圈應盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強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器，這種保護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，另一個缺點是不能對天饋設施加直流偏置，使某些應用受到限制。
三、SPD的基本電路
電涌保護器的電路根據(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，一個技術精通的防雷產(chǎn)品研究工作者，可設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。
| 低壓配電系統(tǒng)中電涌保護器的選擇及安裝 |
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深圳市艾爾特通訊技術有限公司西班牙PDC系列提前放電避雷針 北京建筑設計研究院方 磊 近年來，隨著現(xiàn)代化水平的不斷提高，民用建筑物內(nèi)安裝的電子信息設備和計算機設備越來越多，電子信息設備一般工作電壓較低，耐壓水平也很低，極易受到雷電電磁脈沖的危害，因此設有信息系統(tǒng)設備的民用建筑物，除應考慮防直擊雷措施外，還應考慮雷電電磁脈沖的防護措施。建立完善的雷電浪涌過電壓保護措施是電氣工程設計的重要組成部分，為此本文提出了在實際工程中，如何根據(jù)被保護建筑物的特點選擇電涌保護器，如何根據(jù)低壓電源系統(tǒng)的不同形式安裝電涌保護器及有關的注意事項?？晒┕こ淘O計人員實際應用中參考。 1、電涌保護器（英文縮寫為SPD，以下簡稱SPD）的分類 （1）開關型SPD，又稱雷電流避雷器，這種SPD在沒有電涌時為高阻抗，但一旦響應電壓電涌時其阻抗就突變?yōu)榈椭?，用作這種非線性裝置的常見例子有放電間隙，氣體放電管，閘流晶體管（可控硅）及三端雙向可控硅開關。這類SPD有時稱為克羅巴型SPD。 （2）限壓型SPD，這種SPD在沒有電涌時為高阻抗，但隨著電涌電流和電壓的增加其阻抗會不斷減小，用作這類非線性組件的例子是壓敏電阻和抑制二極管，這類SPD有時稱為箝壓型SPD。 （3）聯(lián)合型SPD，這種SPD由電壓開關型部件和限壓型部件聯(lián)合組裝在一起，根據(jù)二者的聯(lián)合參數(shù)和應用電壓特性可組合裝成具有電壓開關、限壓或這兩種特性兼有的聯(lián)合型SPD。 2、SPD的主要性能、指標 （1）最大持續(xù)運行電壓Uc： 可以持續(xù)施加于電涌保護器的最大交流有效值電壓或最大直流電壓，等于電涌保護器的額定電壓。 （2）沖擊電流Iimp： 用于電源的第一級保護SPD，反映了SPD的耐直擊雷能力（采用10/350μs波形）。包括幅值電流Ipeak和電荷Q，其值可根據(jù)建筑物防雷等級和進入建筑物的各種設施（導電物、電力線、通訊線等）進行分流計算。 （3）標稱放電電流In： 流過SPD的8/20μs電流波的峰值電流，用于對SPD做Ⅱ級分類實驗或做Ⅰ級分類實驗的預處理。對于Ⅰ級分類實驗In不小于15 KA，對于Ⅱ級分類實驗In不小于5KA。 （4）保護電壓水平Up:: 在標稱放電電流（In）下的殘壓，又稱SPD的最大鉗壓，對于電源保護器而言，可分為一、二、三、四級保護，保護級別決定其安裝位置，在信息系統(tǒng)中保護級別需與被保護系統(tǒng)和設備的耐壓能力相匹配。 3、電涌保護器SPD的主要性能、指標的確定 3.1 最大持續(xù)運行電壓Uc的選擇： 選擇220/380V三相系統(tǒng)中的電涌保護器時，其最大持續(xù)運行電壓Uc應符合表1規(guī)定： 3.2 SPD的電壓保護水平Up的選擇： 最大電涌電壓，即SPD的最大箝壓（Up）加上其兩端的引線的感應電壓（UL）應與所屬系統(tǒng)的基本絕緣水平和設備允許的最大電涌電壓相一致，即： Up＋UL ≤設備耐沖擊過電壓水平。無論對遠處雷擊,直接雷擊或操作過電壓,均不應大于表2中的Ⅱ類,即對于220/380V電氣裝置Up值不應大于2.5kV。采用接線形式2（注：見本文第4部分）時,接于相線與PE線之間的SPD的總保護水平也應符合上述要求。 3.3 SPD的雷擊沖擊電流Imp及標稱放電電流I n的確定： （1）在已具備防雷裝置的情況下使用SPD防止直接雷擊或在建筑物臨近處被雷擊引起的瞬態(tài)過電壓時，應根據(jù)雷電防護區(qū)分區(qū)的原則選用I級試驗、Ⅱ級試驗、Ⅲ級試驗的SPD。 確定SPD的雷擊沖擊電流Imp一般應進行分流計算（計算方法參見防雷規(guī)范條文說明第6.4.7條）。當電流值計算無法確定時，其雷擊沖擊電流不應小于表3中所列指標。 （2）在建筑物電氣裝置中使用SPD限制從電源系統(tǒng)傳來的大氣瞬態(tài)過電壓（由間接的，遠處的雷擊引起的）和操作過電壓時，可選用Ⅱ級分類試驗的SPD及必要時加裝Ⅲ級分類試驗的SPD。符合Ⅱ級、Ⅲ級分類試驗的SPD的標稱放電電流I n不應小于表3中所列指標。 4、SPD在低壓電源系統(tǒng)中的安裝及接線 4.1 裝置的電源進線端或其附近裝設 |
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SPD時，應在下面所列的各點之間裝設：
（1）當在電源進線端，中性線與PE（保護線）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線之間，取其路徑最短者。接線參見圖1。
