浪涌保護器分析及分類

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、財產損失不計其數。隨著電子、微電子集成化設備的大量應用，雷電過電壓和雷擊電磁脈沖所造成的系統和設備的損壞越來越多。因此，盡快解決建筑物和電子信息系統雷電災害防護問題顯得十分重要。

隨著相關設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代防雷技術的重要環節之一。

雷電的特性

    防雷包括外部防雷和內部防雷。外部防雷以接閃器(避雷針、避雷網、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、線）、引下線等泄放入大地。內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結，包括直接連接和通過SPD間接連接，使金屬體、設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部設施分流和感應的雷電流或浪涌電流泄放入大地，從而保護建筑物內人員和設備的安全。

雷電的特點是電壓上升非常快（10μs以內），峰值電壓高（數萬至數百萬伏），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備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入地，保護被保護的設備或系統不受沖擊。

按工作原理分

按其工作原理分類，SPD可以分為電壓開關型、限壓型及組合型。

⑴電壓開關型SPD。在沒有瞬時過電壓時呈現高阻抗，一旦響應雷電瞬時過電壓，其阻抗就突變為低阻抗，允許雷電流通過，也被稱為“短路開關型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。由電壓開關型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為電壓開關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（LPZ0A）或在直擊雷防護區（LPZ0B）與第一防護區（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。在第一防護區之后的各分區（包含LPZ1區）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內感應雷擊的防護設備，在前級發生較大雷擊能量吸收時，仍有一部分對設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。根據被保護設備的耐壓等級，假如兩級防雷就可以做到限制電壓低于設備的耐壓水平，就只需要做兩級保護；假如設備的耐壓水平較低，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最大持續耐壓Uc(rms）指可連續施加在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，其值可從優選值的列表中選取，應大于限制電壓的最高值。

⑺電壓開關型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，一般在設備前端，用來保護后續設備，防止雷電波從信號線路涌入損傷設備。

1）電壓保護水平（UP）的選擇

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

在低壓供配電系統裝置中，設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 三相系統各種設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 不發生實質性破壞而能通過規定次數(一般為20 次)、規定波形（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 不發生實質性破壞；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。