1;基本原理

　　電湧保護器(Surge Protective Device，SPD)又稱浪湧保護器，是用於帶電係統中限製瞬態過電壓和導引泄放電（diàn）湧電流的非線性防護（hù）器件，用（yòng）以保護耐壓水平低的電器或電子係統免（miǎn）遭雷擊及（jí）雷擊電磁脈衝或操作過電（diàn）壓的損（sǔn）害。近年來，電子信息係統(如電視、電話、通信、計算機網絡等)發展（zhǎn）迅猛，電子信息設備大量湧現和普及。這類係統和設備往往比較昂貴和重要，其工作電壓、耐壓水平（píng）很低，極（jí）易受到雷電電磁脈衝的危害，為此需采用SPD做過電壓保（bǎo）護。

　　由於各國遵循的標準不一樣，產（chǎn）品的規格沒有（yǒu）統一（yī），參數的標識也各自有側重，遠不如（rú）其他電氣產品規範，這就給設計選（xuǎn）型帶來很大不便。在工程設計中，常見品牌按產地劃分主要可（kě）分為國產產品、歐（ōu）洲產（chǎn）品和美洲產品。國產產品參數設置較亂，規格多樣，殘壓（yā）較高。規（guī）範產品（pǐn）的型號設置有的（de）仿歐洲產品（pǐn），有的（de）遵循國標定參（cān）數，大部分（fèn）產品都（dōu）標注In與Imax。由於國（guó）產產品對應用場所（suǒ）要求較低（dī），建築物等級不高，設備耐壓值大，所以一些參數要求可適當放鬆。

　　歐洲產品一（yī）般標注最大放電電流，產品型（xíng）號也是根據這（zhè）個參數設定（dìng）的（de）。例如歐洲某著名品牌XXX65、XXX40，其中數值65、40就是Imax。但我國標準明確規定要（yào）用標稱放電電流In來進行（háng）選型，這是目前（qián）在（zài）工程設（shè）計中遇到（dào）的一個尷尬情況。經查該產品資料，XX65的In值不（bú）超過20 kA，XX40的In值不超過15 kA。如果依照GB50343建議值，這兩種（zhǒng）產品隻（zhī）能用於設備（bèi）末端三（sān）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不符，且殘壓較高，普通型號一般超過1 200 V，一（yī）旦接線環境不好，很容易突破設備耐壓值。一般歐係產品Uc值較（jiào）小，且投機取巧標注（zhù）線電壓，因此在（zài）選型時，較容（róng）易出現誤導。

　　2 SPD概述

　　2.1 SPD的工作原理

　　電湧（yǒng）保護器（qì）適用（yòng）於220/380V低（dī）壓電源保護，是一種非線性元件，根據IEC標準規定，電湧保護器是主要抑（yì）製（zhì）傳導過來的線路過（guò）電壓和過電流的裝置。電（diàn）湧（yǒng）保護器起到保（bǎo）護作用，基本要求是必須承受（shòu）預期通過的雷電電流，並且通過電湧最大鉗（qián）壓，有（yǒu）效熄（xī）滅在雷電流通過後產生的工頻續流，把（bǎ）竄入電（diàn）力線（xiàn）、信號（hào）傳輸線的瞬時過（guò）電壓限製（zhì）在設備或係統所能承（chéng）受的電壓範圍內，或將強大的雷電流（liú）泄流入地，保護被保（bǎo）護的設備或係統不受衝擊而損壞。

　　電湧（yǒng）保（bǎo）護器的類型（xíng）和結構按不同的用途（tú）有所不同（tóng），但至少包含一個非線性電壓限製元件。常用電湧保護器有MOV（Metal Oxide Varistor）同氣體放電管等。電湧包（bāo）含強大的能量因此不能被阻止（zhǐ）。基於這種原因，保護敏感電氣設備免受電湧損壞的策略是把電湧（yǒng）從設備分（fèn）流後流入大地。

