浪涌保護器分析及分類

分析

引言

    雷電災害是最嚴重的自然災害之一，全世界每年因雷電災害造成的人員傷亡、財產(chǎn)損失不計其數(shù)。隨著電子、微電子集成化設(shè)備的大量應用，雷電過電壓和雷擊電磁脈沖所造成的系統(tǒng)和設(shè)備的損壞越來越多。因此，盡快解決建筑物和電子信息系統(tǒng)雷電災害防護問題顯得十分重要。

隨著相關(guān)設(shè)備對防雷要求的日益嚴格，安裝浪涌保護器(Surge ProtectionDevice,SPD)抑制線路上的浪涌和瞬時過電壓、泄放線路上的過電流成為現(xiàn)代防雷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一。

雷電的特性

    防雷包括外部防雷和內(nèi)部防雷。外部防雷以接閃器(避雷針、避雷網(wǎng)、避雷帶、避雷線）、引下線、接地裝置為主，其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲，將可能擊中建筑物的雷電通過避雷針（帶、網(wǎng)、線）、引下線等泄放入大地。內(nèi)部防雷包括防雷電感應、線路浪涌、地電位反擊、雷電波入侵以及電磁與靜電感應的措施。其基該方法是采用等電位聯(lián)結(jié)，包括直接連接和通過SPD間接連接，使金屬體、設(shè)備線路與大地形成一個有條件的等電位體，將因雷擊和其他浪涌引起的內(nèi)部設(shè)施分流和感應的雷電流或浪涌電流泄放入大地，從而保護建筑物內(nèi)人員和設(shè)備的安全。

雷電的特點是電壓上升非常快（10μs以內(nèi)），峰值電壓高（數(shù)萬至數(shù)百萬伏），電流大（幾十至幾百千安），維持時間較短（幾十至幾百微秒），傳輸速度快（以光速傳播），能量非常巨大，是浪涌電壓中最具破壞力的一種。

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。

按工作原理分

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。

⑴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)榈妥杩梗试S雷電流通過，也被稱為“短路開關(guān)型SPD”。

⑵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”。

⑶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。

按用途分

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。

選擇SPD，首先需要了解一些參數(shù)及其工作原理。

⑴ 10/350μs波是模擬直擊雷的波形，波形能量大； 8/20μs波是模擬雷電感應和雷電傳導的波形。

⑵標稱放電電流In是指流過SPD、8/20μs電流波的峰值電流。

⑶最大放電電流Imax又稱為最大通流量，指使用8/20μs電流波沖擊SPD一次能承受的最大放電電流。

⑷最大持續(xù)耐壓Uc(rms）指可連續(xù)施加在SPD上的最大交流電壓有效值或直流電壓。

⑸殘壓Ur指在額定放電電流In下的殘壓值。

⑹保護電壓Up表征SPD限制接線端子間的電壓特性參數(shù)，其值可從優(yōu)選值的列表中選取，應大于限制電壓的最高值。

⑺電壓開關(guān)型SPD主要泄放的是10/350μs電流波，限壓型SPD主要泄放的是8/20μs電流波。

2.信號線路SPD

    信號線路SPD其實就是信號避雷器，安裝在信號傳輸線路中，一般在設(shè)備前端，用來保護后續(xù)設(shè)備，防止雷電波從信號線路涌入損傷設(shè)備。

1）電壓保護水平（UP）的選擇

UP 值不應超過被保護設(shè)備耐沖擊電壓額定值，UP 要求SPD 與被保護的設(shè)備的絕緣應有良好配合。

在低壓供配電系統(tǒng)裝置中，設(shè)備均應具有一定的耐受電涌能力，即耐沖擊過電壓能力。當無法獲得220/380V 三相系統(tǒng)各種設(shè)備的耐沖擊過電壓值時，可按IEC 60664-1 和GB 50057-1994（2000 版）的給定指標選用。

2）標稱放電電流In 的（沖擊通流容量）選擇

流過SPD、8/20 μs 電流波的峰值電流。用于對SPD 做II 級分類試驗，也用于對SPD 做I 級和II 級分類試驗的預處理。

事實上，In 是SPD 不發(fā)生實質(zhì)性破壞而能通過規(guī)定次數(shù)(一般為20 次)、規(guī)定波形（8/20 μs）的最大限度的沖擊電流峰值。

3）最大放電電流Imax（極限沖擊通流容量）的選擇

流過SPD、8/20 μs 電流波的峰值電流，用于II 級分類試驗。Imax 與In 有許多相同點，他們都是用8/20 μs 電流波的峰值電流對SPD 做II 級分類試驗。不同之處也很明顯，Imax 只對SPD 做一次沖擊試驗，試驗后SPD 不發(fā)生實質(zhì)性破壞；而In 可以做20次這樣的試驗，試驗后SPD 也不能有實質(zhì)性破壞。因此，Imax 是沖擊的電流極限值，所以最大放電電流也稱為極限沖擊通流容量。顯然，Imax>In。