浪涌防护器及应用–完美保护你的电器设备

SPD在正常情况下呈现高阻状态，当电路遭遇雷击或出现过电压时，SPD可以在亚纳秒级时间内实现低阻导通，瞬间将能量泄放入大地，同时将过电压控制到一定水平。当瞬态过电压消失后，SPD会立即恢复到高阻状态，熄灭在过电压通过后产生的工频续流。

1.浪涌防护器（SPD）的主要性能及其指标

（1）最大持续运行电压V_c

在220/380V三相系统中，选择SPD的最大持续运行电压V_c应依据不同的接地系统类型来选择，见表4-3。

表4-3 最大持续运行电压V_c

注：V_c为最大持续运行电压；V_O为相线中性线间的标称电压。在220/380V三相系统中，V_c=220V；V为线间电压，V=380V。共模保护（MC）指的是相线对地和中性线对地的保护；差模保护（MD）指的是相线对中性线间的保护，其对TT系统和TN-S系统是必需的。

照明配电系统一般采用TN-S系统，所以SPD的最大持续运行电压V_c≥1.15V_O，故应选用275V的SPD。

（2）冲击电流I_imp

冲击电流I_imp反映了用于电源第一级保护的SPD的耐直击雷能力（采用10/350μs波形）。采用10/350μs波形模拟了雷电流幅值I_peak和雷电流的电荷量Q=0.5I_peak，其值可根据建筑物防雷等级和进入建筑物的各种设施（导电物、电力线、通信线等）进行分流计算。

（3）标称放电电流I_n

采用8/20μs波形的峰值电流对SPD做Ⅱ级分类实验或做Ⅰ级分类实验的预处理。对于Ⅰ级分类实验I_n不小于15kA，对于Ⅱ级分类实验I_n不小于5kA。

（4）最高保护水平V_p或V_sp

V_p或V_sp为在标称放电电流（I_n）下的残压，又称SPD的最大钳制电压。对于电源保护器而言，可分为一、二、三、四级保护，保护级别决定其安装位置，在电子系统中保护级别需与被保护系统和设备的耐压能力相匹配。

（5）残压峰值V_res

由于放电电流而在SPD端子间呈现的电压峰值。

2.浪涌防护器（SPD）的选择

浪涌防护器（SPD）的选择是个较复杂的过程，需要考虑多种综合因素。虽然国家有一定规范，但国内外的文献中选择SPD的方法不尽相同，对用于电源进线保护的SPD保护器最大放电电流I_max由以下特点而定：

①确定是否在建筑物或其附近安装避雷器。如果安装有避雷器，再视其与建筑物距离的关系，若距离大于50m，则不装电源进线SPD。

②视建筑物的类型和地区，是楼群多的地方，还是少的地方，或是大工业区，或是小型工业区还是农村等。

③若是第三产业区或工业区，主要应考核供电要求是否严格，供电的连续性要求是否高等。

④建筑物处在雷暴日的范围，如处在25天/年，25～50天/年等，与雷暴日的年发生次数有关。（雷暴日：指一年中发生雷电的次数）。

⑤根据①～④选择的SPD的I_max（kA），并考虑不同的电源供电形式，综合考虑选择不同的SPD。在考虑了SPD的I_max的同时，还应考虑其耐压能力。其耐压能力应符合下式的要求：

式中，V_choc为被保护设备的冲击耐受电压值；V_smax为接地系统类别和电网的最高运行电压；V_p为浪涌防护器的电压保护水平。

3.浪涌防护器（SPD）的接线

①根据IEC 60364-4中的有关规定，220/380V三相配电系统的设备耐冲击过电压额定值见表4-4。

根据表4-4，可以确定建筑物的配电设备的冲击耐压定为4kV，控制室内的设备定为1.5kV，那么所选SPD的V_p均必须小于相应的冲击耐压。

表4-4 220/380V三相配电系统设备耐冲击过电压额定值

②V_c的选择。在220/380V三相系统中选择SPD的最大持续运行电压V_c应依据不同的接地系统类型来选择。若建筑物的配电系统采用TN-S制，所选的SPD最大持续运行电压V_c≥1.5V_O，故选用275V的SPD。

