浪涌保護(hù)器分析及分類

分析

引言

    雷電災(zāi)害是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，全世界每年因雷電災(zāi)害造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)。隨著電子、微電子集成化設(shè)備的大量應(yīng)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(zāi)害防護(hù)問題顯得十分重要。

隨著相關(guān)設(shè)備對(duì)防雷要求的日益嚴(yán)格，安裝浪涌保護(hù)器(Surge ProtectionDevice,SPD)抑制線路上的浪涌和瞬時(shí)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(yīng)、線路浪涌、地電位反擊、雷電波入侵以及電磁與靜電感應(yīng)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(gè)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(yīng)的雷電流或浪涌電流泄放入大地，從而保護(hù)建筑物內(nèi)人員和設(shè)備的安全。

雷電的特點(diǎn)是電壓上升非?？欤?0μs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(shí)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(hù)中不可缺少的一種裝置，其作用是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)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)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)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(shí)過電壓時(shí)呈現(xiàn)高阻抗，一旦響應(yīng)雷電瞬時(shí)過電壓，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?，允許雷電流通過，也被稱為“短路開關(guān)型SPD”。

⑵限壓型SPD。當(dāng)沒有瞬時(shí)過電壓時(shí)，為高阻抗，但隨電涌電流和電壓的增加，其阻抗會(huì)不斷減小，其電流電壓特性為強(qiáng)烈非線性，有時(shí)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(jí)泄放的方法，將雷擊能量逐步泄放到大地。在直擊雷非防護(hù)區(qū)（LPZ0A）或在直擊雷防護(hù)區(qū)（LPZ0B）與第一防護(hù)區(qū)（LPZ1）交界處，安裝通過Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器或限壓型浪涌保護(hù)器作為第一級(jí)保護(hù),對(duì)直擊雷電流進(jìn)行泄放，或者當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時(shí)，將傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放。在第一防護(hù)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(hù)器，作為二、三級(jí)或更高等級(jí)保護(hù)。第二級(jí)保護(hù)器是針對(duì)前級(jí)保護(hù)器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護(hù)設(shè)備，在前級(jí)發(fā)生較大雷擊能量吸收時(shí)，仍有一部分對(duì)設(shè)備或第三級(jí)保護(hù)器而言是相當(dāng)巨大的能量，會(huì)傳導(dǎo)過來，需要第二級(jí)保護(hù)器進(jìn)一步吸收。同時(shí)，經(jīng)過第一級(jí)防雷器的傳輸線路也會(huì)感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射。當(dāng)線路足夠長(zhǎng)時(shí)，感應(yīng)雷的能量就變得足夠大，需要第二級(jí)保護(hù)器進(jìn)一步對(duì)雷擊能量實(shí)施泄放。第三級(jí)保護(hù)器對(duì)通過第二級(jí)保護(hù)器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐壓等級(jí)，假如兩級(jí)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(jí)保護(hù)；假如設(shè)備的耐壓水平較低，可能需要四級(jí)甚至更多級(jí)的保護(hù)。

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(yīng)和雷電傳導(dǎo)的波形。

⑵標(biāo)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(hù)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(yīng)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(hào)線路SPD

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

1）電壓保護(hù)水平（UP）的選擇

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

在低壓供配電系統(tǒng)裝置中，設(shè)備均應(yīng)具有一定的耐受電涌能力，即耐沖擊過電壓能力。當(dāng)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(shí)，可按IEC 60664-1 和GB 50057-1994（2000 版）的給定指標(biāo)選用。

2）標(biāo)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(duì)SPD 做II 級(jí)分類試驗(yàn)，也用于對(duì)SPD 做I 級(jí)和II 級(jí)分類試驗(yàn)的預(yù)處理。

事實(shí)上，In 是SPD 不發(fā)生實(shí)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(jí)分類試驗(yàn)。Imax 與In 有許多相同點(diǎn)，他們都是用8/20 μs 電流波的峰值電流對(duì)SPD 做II 級(jí)分類試驗(yàn)。不同之處也很明顯，Imax 只對(duì)SPD 做一次沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)后SPD 不發(fā)生實(shí)質(zhì)性破壞；而In 可以做20次這樣的試驗(yàn)，試驗(yàn)后SPD 也不能有實(shí)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。