1、1电涌保护器应用常识南通信达电器有限公司 摘要：介绍 SPD 主要技术参数，应用 SPD 抑制异常过电压的种类，低压配电系统 SPD的选用建议。产品现状及发展动态。叙词：介述、参数、选用、现状。随着国民经济的不断发展，现代化水平的快速提高，在信息化带动工业化的指引下，各类信息设备、电子计算机、精密仪器、数据网络设备的应用越来越广泛，此类设备一般工作电压低、耐压水平低、敏感性高、抗干扰能力低，因而极易受到雷电电流脉冲的危害。据中国气象局防雷办对我国不同气候区域的 23 个省（市）的不完全统计，全国大多数城市的年雷暴日并没有明显的增加，雷电造成的灾害越来截止多，其危害程度、千百万的经济损失、社会影
2、响越来越大，1999 年发生的雷电灾害比 1998 年增加 27%，2000 年又比 1999 年增长 38%。给人类造成巨大的直接经济损失，而因重要设备损坏使网络陷入瘫痪而造成的间接损失更是惊人，已引起国内相关领域对此类系统加强保护的高度重视。近年来， “SPD”这个名词已越来越多地被专业研究、产品制造及工程设计的人们所提到。作为雷电防护装置体系中的重要组成部分， “SPD”已被广泛用于邮电通讯、广播电视、金融证券、保险、电力、铁道、交通、机场、石化、市政建设等各个行业。可以毫不夸张地说，凡是装有 IT 设备的场所，就有应用 SPD 的必须。那么 SPD 究竟是一种什么产品呢？SPD 有哪些
3、功能呢？SPD 是如何选择应用的呢？在这里我们着手用尽可能通俗的语言向各位介绍一些有关SPD 产品的基础知识。希望对那些尚未接触过 SPD 或对 SPD 知之甚少而又想掌握 SPD 知识，并进而使用 SPD 产品的读者有所收益。一、 什么是 SPD（SPD 介述）SPD 这一名词英语全称是 surge protectiye device 其译意为电涌保护器，是限制雷电反击、侵入波、雷电感应和操作过电压而产生的瞬时过电压和泄放电涌电流（沿线路传送的电流、电压或功率的暂态波。其特性是先快速上升后缓慢下降）的器件。一端口 SPD 与被保护电路并联，能分开输入和输出端，在这些端子之间设有特殊的串联阻抗
4、；二端口 SPD 有两组输入和输出端子，在这些端子之间有特殊的串联阻抗；电压开关型 SPD在没有电涌时具有高阻抗，有电涌电压时能立即变成低阻抗，电压开关型SPD 常用的元件有放电间隙、气体放电管、闸流管（硅可控整流器）和三端双向可控硅开关元件。这类 SPD 有时也称“短路型 SPD”；电压限制型2SPD 在没有电涌时具有高阻抗但随着电涌电流和电压的上升其阻抗将持续地减小。常用的非线性元件有压敏电阻和抑制二极管，这类 SPD 有时也称为“箝位型 SPD”；复合型 SPD 是由电压开关型元件和电压限制型元件组成的，其特性随所加电压的特性可以表现为电压开关型、电压限制型或两者皆有。无限流元件的 SP
5、D 在信息线路中的使用只有一个或数个用于限制过电压的元件，而无限流元件；有限流元件的 SPD 在信息线路中使用既有限制过电压的元件，又有限流元件。SPD 限压元件可分为电压开关型（如图 1.1）和限压型(如图 1.2)：图 1.1 电压开关型 SPD图 1.2 电压限制型 SPD3图 1.3 一端口 SPD图 1.4 多端口 SPDSPD 需通过 I、和级试验。SPD 有户内型、户外型、易触及的、不易触及的（碰不到的） 。固定安装方式及移动式的。二、 应用 SPD 抑制异常过电压的种类通常将超过设计规定的正常工作电压上限值的电压称为“异常过电压”简称“过电压” 。它是 SPD 的工作对象，如果