　　浪湧保護器MOV由三部（bù）分組成（chéng）：中間是一根金屬氧化物材料，由兩個半（bàn）導體連接著電源和地（dì）線。當產生浪湧時MOV立即動作，響應時間（jiān）為1～3毫微秒。MOV中的（de）“V”是變阻器，在（zài）響應的一瞬間，MOV的電阻從最大值降到（dào）近乎零歐姆，過電流經MOV流入大地。被（bèi）保護電氣（qì）設備繼續在正常工作電壓下運行。其半導（dǎo）體元件具有隨電（diàn）壓變化而改變電阻的性質。當電壓低於某個特定值（zhí）時，半導體中（zhōng）的電子運動產生高電阻。反（fǎn）之，當電壓超過該特定值時，電子運動會發生變化，半導體電阻降低接近（jìn）零歐姆。電壓正常，浪湧保護器MOV閑在（zài）一旁，不（bú）影響電力線路。

　　*價浪湧保護器MOV優劣的指（zhǐ）標：（1）箝位電壓：表示將導致MOV接通地線（xiàn）的電壓值。箝位電壓越低，表示保護（hù）性能越好。（2）能量吸收/耗散能力：此（cǐ）標稱值表（biǎo）示（shì）浪湧（yǒng）保護器在燒毀前能夠（gòu）吸收多少能量（liàng），單位為焦耳。其數值越高，保護性能就越好。（3）響應時間：浪湧保護器不會立刻斷開（kāi），它們對電湧做出響應會（huì）有略微的延遲。

　　另一種常見的（de）浪湧保護裝置（zhì）是氣體放電管。這些氣體放電管作用與MOV相同，它們將多餘（yú）電流從火線移到地線，通過在兩根電線之間使用惰性氣（qì）體作（zuò）為導體實現此功能。當電壓處於某一特定範圍時，該氣體的組成決定了它是不（bú）良導體（tǐ）。如果電（diàn）壓出現浪湧並超過這一範圍，電流的強度將足以使（shǐ）氣體電離，從（cóng）而使氣體放電管成為非常良好（hǎo）的導體。它會將電（diàn）流傳導至地線，直到電壓恢複正常（cháng）水平，隨後又會成為不良（liáng）導體。

　　2.2 浪湧（yǒng）保護器的分類

　　SPD是電子設備雷電防護中不可缺少的一（yī）種裝置，其作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時（shí）過電壓限製在設備或係（xì）統所能承（chéng）受的電（diàn）壓範圍內，或將強大的雷電流泄流入地，保護被（bèi）保護的設備或係統不受衝擊。

　　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（chéng）現高阻抗，一旦（dàn）響應雷電瞬時過電壓，其阻抗就突變為低阻抗，允許雷電流通（tōng）過，也被稱為“短路開關型（xíng）SPD”。

　　(2)限壓型（xíng）SPD。當沒有瞬時過電壓時，為（wéi）高（gāo）阻抗，但隨電湧電流和電壓的增加，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（wéi）“鉗壓型SPD”。

　　(3)組合型SPD。由電壓開關型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為（wéi）電壓開關型或限壓型或兩者兼有的特性，這決定於所加電（diàn）壓的特性。

　　2.2.2 按用途分類

　　按其用途（tú）分類， SPD可以分為電源線路SPD和（hé）信號線路SPD兩種。

　　(1)電源線路SPD

　　由於雷擊的能量是非常巨大的，需要通過分級泄放的方法，將雷（léi）擊能量逐步泄放到大地。在直擊雷非防護區(LPZ0A)或在直擊雷防護區（qū）(LPZ0B)與第一防護區(LPZ1)交（jiāo）界處，安裝通過Ⅰ級分類試驗的浪（làng）湧保護器或限（xiàn）壓型浪湧保護器作為第一級保護，對直擊雷電流進行泄放，或者當電（diàn）源傳輸線路遭受直接雷擊時，將傳導的巨大能量進行（háng）泄放。在第一防護區之後的各分（fèn）區(包含LPZ1區)交界處安（ān）裝限壓型浪湧保護器，作為二、三級或更高等級保護。第二級保護器是針對（duì）前級保護器的殘（cán）餘電壓以及區內感應雷擊的防護設（shè）備，在前級發生較大（dà）雷（léi）擊能量吸收時，仍有一（yī）部分對設備或第三級保護器而言是相當巨大的能量，會（huì）傳導過來，需要第二級保護器進一步吸收。同時，經過第一級防雷器的傳輸線路也會感應雷擊電磁脈衝輻射（shè）。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（liàng）實施（shī）泄放（fàng）。第三級保護器對通過第二級保護（hù）器的殘餘雷擊能量進行保護。根據被保護設備（bèi）的耐壓等級，假如兩級防（fáng）雷就可（kě）以做到限製電壓低於（yú）設（shè）備的耐壓水平，就隻需要做兩級保護;假如設備的（de）耐壓水平較低，可能需要四（sì）級甚至更多級的保護。