③SPD选用全保护模式，即具有L（相线）-PE（保护线）、L-N（中性线）及N-PE线间的全面保护，全保护可以保障无论雷电过电压发生哪个线间，都会有效保护电子设备。同时，具有全保护的SPD可以一起启动泄放能量，避免了因没有采用全面保护措施系统中，因SPD启动上的差异而造成的破坏，从而延长了SPD的寿命。

④响应时间的选择，选用的SPD的响应时间要快，一般要求其响应时间应不大于25ns。

⑤SPD通流容量有10～480kA等级别。对于重要场合，其电源进线侧的SPD采用65kA，分配电柜采用8kA的SPD等。

⑥SPD工频过电压范围的选择，即必须有效保证不会因工频过电压而烧毁SPD。因为SPD是防止瞬态过电压（μs级）的，是属于暂态过电压，而工频过电压（ms级）的能量是瞬态过电压的能量的几百倍，会烧毁SPD。因此应选择较高工频工作电压的SPD。

⑦使用寿命。选用耐反复冲击次数高的SPD，在通过标称放电电流时，SPD可使用20次不损坏；在通过最大放电电流时，可使用1次或2次不损坏。

⑧可维护性好。在SPD的面板上带有绿色和红色指示，可显示SPD的各种状态：绿色为正常，红色表示已损坏。

⑨耐湿性能。因为潮湿的环境可导致SPD特性的变化，在设计选用时应考虑其工作环境是否符合要求（太湿的环境应考虑定时去湿）。

⑩价格因素。应选择技术性价比较高的产品，并利用保护级间的合理配置来提高被保护系统的整体性能。因为冲击通流容量较小的SPD，一般价格远低于冲击通流容量大的SPD。

4.SPD配置方案

雷电会在配电线路上感应雷电过电压，它可能是相线对地、中性线对地或是相线与中性线间感应过电压，而不同的配电系统中SPD的安装方法是不一样的。TN系统一般采用相线及中性线分别对地加装过电压型SPD的方式，TT系统一般为相线分别对中性线加装过电压型SPD，中性线对地采用放电间隙SPD。

采用TN配电系统的SPD的安装方式如图4-14所示。TT配电系统的SPD安装方式如图4-15所示。SPD全模式接线方式如图4-16所示。保护较重要的场合应采用全模式接线。SPD的全模式接线方式的优点是均衡节点电压，多路分流，使浪涌防护器残压更低。

图4-14 TN配电系统的SPD的安装方式

图4-15 在TT配电系统的SPD的安装方式

在较重要的电子设备或仪器中，单相负载的接线也可以考虑利用全模式方式接线。SPD的安装应满足以下要求：

①SPD两端的引线应做到最短。当出现雷击时，被保护设备和系统所受到的浪涌电压是SPD的最大钳压加上其两端引线的感应电压，即V=V_L1+V_P+V_L2，如图4-17所示。

由于雷击电磁波是一种高频电磁波，会在引线高频阻抗上感应出很高的电压，为使最大浪涌电压足够低，其两端的引线应做到最短，总长不应超过0.5m。因此，在工程设计时，配电柜生产厂应注意这点。考虑到进线母线在柜顶，将SPD装于配电柜的上部，并与柜内最近的接地母线连接。

②两极保护。考虑到高层楼房的设备离中间层进线端的SPD之间的距离较远（两者间距大于30m），且计算机中心机房等处有大量的敏感设备，SPD的电压保护水平V_P加上其两端引线的感应电压，以及反射波效率不足以保护这些敏感设备，所以应利用级联技术，在顶楼的分配电柜和上述机房的配电柜内再装设一级SPD，通流容量为8kA。特别重要机房处SPD的通流容量为1.2kA。

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图4-16 SPD的全模式接线方式

图4-17 SPD的安装图

③两级SPD的间距。在线路上多处安装了SPD时，应使上一级SPD的参数高于下一级参数。为了使上级SPD泄放更多的雷电能量，必须延迟雷电波过早地到达下级SPD，否则下级SPD过早启动，会遭到过多的雷电能量而不能保护设备，甚至烧毁。为此上、下级SPD之间需要合理的配置，一般的线路长度不宜大于15m，限压型SPD之间的线路长度不宜大于5m。如控制中心与配电中心的距离较近时，在线路敷设上可有意地增加导线长度。