6、没有过电压也就没有 SPD 的生存价值了。因此要了解 SPD 就必须对过电压有个基本了解。过电压将对电气或电子装置中的电路、元器件造成直接破坏，这种破坏依据其严重程度大至可分为以下四种情况。1、使设备、装置短时间工作错乱。2、造成潜故障，使得电路和器件的性能下降，寿命缩短，提前失效。3、造成电路或器件的永久性损坏。4、导致起火、触电等安全事故。异常过电压可能是外来的，也可能是设备、装置内部自生的。外侵过电压的侵入途径，可以通过导线、电路、管道传导进入；也可以通过静电感应、电磁感应侵入。过电压的出现可能是有规律性的、周期性的。但更多的则是随机的。因此在大多数情况下，很难准确在把握它，异常过电压依
7、据其成因的不同，可以分为雷击过电压、操作过电压、静电和暂态过电压等。下面作分类介绍：1)雷击过电压：雷云直接对设备、装置放电时，设备装置所承受的是“直击雷过电压” ，这种情况发生概率少，而通常所说的雷击过电压是指“感应过电压” 。当雷击对地面某一点放电时，通常在它周围方园 1.5km范围内的导线、导体中都会有一定幅值的瞬态电压产生。而产生这种冲击电压的主要机理如下：4 雷云对附近地面的物体放电，或在附近云层中放电，产生的电磁场 会在供电系统的线路导体中产生感应电压。 附近云地之间放电所产生的入地电流。耦合到接地网的公共接地阻抗上，在接地网的长度和宽度方向上产生电压差。 若雷击时，变压器一次侧的
8、的避雷器动作，一次侧电压快速跌落。这种快速跌落通过变压器的电容耦合传送到二次侧。迭加在通过正常变压器耦合的电压上，形成二次侧冲击电压。 雷电直接击中高压一次侧线路，向一次侧线路注入极大的电流，这种大电流流过接地电阻或一次侧导体的冲击阻抗。都会产生高电压，一次侧的这种高电压又可通过电容耦合和正常的变压器耦合，在低压交流电源线路中出现。 雷电直接击中二次侧线路，极大的电流和由这种电流所产生的极高电压远远超过设备本身和接在二次侧线路中的保护器件的承受能力。为模拟雷电冲击，国际上规定“1.2/50”电压波为标准雷电压波（其波前时间为 1.2s，波尾下降到半峰值的时间为 50s。 ） “10/350”电
9、流波为半径传导衰减的雷电流波；“8/20”电流波为经传导衰减的感应雷电流波。雷电冲击波的特点持续时间短，但峰值高。雷电流的波形由图 3.1 描述:由纵轴上的 0.1、0.9 和 1.0三个刻度作三条横轴的平行线，前两条平行线分别与波形曲线的上升沿相交于 A、B 两点，过A、B 两点作一条直线，该直线与第三条平行线和横轴分别相交于 C、D 两点，由 C 点引横轴的垂线，其垂足 E 点与 D 点之间的时间即定义为波头时间，用 t1表示。再由纵轴上 0. 5 刻度作横轴的平行线，该平行线与波形曲线的下降沿相交于 F 点，从 F点引横轴的垂线，垂足 G 点与 D 点之间的时间定义为半幅值时间，用 t2
10、表示，在定义了波头时间和半幅值时间后，单极性雷电流脉冲波形可计为t1/ t2，这 t1和 t2一般采用 s 作单位。2)操作过电压是指电路中的断路器、隔离开关、继电器、可控硅开关等通断转接时，在系统电路中、电路对地以及开关两端所产生的过电压。5产生操作过电压的原因是由于线路及其中的元器件都带有电感和电容，储存在电感中的磁能和储存在电容中的静电场能量，在电路状态突变时产生的能量转换，过渡的振荡过程，由振荡而出现过电压。操作过电压的持续时间比雷击过电压长，比暂态过电压短，在数百微秒到 100mS 之间，并且衰减很快。3)众所周知，在天气干燥的冬天，人体与衣服间的磨擦会使人体带电，当带电的人与电子产
