高效浪涌保护器解决电气设备问题

浪涌保护器（Surge Protective Devices，SPD）又称为电涌保护器，是通过抑制瞬态过电压及旁路浪涌电流来保护设备的装置，它至少含有一个非线性元件。

在通信局（站），SPD用于各类通信系统对雷电和操作过电压的防护。

1.SPD分类

1）开关型（间隙型）浪涌保护器

开关型（间隙型）浪涌保护器是无浪涌时呈高阻状态，对浪涌响应时突变为低阻的一种SPD。常用器件有气体放电管、放电间隙等。

气体放电管的结构是在陶瓷或玻璃（多为陶瓷）管内安装电极，电极之间充有惰性气体，如氩或氖。器件平时阻抗很高，当外加电压达到击穿电压时，气体放电，变为低阻，在弧光放电状态管压降可低至10～30 V，浪涌电压消失后电弧熄灭。气体放电管的缺点：一是击穿电压值与浪涌电压的上升率有关；二是浪涌电压消失后，如果工作电压较大，可能存在后续电流。气体放电管常在低压三相交流电源防雷的“3+1”保护模式中用做零线（N）与保护地线（PE）间的SPD。

2）限压型浪涌保护器

限压型浪涌保护器是无浪涌时呈高阻状态，但随着浪涌的增大，其阻抗不断降低的SPD，常用器件有氧化锌压敏电阻、瞬态抑制二极管等。

压敏电阻（MOV）是一种以氧化锌（ZnO）为主要成分的金属氧化物半导体过电压抑制器件，是典型的限压型浪涌保护器。

压敏电阻的伏安特性正负对称，其图形符号与伏安特性曲线如图9-24所示。当压敏电阻两端的电压小于标称导通电压时，电流很小（μA数量级），呈现近似开路状态；当所加电压大于标称导通电压时，压敏电阻击穿导通，呈低阻状态，它能泄放大量的雷电流，对过电压起到抑制作用。过电压消失后，压敏电阻立即恢复到原来的高阻状态。

压敏电阻具有非线性特性好、通流容量大、常态泄漏电流小、残压水平低、动作响应快（一般为几十纳秒）和无后续电流等诸多优点。氧化锌压敏电阻日前已被广泛应用于各类电路。如图9-24（a）所示的图形符号为雷电防护器件，在通信电源设备中主要用于防1 kA雷电。其缺点是长期运行后会老化，使标称导通电压降低。

图9-24　压敏电阻的图形符号与伏安特性曲线

压敏电阻泄放雷电流时，虽然允许通过的电流脉冲幅值很大（kA级），但持续时间很短（数十至数百微秒）。在电源设备中，假如并未遭受雷电侵袭而压敏电阻烧坏，可能是电网电压太高或存在尖峰电压，或者压敏电阻劣化，使得交流电压每周期中都有部分时间的瞬时值超过压敏电阻的标称导通电压，导致压敏电阻长期有电流通过而发热损坏。

3）混合型浪涌保护器

混合型浪涌保护器是由开关型和限压型器件混合组成的SPD。

2.SPD的参数

1）标称导通电压

在施加恒定1 mA直流电流情况下，氧化锌压敏电阻的启动电压称为标称导通电压，又称为压敏电压，常用Un或U1mA来表示。

用于低压交流供电系统的限压型SPD，其标称导通电压Un宜按下式选取：

式中，U为最大运行工作电压有效值。

相线对地（或视具体情况对零线）也可采用标称导通电压600 V的限压型SPD。

2）标称放电电流In

标称放电电流In是表明SPD通流能力的指标，对应于8/20 μs模拟雷电波的电流峰值。

In的优选值系列为2、3、5、10、15、20、25、30、40、50、60、80，单位符号为kA。

3）最大通流容量Imax

最大通流容量（又称冲击通流容量）Imax是SPD不发生实质性破坏，每线（或单模块）能通过规定次数、规定波形（8/20 μs）模拟雷电波的最大电流峰值。最大通流容量一般大于标称放电电流的2.5倍。

Imax的优选值系列为5、10、15、20、30、40、50、60、80、100、120、150、200，单位符号为kA。

选择较大通流容量的SPD可以获得较长的使用寿命。例如，压敏电阻元件在同样的10 kA模拟雷电流（8/20 μs）下测试，通流容量为135 kA的元件，其寿命为1000～2000次；而通流容量为40 kA的元件，寿命仅为50次左右。

根据我国有关通信行业标准，SPD按冲击测试电流等级分类，分为T型（特高通流容量）、H型（高通流容量）、M型（中等通流容量）和L型（低通流容量）。限压型电源用SPD冲击测试电流等级分类（见表9-2）。

表9-2　限压型电源用SPD冲击测试电流等级分类

4）SPD残压Ures

残压Ures是雷电电流通过SPD时，其端子间呈现的电压峰值。

5）限制电压(www.xing528.com)

限制电压是施加规定波形、幅值和次数的冲击时，在SPD端子间测得的残压的最大值。

电源用限压型SPD的限制电压，B级防雷SPD宜不大于2 kV，C级防雷SPD宜不大于1.3 kV，D级防雷SPD宜不大于1 kV。

虽然SPD的残压量值可观，但它加在设备上的时间很短，因此一般不会造成设备损坏。IEC标准对不同设备的耐受脉冲电压要求与可以实现的SPD残压比较，如图9-25所示。