　　(2)信號（hào）線（xiàn）路SPD

　　隨著信息係統的廣泛（fàn）應用，由於網絡線路多，電子設備的耐壓（yā）水平低，雷擊（jī）對信息係統的危（wēi）害越來越大。雷電對信息係統的危害主要是雷擊電磁脈衝造成的，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（de）高電位反擊、雷擊電磁場的靜電（diàn）感（gǎn）應和電磁感應。對電磁（cí）脈衝的防護措施有攔截、分流、等電（diàn）位聯結、屏蔽、接地、合理布線等（děng）。在信號線路上安裝SPD是信息係（xì）統防電（diàn）磁脈衝的一個重要措施，它（tā）可以同（tóng）時起到攔截、分流（liú）、等電位聯結的（de）作用。信號（hào）線路SPD應（yīng）連接在（zài）被（bèi）保護設備的信號端口上。其輸出端與（yǔ）被保護設備的端口相連（lián），有串（chuàn）接和並接之分，一般是串聯安（ān）裝在（zài）信號線路上。因此，在選擇（zé）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《建築物防雷設計規範》GB50057-94（2000年版）的規定，在LPZ0B，LPZ1，LPZn+1防雷區建築物應視情況采取防止感應雷、靜電或電湧（yǒng）措施感應雷是由雷閃電流產生的強大電磁場變化（電磁脈衝感應或靜電感應）在導體上感應出的過電壓、過電（diàn）流形成的雷擊（jī），對建（jiàn）築物內的（de）電氣設備，尤（yóu）其低壓電子設備威脅巨大。建築物內部設備防雷保護（hù）的重點是防止感應雷入侵（qīn）。在感應雷的防護當中，電湧保（bǎo）護器（SPD）是不可缺少的裝置，它能根據各種線路中出現的（de）過電壓（yā）過電流及時做出反應，泄放（fàng）線路中的過電流或對線路上的過電壓進行鉗製，從而達到保護電氣設備的目的。

　　靜電、電湧和感應雷的性質一樣，都可以通過電湧保護器（SPD）加（jiā）以抑製。靜電產生（shēng）的另一種形式是由（yóu）於摩擦或電子設備的高速運行，在人體和電子設備上產生大量（liàng）靜電電荷，人與物、物與物間易發生高壓放電現象，放電後（hòu）極易損壞精（jīng）密的電子設備；電湧日常產生的麵（miàn）很廣，如電源的開和關，電源的插拔，電梯、電（diàn）閘門、電動機的啟動和停止，電鑽、電焊、電氣設備損壞和電（diàn）線短路（lù）等都會產生電湧。另外，電湧（yǒng）也常（cháng）發生在電源係統內部，電源幹線、支（zhī）線、發電（diàn）機、變配電裝置、UPS、交（jiāo）直流電源、甚至電氣設備終端都可能發生[2]。與雷電相比，雖然電湧的脈（mò）衝電壓較（jiào）低（dī），但其脈衝（chōng）寬、持續時間長，強度仍然不小（xiǎo），但足以幹擾和損壞電氣設備。

　　3 SPD在計算機信息係統中（zhōng）的應用

　　現（xiàn）代計算機信息係統大多由大規模集成電路組成，微電（diàn）子器件的絕緣強度低，而這些敏感電子設備的工（gōng）作（zuò）電壓卻在不斷降低，其數量和規模不斷擴大，因而它們受過電壓特別是（shì）雷電襲擊而（ér）受到損害（hài）的可能性就大大增加，其後果可能使整個係統運行中斷，並（bìng）造成難以估（gū）量的經濟（jì）損失。雷電和浪湧電（diàn）壓成為信息（xī）時代的一大公害。