④SPD的保护。为了防止SPD因各种因素损坏或由于暂态过电压而烧毁，SPD每级都应设置保护装置。可采用断路器或熔断器进行保护，保护器的断流容量应大于该处最大短路电流。特性曲线选用C型脱扣曲线，要能耐受SPD浪涌电流的冲击而不损坏。

要实现合理地选用和安装SPD器件，必须对工程作一个系统的评估，确定系统和设备需耐受的预期最大的浪涌电流。根据不同的配电系统来选择和安装SPD，在设计中应考虑SPD的参数必须与被保护设备相匹配，选择技术性能高的产品，来保证所保护的设备的安全、可靠地运行。

5.SPD的能量配合

在IEC 61312-3-2000中指出：“如果对0～I_max1（I_peak1）之间的每一个浪涌电流值，由SPD2（第二级保护器）耗散的能量低于或等于SPD2的最大耐受能量（对去耦元件也是如此），则实现了能量的配合。这个最大耐受能量定义为SPD所能耐受的不致引起性能恶化的最大能量，这可以从试验结果获得（在试验中对于Ⅰ级测试采用I_imp值；对于Ⅱ级测试采用I_max值，在不致引起SPD性能恶化通过的最大能量）。

在IEC 61643-1-2005中针对“电压开关型SPD之间的配合及与电压限制型SPD的配合”中指出：去耦元件可采用分立设备，也可采用防雷区界面和设备之间的线缆的自然电阻和电感。此外，标准中还给出了计算公式及结论，开关型与限压型SPD之间线缆长度应为5～10m，限压型SPD之间线缆长度应为3～5m，如达不到时，可串接足够电感量的去耦元件。

因SPD是非线性器件，并且由于结构和性能的不同其各有特点（见表4-5），为了保证响应速度快，特征能量小的器件在工作时通过的能量不超过自身最大承受能量并及时响应，并把余下的更大的能量交换到反应慢但可以承受更大能量的器件上。

表4-5 器件的响应速度及特征能量

图4-18 间隙与SPD配合图

在IEC 61312-3-2000中指出：一个具有不连续伏安特性的组件（开关型SPD，例如放电间隙）后续的SPD为具有连续伏安特性的组件（限压型SPD）的特点是第一个SPD的开关作用，使原来的电流脉冲（10/350μs）的半值时间减小，从而大大减小后续SPD的载荷量（见图4-18）。所以能量配合还可以大大提高限压型SPD的寿命。

目前国内的防雷设计往往没有考虑能量配合，例如采用两级压敏电阻做保护时由于它们属于限压型SPD间的配合，如果没有去耦，则第一级SPD就形同虚设，不会起到保护作用。同时，通过压敏电阻的并联来增大电源保护器的通流量也是不可取的，可以把压敏电阻的并联看作去耦距离为无限短的两级SPD。由于没有能量配合也是无法提高冲击能量。氧化物压敏电阻的非线性及伏安特性的离散性（IEC容许压敏电压有±10%的误差）决定了并联后每增加一倍的数量的器件，SPD的通流量I_n最多增加1.2倍。

6.电源SPD的系统配置

①若电源进线为架空线，则应在电源总配电柜处安装标称通流容量不小于20kA（10/350μs波形）的开关型浪涌保护器，其放电电压V_SG≥4V_c（V_c为最大工作电压）；也可安装标称通流容量不小于80kA（8/20μs波形）的限压型浪涌保护器，其标称导通电压V_n≥4V_c（V_c为最大工作电压）、响应时间≤100ns的浪涌保护器作为一级防护。

②若电源进线为埋地引入电缆且长度大于50m，则应在电源总配电柜处安装标称通流容量不小于60kA（8/20μs波形），标称导通电压V_n≥4V_c（V_c为最大工作电压）、响应时间≤100ns的浪涌保护器作为一级防护。

③在楼层电源的分配电箱上应安装标称通流容量不小于40kA（8/20μs波形），标称导通电压V_n≥3V_c（V_c为最大工作电压）、响应时间≤50ns的浪涌保护器作为二级防护。

④在设备前应安装标称通流容量不小于20kA（8/20μs波形），标称导通电压V_n≥2.5V_c（最大工作电压）、响应时间≤50ns的浪涌保护器作为三级防护。

⑤在重要的电子设备和计算机机房，在UPS（不间断电源）后宜安装标称通流容量不小于10kA（8/20μs波形），标称导通电压V_n≥2V_c（V_c：最大工作电压）、响应时间≤50ns的浪涌保护器作为精细防护。