（2）當在電源進線端，中性線與PE（保護線）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線之間，和接在中性線與總接地端子或總保護線之間，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)的電源進線端或其附近裝設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應按其所處的建筑物條件、信息設備的重要程度、發(fā)生雷擊事故嚴重程度等進行雷擊風險評估，將信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖的防護分為A、B、C、D四級，分別采用相應防護措施：
A級：宜在低壓系統(tǒng)中采取3—4級SPD進行保護。
B級：宜在低壓系統(tǒng)中采取2—3級SPD進行保護。
C級：宜在低壓系統(tǒng)中采取2級SPD進行保護。
D級：宜在低壓系統(tǒng)中采取1級或以上SPD進行保護。
(說明) 風險評估計算方法參見IEC61662：雷擊損害風險的評估。
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安裝符合I級分類試驗的SPD，如總電源進線配電柜內(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安裝符合Ⅱ級分類試驗的SPD，如引出至本建筑物防直擊雷裝置的保護范圍之內(nèi)的屋頂風機、屋頂廣告照明的電源配電箱內(nèi)。
（3）當電源進線處安裝的電涌保護器的電壓保護水平加上其兩端引線的感應電壓保護不了該配電箱供電的設備時，應在該級配電箱安裝符合Ⅱ級分類試驗的SPD，其位置一般設在LPZ1區(qū)和LPZ2區(qū)交界面處。如：樓層配電箱、計算機中心、電信機房、電梯控制室 、有線電視機房、樓宇自控室、保安監(jiān)控中心、消防中心、工業(yè)自控室、變頻設備控制室、醫(yī)院手術室、監(jiān)護室及裝有電子醫(yī)療設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備（尤其是信息系統(tǒng)設備），應考慮在該設備前安裝符合Ⅲ級分類試驗的SPD，其位置一般設在LPZ2區(qū)和其后續(xù)防雷區(qū)交界面處。如：計算機設備、信息設備、電子設備及控制設備前或最近的插座箱內(nèi)。
5.3 SPD在住宅中的安裝：
（1）高層住宅應在照明、動力總配電箱內(nèi)安裝符合I級分類試驗的SPD，并宜在屋頂風機、電梯等設備的電源配電箱內(nèi)安裝符合Ⅱ級分類試驗的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、電涌保護器安裝的注意事項：
SPD的安裝應注意如下問題：
（1）第一級保護的SPD應靠近建筑物的入戶線的總等電位連接端子處，第二、三級保護的SPD應盡量靠近被保護設備安裝。
（2）電涌保護器接至等電位連接的導線要盡可能短而直。
（3）為滿足信息系統(tǒng)設備耐受能量要求，SPD的安裝可進行多級配合，在進行多級配合時應考慮SPD之間的能量配合，當有續(xù)流時應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。在無法獲得準確數(shù)據(jù)時，電壓開關型與限壓型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，當安裝在電源裝置的起點處的SPD的保護電壓水平Up≤末端被保護設備的耐壓水平的50％時，可僅安裝一級電涌保護器。
（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)設備運行的影響，因此在SPD的電源側(cè)應安裝過電流保護裝置（如熔斷器或空氣斷路器），過電流保護器（設置于內(nèi)部或外部）與SPD一起承擔等于和大于安裝處的預期最大短路電流，選擇時，應考慮SPD制造廠商規(guī)定的其產(chǎn)品應具備的最大過電流保護器。此外,制造廠商所規(guī)定的SPD的額定阻斷蓄流值不應小于安裝處的預期短路電流。在TT系統(tǒng)中還應安裝剩余電流保護裝置，并宜帶有劣化顯示功能。
（6）在爆炸危險場所使用的SPD應具有防爆功能。
（7）在考慮各設備之間的過電壓保護水平Up時，若線路無屏蔽時尚應計及線路的感應電壓，在考慮被保護設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，應根據(jù)具體情況對氧化鋅壓敏電阻SPD提高Uc值。
（9）當設有信息系統(tǒng)的建筑物需加裝SPD保護時，若該建筑物沒有裝設防直擊雷裝置和不處于其他建筑物或物體的保護范圍內(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
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IEC61024—1：建筑物防雷 第1部分 通則
IEC61312—1：雷擊電磁脈沖的防護 第1部分 通則
IEC61312—2：雷擊電磁脈沖的防護 第2部分 建筑物的屏蔽、內(nèi)部等電位連接及接地
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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： 雷擊損害風險的評估
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