11、品接触时，就会对电子产品（如手机）放电，这是一种典型的静电放电，静电放电的特点是电压很高，但时间很短，为纳秒级。IEC61000-4-2 规定的模拟接触静电放电的电压，等级为 2kv8kv，相应的电流峰值为（7.530）A。 4)暂态过电压是指当电力系统发生接地故障，切断负荷或谐振时所产生的相-地，或相-相间的电压升高，它的特点是持续时间比较长（0.1S60S，与系统的保护方式有关） 。暂态过电压的幅值随供电系统的接地方式而异，接地电阻大的系统，暂态过电压倍数就大。表 3.1 给出了一组供电系统内部过电压倍数 K 的统计数字。过电压倍数 K 的定义是内部过电压的峰值与系统的最高运行相电压峰值之
12、比。表 3.1 供电系统内部过电压倍数 K暂态过电压 操作过电压过电压名称 K 过电压名称 K单相接地故障 1.11.3 切断电感性负载 14.0甩负荷 1.21.3 合闸空载线路(包括重合闸) 13.5电弧接地 13.5 切断空载线路 13.5谐振 13.5 合空载变压器 12.0此外，在实用中，还可能碰到所谓“错电”事故，即设计用于 110V电源的设备错误地接入 220V 的系统中，或设计用于 220V 电源的设备错误地加上 380V 电压等，这样所引起的过电压，不仅是接入电压的峰值，还有过渡过程的震荡性电压。总之，异常过电压成因复杂，持续时间和电压、电流的强度差异极大因此防护异常过电压有
13、时是个复杂而困难的任务。一般来说压敏电阻器是防护持续时间较短的静电，雷击过电压和操作过电压的“瞬态”过电压保护器，对于持续时间较长的暂态过电压只能用熔断器，断路器等器件来防护。三、 SPD 产品的主要术语定义SPD 产品的术语很多，其中主要有以下几个术语较常用1、 标称放电电流 In：流过 SPD 具有 8/20 波形的电流峰值。用于6级试验的 SPD 分级以及 I 级、级试验的 SPD 的预处理试验。2、 最大放电电流 Imax：流过 SPD 具有 8/20 波形电流的峰值，其值按级动作负载的程序确定。I max大于 In。3、 冲击电流 Iimp：由电流峰值 Ipeck和电荷量 Q 确定，
14、其试验应根据动作负载试验的程序进行，是用于 I 级试验的 SPD 分类试验。4、 最大持续工作电压 Uc：允许持久施加在 SPD 上的最大交流电压有效值或直流电压。5、 电压保护水平 Up：表征 SPD 限制接线端子间电压的性能参数，其值可从优选值的列表中选择，该值应大于限制电压的最高值。6、 限制电压：施加规定波形和幅值的冲击电压时，在 SPD 接线端间测得的最大电压峰值。7、 残压：放电电流流过 SPD 时，在其端子间的电压峰值。8、 SPD 的脱离器：当 SPD 失效时，把 SPD 从电源系统断开所需的装置。9、 持续运行电流：在对 SPD 加上 Uc时，流入 SPD 保护元件的电流和流
15、入与其并联的内部电路的电流之和。10、 续流 If：当 SPD 放电动作刚结束瞬间，流过 SPD 的由供电电源提供的工频电流。11、 插入损耗：在特定的频率下，连接到给定供电系统的 SPD 插入损耗是指试验时，插入 SPD 之前和以后，出现在横跨干线紧靠插入点之后的电压比，对信息线路用 SPD 而言，插入损耗是在传输系统中接入 SPD 前后传输系统的功率之比值。用 dB（分贝）表示。12、 比特差错率 BER：在一给定的时间内，信息传输系统中不正确地传输比特数与总传输比特数之比。13、 SPD 的频率范围 fG：连接至信号线路的 SPD 在接入线路后，能产生能量损耗，规定在 3dB 的插入损耗
16、下，取起始频率至截止频率为用于信号线路 SPD 的频率范围。14、 SPD 的数据传输速率 bPS：用于信息线路的 SPD 在接入网络系统后应不影响系统传出的上限数据传输速率，用 1s 内传输比特值bPS 表示，即 bPS/S。15、 回波损耗 AR：在高频工作条件下，前向波在 SPD 插入点产生反射的能量比，它是衡量 SPD 与被保护系统的波阻抗匹配程度的一个参数。AR 是反射系数倒数的一个模量，单位为分贝（dB） 。当阻抗可确定时，可从下列公式确定 AR：AR=20lgMOD(Z1+Z2)/( Z1- Z2)7式中：Z 1：阻抗不连续点之前传输线的特性阻抗或源阻抗。Z2：不连续点之后的特性