图9-25　对不同设备的耐受脉冲电压要求与可以实现的SPD残压比较

6）最大持续运行电压Uc

最大持续运行电压Uc是SPD在运行中能持久耐受的最大直流电压或工频电压有效值。

Uc的优选值系列为45、52、75、85、150、175、275、320、385、420、460、510、600，单位符号为V。

3.SPD的使用要求

（1）通信局（站）内使用的浪涌保护器应经防雷产品质量检测部门测试合格。

（2）通信局（站）的通信电源系统应采取适当、有效的雷电过电压分级保护措施。在使用分级保护时，各级浪涌保护器之间应保持必要的退耦距离或增设退耦器件，以确保各级浪涌保护器协调工作。氧化锌SPD与氧化锌SPD之间的退耦距离（电缆长度）应不小于5 m前后两级SIPD之间如果导线长度太短，则导线的分布电感很小，当遇到雷击时，由于两级SPD间的导线对雷电流的阻抗（感抗）太小，有可能前级通流容量较大的SPD未发挥应有的泄放雷电流作用，而后级通流容量较小的SPD被烧坏。

（3）通信局（站）站低压三相交流电源SPD的连接方式：当采用TN-S供电系统时，既可使用四线对地连接方式，又称“4+0”保护模式，即相线和零线分别对地用限压型SPD保护，也可使用“3-1”连接方式，又称“3+1”保护模式，即三相分别对零线用限压型SPD保护，零线对地用气体放电管保护；当采用TT供电系统时，应使用“3+1”保护模式。两种保护模式SPD的连接如图9-26所示。

图9-26　低压三相交流电源浪涌保护器连接示意图

TT系统单相供电时，SPD应采用“1-1”连接方式，即相线对中性线用限压型SPD保护，中性线对地用气体放电管保护。

（4）为了防止电源SPD发生故障时影响通信系统的正常供电和引起火灾事故，在电源SPD的引接线上应串接保护空气开关（或保险丝）。保护空开（或保险丝）的标称电流不应大于前级供电线路空开（或保险丝）的1/1.6倍。保护空开应使用质量可靠、符合防雷要求的产品。

（5）电源第一级（B级）使用的箱式SPD应具有劣化指示、损坏告警、热熔保护、过流保护、保险跳闸告警、遥信等功能，并可根据实际需要选择雷电记数功能

（6）电源第一级（B级）使用的模块式SPD应具有劣化指示、损坏告警、热熔保护、过流保护、遥信等功能，并可根据实际需要选择雷电记数功能。

模块式限压型SPD正常时显示窗为绿色；若显示窗变为红色，则说明已失效，应及时更换。

电源SPD串接的保护空开在通过较大雷电流后，可能会产生跳闸现象。虽然空气开关的跳闸不影响浪涌保护器对本次雷击的防护作用（雷电脉冲的持续时间远小于开关的动作时间），但开关跳闸后使SPD从供电线路中脱离，造成系统对后续雷击失去保护。这个问题对处于雷电活动较强地区的无人值守局（站）影响较大。因为无人值守，空开跳闸后不能立即发现和恢复。因此，多雷地区的无人值守局（站）第一级交流浪涌保护器应具有遥信功能，并通过动力环境监控系统将其工作状态传回监控中心。值班人员发现SPD串接的空开跳闸后应及时通知维护人员前往恢复。

（7）严禁将C级40 kA模型SPD进行并联组合作为80 kA或120 kA的SPD使用。其理由：一是并联的各SPD模块启动电压难以完全一致，工作时将造成全部雷电流集中在先启动的模块上，引起器件损坏；二是模块式SPD的过流、过热保护机构不能并联使用。

（8）选用限压型SPD时，要关注SPD的标称导通电压、标称放电电流、最大通流容量、残压、限制电压等多个参数，进行合理选择。

（9）YD 5098—2005等标准规定：间隙型或间隙组合型浪涌保护器不得在通信局（站）使用。

4.电源SPD的安装

（1）根据YD/T 1429—2006，电源用SPD的引接线及接地线截面面积应符合表9-3的要求。材料为多股铜芯绝缘线。

表9-3　电源SPD引接线和接地线选择表

（2）箱式SPD应安装在被保护设备附近的墙上或靠近被保护设备的其他地方，其电源引线和接地线长度均应＜1.5 m。

（3）模块式SPD应尽量安装在被保护设备内，若无法在设备内安装，可将SPD安装在箱内。模块式SPD的电源引接线长度应＜1 m，接地线长度应＜1.5 m。模块式SPD和空气开关一般固定在宽35 mm的标准导轨上，再将导轨固定在设备内。

（4）交流电源SPD必须安装在设备的交流输入端。宜采用凯文接线方式连接。凯文接线法与传统接线法的示意图如图9-27所示。

图9-27　凯文接法与传统接法示意图

（5）电源SPD的引接线和接地线应布放整齐，绑扎固定且松紧适中；走线应短直，不得盘绕，避免出现V形和U形弯，弯曲角度不得小于90°。

（6）SPD的引接线和接地线必须通过接线端子或铜鼻连接牢固，防止雷电流通过时产生的线芯收缩造成连接松动。铜鼻和缆芯连接时，应使用液压钳紧固或浸锡处理。

（7）SPD安装好后，应检查空开或熔断器与SPD的接线是否可靠，用手扯动确认接线可靠后将空开合上或接入熔丝。对箱式SPD还应查看其指示灯是否显示正常。