浪涌保护器原理及应用

杜尚彬

（南京菲尼克斯电气有限公司哈尔滨办事处，哈尔滨150001）

0 引言

电涌电压是持续时间极短，有陡峭上升沿的脉冲电压或瞬态电压。雷击是最为人熟知的导致该类极端电涌电压产生的原因之一。其次，日常带负载进行开关操作、静电放电也会产生电涌电压，这种电涌电压可以通过电流、电感或电容等耦合途径由电源、测量设备或数据传输系统进入电气设备或电子设备内部。不论电涌电压是如何产生的，它所产生的结果是相同的：设备毁坏、系统停顿或控制系统失灵。与系统失灵和更换元件的代价相比较，可能产生的数据丢失和收益率下降等间接损失远远大于直接损失。为了防止电涌电压摧毁电气系统，所有处于危险的接口，如信号输入和电源入口必须安装防雷及电涌保护器。

1 浪涌保护器的原理

电涌保护器（Surge Protective Device，SPD）又称浪涌保护器，它是一个至少使用了一个非线性零件的装置，可以有效限制瞬态过电压和转移浪涌电流。用以保护耐压水平低的电器或电子系统免遭雷击及雷击电磁脉冲或操作过电压的损害。

电涌保护器起到保护作用，基本要求是必须承受预期通过的雷电电流，并且通过电涌最大钳压，有效熄灭在雷电流通过后产生的工频续流，把窜入信号、电力线传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护设备或系统不受冲击而损坏。用于浪涌保护器的基本元器件有放电间隙、气体放电管、压敏电阻、抑制二极管。

1.1 放电间隙

浪涌保护器中的放电间隙基于电弧放电技术。两个角形放电电极位置彼此相对并按特定的距离固定在特殊绝缘板上。在放电电极下方设有一同材料的撞击板对着角形间隙开口方向。在两个电极之间出现电涌电压时，在绝缘板的角形电极根部发生表面放电并形成电弧。持续的电弧被电动力驱动向下撞击挡板并被撞碎。撞碎的电弧分断熄灭线路的持续电流。

1.2 气体放电管

气体放电保护器含有一组电极的陶瓷或玻璃管封装体。电极之间充有惰性气体，如氩或氖。当达到点火电压时，保护元件快速变为低阻抗状态，可以排放10 kA（8/20 μs）以下的瞬态电流。其动作时间在毫微秒范围内。其缺点是点火性能受到时间的限制以及可能出现电源续流。气体放电保护器点火以后，电压超过24 V的低阻抗电路尤其容易将原本只希望持续寥寥几微秒，因充气式放电器引起的短路继续保持下去。其结果是充气式放电器在刹那间爆裂。因此，采用气体放电保护器的过电压保护线路里，应预设一个短路器，以便在极短的时间内将电路中断。

1.3 压敏电阻

压敏电阻可以在大功率电流排放以后，继续调低残余电压的水平。压敏电阻在尺寸与气体放电管放电器基本相同的情况下无法泄放很大的电流。然而，它在毫微秒范围内动作时间过程中反应速度要更快，而且没有电流续流的问题。其缺点在于压敏电阻的老化和电容相当高。

1.4 抑制二级管

作为高灵敏度保护元件可以使用反应速度极快的抑制二级管。其动作时间可以达到纳秒级，电压限制也同样很好，约为额定电压的1.8倍。其缺点是电流负荷量小和电容量相当高两个方面。

人们十分希望充分利用气体放电管、压敏电阻、抑制二极管等各自优点而摒弃其缺点。当过电压出现时，抑制二极管作为速度最快的元件首先动作。线路设计为，在抑制二级管可能被毁坏之前，放电电流即随着幅值的上升转换到前置的放电路径上，即气体放电管式放电器。如果放电电流小于该值，则气体放电管不动作（如图1所示）。

图1

采用这种线路不仅可以在低保护电平的条件下利用放电器动作迅速的优点，同时还可以达到很高的放电容量。这样就可以消除抑制二极管过载以及熔断器在出现电源续流时频繁切断电路的缺点。

2 浪涌保护器的分类

浪涌保护器按工作原理可以分为限压型、电压开关型和组合型。在没有瞬时过电压时呈现高阻抗，一旦有雷电瞬时过电压，阻抗就突变为低阻抗，允许雷电流通过，称为电压开关型SPD或短路开关型。当没有瞬时过电压时，为高阻抗，但随电涌电流和电压的增加，其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性，被称为限压型SPD或钳压型SPD。组合型SPD是由电压开关型组件和限压型组件组合而成，可以显示为电压开关或限压型或两者兼有的特性，这决定于所加电压的特性。

浪涌保护器按用途可以分为电源线路和信号线路的浪涌保护器。电源的过电压保护一般分为三个保护级。电源的初级保护安装在电源的总入口，用雷电电流放电器。由于后续设备承受的残压仍旧过高，必须安装过电压防雷器作为二级保护设备。作为三级设备保护的过电压防雷器应直接安装在设备前面。信息线路的过电压保护一般也分为三级。数据、电讯和MCR技术领域的接口灵敏度大大高于终端设备和电源入口。因此，数据接口必须有高灵敏度的防护。此类防雷器一般安装于数据导线进入保护范围的入口处。与电源系统内放电器所采用的并联技术相反，MCR设备和数据处理器的过电压保护装置采用串联方式接入传输导线。因此，相应的放电器必须在信息系统的两侧，即发射器和接收器前同时安装。