17、阻抗或从源和负载间的结合点所测到的负载阻抗。MOD 是阻抗模的计算。16、 近端交扰 NEXT：交扰在干扰通道中的传播方向与电流在干扰通道中的传播方向相反。持续近端交扰的干扰通道端口通常与干扰通道的供能端接近或重合。17、 I 级分类试验：对试品进行标称放电电流 In，1.2/50s 冲击电压和最大冲击电流 Iimp的试验，I imp的波形为 10/350s。18、 级分类试验：对试品进行标称放电电流 In，1.2/50s 冲击电压和最大放电电流 Imax的试验。I max的波形为 8/20s。19、 级分类试验：对试品进行混合波（1.2/50s，8/20s）试验。I 级分类试验用于模拟导入的
18、部分雷电流冲击，经 I 级分类试验的 SPD 一般建议安装在暴露处，如装有防雷装置的建筑物入户处，级和级分类试验用于承受持续时间短的雷击电磁脉冲，此类SPD 一般安装在较少暴露处。四、 低压配电系统 SPD 的选择应用现在的防雷工程技术已进入一个新时期，要考虑雷电的各种物理特性和作用而实施。强大的闪电产生的静电场变化、磁场变化和电磁辐射，在一定范围内造成许多微电子设备的损坏。从前的防雷概念局限于沿着闪电电流或者闪电电压波传输的一维通道来考虑，但到了 20 世纪 80 年代以后则不同了，闪电在一维通道四周的三维空间产生危害。因此防雷工程必须从三维空间来设防。这是一种全新的思维，原来以为一个雷击被
19、避雷针引入大地就达到了防雷的需要，不会出现雷灾。其实却不然，在几公里空间范围内将会有许多单位出现雷灾，甚至损失严重。这是因为，现今的各种电气和电子产品不得不在严重污染的电磁环境中工作。这种污染来自雷电、电气系统操作及故障，还有静电。它们所产生的异常高电压对信息技术产品的危害尤其严重。因为这类产品中大量使用着各种集成电路（IC）,其中元器件的尺寸，导线之间的间距只有几微米，甚至小于 1m。因此作用在它们上面的冲击电压只要稍微比设计值高一点就能使它们损坏。而这种损坏所造成的损失主要不在设备本身，而是因这些信息技术设备停止工作或工作错乱所造成的间接损失。例如一台银行电脑的电源板被雷击感应电压打坏，更
20、换其中损坏的元件可能只是百十元左右，但由于停机或内存资料丢失所造成的损失则无法计算。所以对于现代电子设备，特别是信息技术产品，防护异常过电压是个必须认真解决，丝毫不能马虎的课题。简单8而草率地将 SPD 装置在各种线路中并不意味着最优的保护方案，只有正确地选择、配置、安装才能使 SPD 达到预期的效果，使保护方案成功地付诸实施。SPD 正常发挥效用的前提是将浪涌电压而引起的浪涌电流以最短的途径通过等电位系统接地。电源线、信号线、金属管道等都要通过等电位连接导体或电涌保护器进行等电位连接，各个局部等电位连接排互相连接。并最后与主等电位连接排相连。根据感应原理，电感量越大瞬间电流在电路中产生的电压
21、越高。V=Ldi/dt。而电感量主要与导线长度有关，而和导线截面关系不大。因此应使导线尽可能地短，尽量做到在需保护的区域内，所有导电部件都可认为是有接近相等的电位，因而不存在显著的电位差。1、 电涌保护器配置方案等级的确定：(1)决定系统设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数 NcNc=5.810-3/(C1+C2+C3+C4+C5) 次/年 (1)其中 C1、C2、C3、C4、C5 的取值见表 4.1注：有些专家认为 Nc 应为 5.810-2/( C1+C2+C3+C4+C5)较适合我国国情和居民随能力。(2)根据地区雷暴日 Td，决定地区雷击频度 NgNg=0.24Td1.3次/K年 (2