⑥在二次（直流）电源的设备前宜安装低压直流电源浪涌保护器，其标称通流容量≥10kA（8/20μs波形），标称导通电压V_n≥1.5V_z（V_z：直流工作电压）、响应时间≤50ns的浪涌保护器作为直流电源防护。

为防止电源SPD老化造成短路，电源SPD安装线路上应有过电流保护装置，宜选用有劣化显示功能的电源SPD。供电系统的电源SPD技术性能参数见表4-6。

表4-6 供电系统的电源SPD技术性能参数

注：SPD应有劣化显示和故障自动切除功能。

7.电源SPD与接地汇集排的连接

做好防雷工作，确保设备及人身安全，已被全社会所共识。但如何安装好电涌保护器（以下简称SPD），真正实现防雷的等地电位连接，则是防雷工程的重点。

（1）并联电源SPD与串联电源SPD的区别

①并联电源SPD。是用导线将电源SPD并联于电源相线与地线之间。由于雷电流波随时间的变化率di/dt极大，导线上的分布电感L×di/dt在导线上形成电位差。1m长导线（截面积10mm²）流过1kA的雷电流，约产生0.1kV的电位差。在一般的安装环境下，对并联电源SPD来说，如果连接导线长度为2m（包括接至接地汇集排），假设10kA的电流流过电源SPD，导线电位差为2m×0.1kV/（m·kA）×10kA=2kV，SPD本身的电位差为1kV，这样加在设备端的电位差为2kV+1kV=3kV（见图4-19）。此电压足以损坏设备，所以规定连接并联电源SPD的导线长度应控制在0.5m以内。并联电源SPD应安装多级，且每级之间应有一定的导线距离，如开关型SPD与限压型SPD之间线路长度不宜小于15m，限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m，若达不到上述条件，则应加装退耦元件。否则，接地系统做得再好，设备仍有损坏的可能。

图4-19 SPD残压组成图

②串联电源SPD。串联SPD具有输入和输出接线端子，当雷电波侵入电源线时，SPD回路立即产生释放动作。采用具有滤波泄漏、滤波钳位、钳位稳压电路的SPD产品（见图4-20），可使过电压、过电流得到有效抑制，并使各线路间的电位差基本保持不变，雷击后可自动恢复到正常状态，同时计数器还能记录雷击次数。

图4-20 SPD分级串联图

由于串联电源SPD由多级泄流和钳位组成防护电路，在电源输入端接受20kA冲击下，输出端的电位为1000V以下，所以它是设备理想的过电压、过电流保护装置。

（2）接地汇集排连接方法

①正确连接接地汇集排的方法。在图4-21中，由于两个SPD的放置位置靠近接地汇集排G，所以接地连接“A～G”和“C～G”可以做到最短连接，使地线上电位差最小；设备保护接地线“B～G”虽然较长，但无电流流过，B、G两点电位相等，被保护设备非常安全。

图4-21 正确连接接地汇集排的方法

②错误连接接地汇集排的方法。在图4-22中，由于接地汇集排G靠近电源SPD，电源SPD的接地线“A～G”可以做到足够短，但由于信号SPD远离接地汇集G，造成其接地连接“C～G”较长（可能大于2m以上）。这样当信号SPD泄放雷电流时，将在连线“C～G”上产生较高的对地电位差，使得“C～G”间的电位差大于信号接口的耐压而损坏。其解决的办法是：将网络信号线加长，把信号SPD移至接地汇集C旁，缩短连线“C～G”的长度。

图4-22 错误连接接地汇集排的方法

（3）SPD接地汇集排连接注意事项

①为了做到接地电位相等，被保护设备与SPD必须共用一个接地汇集排。

②为了减小SPD泄放的雷电流在接地引线上形成的电位差，SPD的接地线应尽可能短且粗。

③为了做到被保护设备的地电位与接地汇集排相等，设备的保护接地线不能有电流流过，接地连接可适当加长。

④避雷针（带）引下线和其他干扰电流不能流过设备与SPD用的接地汇集排，以免造成接地汇集排上各连接点电位不相等。