　　3.1　電源係統的防雷設計

　　(1)主配電屏。三相線上加裝3隻MC50-B模塊，並分別（bié）加上空氣開關，在N線（xiàn）和地線之間加裝MC125-B/NPE模塊。

　　(2)UPS保護。在每（měi）個相線與中線之間加裝（zhuāng）V20-C模塊，並在（zài）每個模塊前加裝空氣開關，在N線與地線之間加裝V20-C/NPE模塊。

　　(3)需要保護的重要設備端。使用CNS32D對其電源線加以保護。

　　(4)弱電（diàn）設備的電源保護。使用V20-C防雷模塊或VF係列（liè）電源（yuán）精細保護模塊。

　　電源防雷器示意（yì）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（zǔ）合，V20-C/3+NPE/AS為增強型帶聲光功能的防雷器（qì）。防雷器及空氣開關（guān）分別安裝於相應的MCCB旁。

　3.2　計算機網絡的防雷設計

　　在進出機房的百兆雙絞線兩端都（dōu）加裝RJ45S-E100/4-F網絡防雷器;光纖線不（bú）需加裝防雷器，但其加強芯應在入戶處接地處理。在網絡（luò）交換機出線端口處也（yě）安裝RJ45S-E100/4-F網絡防雷（léi）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（dì）線導體的截麵積（jī）

　　SPD的連接線和（hé）接地線一般采用（yòng）多股銅線（xiàn），其接地線截麵積應大於連接線的截麵積，並按與SPD連接的等電位聯結排主（zhǔ）接地線截麵的50%確定。安裝在電（diàn）氣裝置電源進線端或靠近進線（xiàn）處的（de）Ⅱ級分類試驗的SPD，其接地線應為不小於4 mm2的多股（gǔ）銅線。對於防直（zhí）擊雷的Ⅰ級分類試驗的SPD，其接地線宜為不小於（yú）16 mm2的多股銅（tóng）線。當采用其他材（cái）質導線（xiàn）時，其截麵積應與上述銅導（dǎo）線截麵等效。SPD兩端引線應短而直，避免形成過大（dà）環路（lù）。

　　4.2 SPD的（de）附（fù）件

　　現有大（dà）部分電源係統SPD產品都像（xiàng）微型斷路器一樣采用模塊（kuài）化（huà）導軌安裝形（xíng）式，有單極和一體（tǐ）化的多極產品，有固定式和芯體（tǐ）可（kě）插拔更換的插拔式（shì）兩種（zhǒng）安裝形式。為了監視SPD的老化和運行狀態，采用金屬氧化物電阻元件的限壓型SPD，帶有老化顯（xiǎn）示及過載熱（rè）分斷裝置和失（shī）效指示功（gōng）能。根據係統運行需要還可裝設工作狀態監視（shì）報警（jǐng）模塊或遠程監控輔（fǔ）助觸頭。間隙型SPD可選用運行狀態指示器和雷擊計數器的產品。

　　4.3 SPD的過流保護

　　SPD安裝（zhuāng）線路上（shàng）應有過電（diàn）流保護器件，並參照製造商的建議配置。當采用斷（duàn）路器時，應采用具有C型脫扣（kòu）曲線的延時型脫扣器，其額定電（diàn）流第一級不小於50 A(可選63 A)，以後各級不小（xiǎo）於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裝於剩餘電流保護裝置(RCD)的負荷側時，為防止電湧電流通過時，RCD誤動作（zuò），可采用帶延時的S型剩餘電流（liú）保護器。對特別重要的負荷設備可采用對大氣過電壓不敏感（gǎn）的SI型剩餘電流保護器，且應（yīng）具有不小（xiǎo）於3 kA(8/20μs)的電湧電流抗幹擾能力。

　　5 結論

　　電湧保護器（SPD）是綜（zōng）合防雷係統的（de）重要組成部分，有著不可替（tì）代的作用。電湧（yǒng）保護器（SPD）的連接電路根據不同需要，有不同的形式，在做好屏蔽（線路、機房、設備）、等電位連接和建立聯合共同接地係統後，將（jiāng）其（qí）保護認真做深、做細、做好，築（zhù）起一道雷（léi）電、靜電和電湧無法（fǎ）逾越的防線，才能真正保障信息係統和電氣設備的安全。

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