22、)表 4.1 影响防雷状况和信息系统的重要性的各种因子信息系统的重要性 建筑物防雷状况信息系统重要程度因子 C2系统事故后果因子 C5建筑物材料结构因子 C1信息设备抗冲击能力因子 C3信息设备所处防雷分区因子 C4一般 0.5 无不良后果 0.5 金属 0.5 一般 0.5 LPZ2 0.5C 类基本 1.0不许中断但无严重后果1.0钢筋混凝土1.0 较弱 1.0 LPZ1 1.0B 类较严 2.0不许中断且有严重后果1.5 砖混 1.5 相当弱 3.0 LPZ0B 1.5A 类严格 3.0 砖木 2.0 LPZ0A 2.0木 2.5注：C4 一栏中防雷分区的概念引自 GB5005794（2
23、000 年版）LPZ0A 区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；本区内的电磁场强度没有衰减。LPZ0B 区：本区内的各物体不大可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，但本区内的电磁场强度没有衰减。9LPZ1 区：本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各导体的电流比LPZ0B 区更小；本区内的电磁场强度可能衰减，这取决于屏蔽措施。LPZn+1 后续防雷区：当需要进一步减小流入的电流和电磁场强度时，应增设后续防雷区，并按照需要保护的对象所要求的环境区选择后续防雷区的要求条件。注：n=1、2、。在两个防雷区的界面上应将所有通过界面的金属物做等电位连接，并宜采取屏蔽措施。注：LP
24、Z0A 与 LPZ0B 区之间无界面。(3)根据地区雷击频度 Ng 和建筑物的等效接闪面积决定建筑物年平均接闪次数。N=KAeNg 次/年其中 K地形校正系统，一般情况取 1；旷野孤立的建筑物取 2；金属屋面的砖木结构建筑物取 1.7；河边，湖边，山坡下，山地中土壤电阻率较低10处，地下水露头处，土山顶部，山谷风口，特别潮湿的建筑物等取 1.5Ae建筑物等效接闪面积 KNg地区接闪频度，由（式 2）次/K年建筑物等效接闪面积 Ae 应为其实际面积向外扩大后的面积，其计算方法由公式、决定建筑物等效接闪面积 Ae当建筑物高度 H 小于 100m，Ae=LW+2(L+W)D+D10 -6 其中 L、
25、W、H 为建筑物的长、宽、高(m)；D 为建筑物的扩大宽度D=H(200-H) 当建筑物高度 H 等于大于 100m,Ae=LW+2(L+W)H+D10 -6 、根据 E=1-Nc/N，按表 4.2 决定需增加的防雷设施的等级、根据表 4.3 确定低压电涌保护器的配置方案表 4.2 防雷设施等级的决定E 需增加的防雷设施的等级E0.98 甲0.98E0.95 乙0.95E0.8 丙E0.8 丁表 4.3 低压电涌保护器的配置方案电涌保护等级 变压器低压侧 级位数 保护模式最大持续工作电压 通流容量甲 设置 SPD 34级 第 1、 2 级共模第 3、4 级全保护 提高 按总雷电流 200KA乙 设置 SPD 23级 第 1、 2 级共模第 3 级全保护 提高 按总雷电流 200KA丙 设置 SPD 23级 共模 适当提高 按总雷电流 150KA丁 不规定 12级 共模 按规定 按总雷电流 100KA在甲级防雷方案中，第一级应在电源线进入建筑物处，第二级一般在楼层配电箱处，在进入机房处装设第三级，最后在专用电源设备(UPS)负载端或重要设备电源端装设第四级。在乙级防雷方案中，除不设第四级外，其余均同 A 级。在丙级防雷方案中作三级配置，方法同 B 级。