3 浪涌保护器的关键参数

最大放电电流Imax：流过SPD，具有8/20 μs波形的放电电流的峰值。

标称放电电流In：流过SPD具有8/20 μs形式的电流峰值。用于Ⅱ级实验的SPD分级以及Ⅰ级、Ⅱ级实验的SPD预处理实验。

标称电压UN：SPD保护设备的工作电压。

最大持续工作电压Uc：允许持久地施加在SPD上的最大交流电压有效值或直流电压。

残压：当放电电流通过时所达到的额定峰值电压。电压保护水平Up：表征SPD限制接线端子间电压的性能参数。

4 浪涌保护器的选型原则及选型案例

4.1 选型原则

浪涌保护器的选型原则应考虑被保护设备的重要程度和价值，被保护设备所处雷击区的雷电浪涌强度，被保护设备对雷电浪涌的暴露程度。根据所选择的电涌保护器和预期的环境影响，保护系统的电源和设备所需的保护措施被分为三级。分别对应国际GB50057-94（2000版）的耐冲击过电压类别的Ⅳ类6 kV、Ⅲ类4 kV、Ⅱ类2.5 kV、Ⅰ类1.5 kV的Ⅰ级（B）、Ⅱ级（C）、Ⅲ级（D）电涌保护器（SPD）。各级保护装置在浪涌放电能力水平和保护级别上有所不同。在传统三级保护概念下，其结构如表1。

表1

4.2 选型步骤

1）划定雷电保护区。根据标准将防雷区分为：LPZ0A，LPZ0B，LPZ1，LPZn+1后续防雷区。所有进入建筑物的外来导电物均在LPZ0A或LPZ0B与LPZ1区交界处做等电位连接，并设置浪涌保护器，如有后续分区，一般也适用此原则。

2）根据雷击风险及保护系统的重要性，确定雷电防护等级。在LPZ0区与LPZ1区交界处应安装Ⅰ级分类实验的SPD或限压型SPD作为第一级保护，在LPZ1区与LPZ2区交界处应安装限压型SPD作为第二级保护，在终端设备前段安装限压型SPD作为第三级保护。

3）根据雷电流分流计算及被保护设备的运行参数，选择确定浪涌保护器的各相关参数。

4.3 浪涌保护器在计算机机房防雷设计方案的应用

4.3.1 基本情况

机房位于办公楼2楼，机房面积：11 m×6 m。供电采用1路AC380V电源由总配电房至办公楼2楼机房，机房内设备通过1台UPS供电。机房内有1台交换机，1台服务器，网络引入线和内部局域网采用双绞线传输。机房内部无接地引入线，可从机房主钢筋引出。

4.3.2 设计说明

在对该建筑物进行充分的雷击风险评估的基础上，综合考虑从供电、信号、接地三个部分进行设计，以最大限度地减轻雷电灾害。

4.3.2.1 供电部分

1）在总配电房1路AC380V市电输入母线上安装1套FLT-CP-PLUS-3S-350（以德国菲尼克斯防雷为例）电源避雷器，作为电源第一级保护。主要为了避免由室外感应的强大过电压波侵入室内低压配电系统。为了以后维护方便，应在避雷器的并联支路上串联安装空气开关，以便于避雷器及时、方便地与主供电线路断开。

2）在办公楼2楼机房配电箱内加装1套VAL-CP-3S-350电源避雷器，对机房供电线路提供保护。配电箱内应预留4P空气开关位置，如无安装位置，应在配电箱旁边就近单独安装避雷器箱体。

3）在机房内UPS电源输出线上安装1套VAL-MS230/1+1电源避雷器，作为机房内设备供电的第三级保护。

4）对机房内的重要设备，服务器、交换机等，应考虑对设备的末端电源加装CBT-GOALIE防雷插座，作为重要设备的末端保护。

4.3.2.2 信号部分

1）室外远程网络引入干线和内部局域网采用双绞线传输，应在设备前端加装网络保护器，以防止设备遭雷击电磁脉冲干扰或损坏，造成数据丢失。

2）设计在网络交换机、服务器的网络信号输入端分别加装D-LAN-CAT.5E网络保护器，在网络交换机的网络信号输出端加装D-LAN-19"-24网络保护器。

4.3.2.3 接地部分

1）利用大楼本身的结构钢筋网作为机房接地网，从机房建筑物的两个拐角主钢筋引出两点，通过1条40 mm×4 mm的热镀锌扁钢将两点连为一体作为接地干线。

2）在机房内静电地板下用16mm2紫铜带敷设均压环，室内所有设备金属外壳、电缆进线的外屏蔽层、静电地板、光缆金属加强筋等均应就近接到均压环上，并通过大楼的接地系统接地。

5 结语

浪涌保护器通过泄放雷电电流、限制浪涌电压来保护电子设备，是电子设备防雷的主要手段，是内部防雷的主要组成部分。有效的电涌防护由评估潜在的风险和辨别需被保护的对象设备开始。采用全面、系统防护理念——重视所有相关电源、数据、电信接口的防护。这是对数据网络、工厂设备、建筑电气系统等等进行全面、有效防护的唯一方法。

［1］ 国家技术监督局.GB50057-94建筑物防雷设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2000：23-25.

［2］ 陈刚.电子信息系统防雷工程中对浪涌保护器的选择与应用［J］.现代建筑电气，2011（9）：52-56.

［3］ 林冠文，何庆标.计算机机房综合防雷分析［J］.现代建筑电气，2012（3）：7-10.

［4］ 周中伟，周中意，陈海辉.计算机网络系统的雷电防护研究［J］.中南林业科技大学学报，2011（6）：194-198.