基本介紹
- 中文名：施耐德電涌保護器
- 目的：防止過電壓對用電設備造成損壞
- 適用系統：各種直流電源系統
- 用途：移動通信基站、微波通信局等
基本概述,浪涌保護器,突波,防雷器,分析浪涌保護器,工作原理,浪涌保護器的基本元器件,抑制二極體的技術參數主要有,扼流線圈在製作時應滿足以下要求,SPD的基本電路,分級防護,1、第一級保護,2、第二級防護,3、第三級保護,4、第四級及四級以上保護,
基本概述
浪涌保護器
最原始的浪涌保護器羊角形間隙，出現於19世紀末期，用於架空輸電線路，防止雷擊損壞設備絕緣而造成停電，故稱“浪涌保護器”。20世紀20年代,出現了鋁浪涌保護器,氧化膜浪涌保護器和丸式浪涌保護器。30年代出現了管式浪涌保護器。50年代出現了碳化矽防雷器。70年代又出現了金屬氧化物浪涌保護器。現代高壓浪涌保護器，不僅用於限制電力系統中因雷電引起的過電壓，也用於限制因系統操作產生的過電壓。
突波
浪涌也叫突波，顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質上講，浪涌是發生在僅僅幾百萬分之一秒時間內的一種劇烈脈衝，。可能引起浪涌的原因有：重型設備、短路、電源切換或大型發動機。而 含有浪涌阻絕裝置的產品可以有效地吸收突發的巨大能量，以保護連線設備免於受損。
防雷器
浪涌保護器，也叫防雷器，是一種為各種電子設備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護的電子裝置。當電氣迴路或者通信線路中因為外界的干擾突然產生尖峰電流或者電壓時，浪涌保護器能在極短的時間內導通分流，從而避免浪涌對迴路中其他設備的損害。
基本與特點
保護通流量大，殘壓極低，回響時間快；
· 採用最新滅弧技術，徹底避免火災；；
· 採用溫控保護電路，內置熱保護；
· 帶有電源狀態指示，指示浪涌保護器工作狀態；
· 結構嚴謹，工作穩定可靠。
分析浪涌保護器
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套用,雷電過電壓和雷擊電磁脈衝所造成的系統和設備的損壞越來越多。因此,儘快解決建築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 Protection Device, 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。
1 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築物本體免受直擊雷的侵襲,將可能擊中建築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。其基本方法是採用等電位聯結,包括直接連線和通過SPD間接連線,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,從而保護建築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。
2 浪涌保護器的分類
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範圍內,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衝擊。
2. 1 按工作原理分類
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。
(1)電壓開關型SPD。在沒有瞬時過電壓時呈現高阻抗,一旦回響雷電瞬時過電壓,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”。
(2)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”。
(3)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,這決定於所加電壓的特性。
2. 2 按用途分類
按其用途分類, SPD可以分為電源線路SPD和信號線路SPD兩種。
2. 2. 1 電源線路SPD
由於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。在第一防護區之後的各分區(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餘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衝輻射。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餘雷擊能量進行保護。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於設備的耐壓水平,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。
(1) 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。
(2)標稱放電電流In是指流過SPD、8/20μs電流波的峰值電流。
(3)最大放電電流Imax又稱為最大通流量,指使用8/20μs電流波衝擊SPD一次能承受的最大放電電流。
(4)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。
(5)殘壓Ur指在額定放電電流In下的殘壓值。
(6)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,應大於限制電壓的最高值。
(7)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。
工作原理
浪涌保護器（Surge protection Device）是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置，過去常稱為
浪涌保護器工作原理圖
“避雷器”或“過電壓保護器”英文簡寫為SPD.浪涌保護器的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範圍內，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衝擊而損壞。
浪涌保護器的類型和結構按不同的用途有所不同，但它至少應包含一個非線性電壓限制元件。用於浪涌保護器的基本元器件有：放電間隙、充氣放電管、壓敏電阻、抑制二極體和扼流線圈等。
浪涌保護器的基本元器件
1.放電間隙（又稱保護間隙）：
它一般由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成，其中一根金屬棒與所需保護設備的電源相線L1或零線（N）相連，另一根金屬棒與接地線（PE）相連線，當瞬時過電壓襲來時，間隙被擊穿，把一部分過電壓的電荷引入大地，避免了被保護設備上的電壓升高。這种放電間隙的兩金屬棒之間的距離可按需要調整，結構較簡單，其缺點是滅弧性能差。改進型的放電間隙為角型間隙，它的滅弧功能較前者為好，它是靠迴路的電動力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。
2.氣體放電管：
它是由相互離開的一對冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體（Ar）的玻璃管或陶瓷管內組成的。為了提高放電管的觸發機率，在放電管內還有助觸發劑。這種充氣放電管有二極型的，也有三極型的，
氣體放電管的技術參數主要有：直流放電電壓Udc；衝擊放電電壓Up（一般情況下Up≈（2～3）Udc；工頻耐受電流In；衝擊耐受電流Ip；絕緣電阻R（>109Ω）；極間電容（1-5PF）
氣體放電管可在直流和交流條件下使用，其所選用的直流放電電壓Udc分別如下：在直流條件下使用：Udc≥1.8U0（U0為線路正常工作的直流電壓）
在交流條件下使用：U dc≥1.44Un（Un為線路正常工作的交流電壓有效值）
3.壓敏電阻：
它是以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻，當作用在其兩端的電壓達到一定數值後，電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當於多個半導體P-N的串並聯。壓敏電阻的特點是非線性特性好（I=CUα中的非線性係數α），通流容量大（～2KA/cm2），常態泄漏電流小（10-7～10-6A），殘壓低（取決於壓敏電阻的工作電壓和通流容量），對瞬時過電壓回響時間快（～10-8s），無續流。
壓敏電阻的技術參數主要有：壓敏電壓（即開關電壓）UN，參考電壓Ulma；殘壓Ures；殘壓比K（K=Ures/UN）；最大通流容量Imax；泄漏電流；回響時間。
壓敏電阻的使用條件有：壓敏電壓：UN≥[（√2×1.2）/0.7]U0（U0為工頻電源額定電壓）
最小參考電壓：Ulma≥（1.8～2）Uac （直流條件下使用）
Ulma≥（2.2～2.5）Uac（在交流條件下使用，Uac為交流工作電壓）
壓敏電阻的最大參考電壓應由被保護電子設備的耐受電壓來確定，應使壓敏電阻的殘壓低於被保護電子設備的而損電壓水平，即（Ulma）max≤Ub/K，上式中K為殘壓比，Ub為被保護設備的而損電壓。
4.抑制二極體：
抑制二極體具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區，由於它具有箝位電壓低和動作回響快的優點，特別適合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件。抑制二極體在擊穿區內的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α為非線性係數，對於齊納二極體α=7～9，在雪崩二極體α=5～7.
抑制二極體的技術參數主要有
（1）額定擊穿電壓，它是指在指定反向擊穿電流（常為lma）下的擊穿電壓，這於齊納二極體額定擊穿電壓一般在2.9V～4.7V範圍內，而雪崩二極體的額定擊穿電壓常在5.6V～200V範圍內。
（2）最大箝位電壓：它是指管子在通過規定波形的大電流時，其兩端出現的最高電壓。
（3）脈衝功率：它是指在規定的電流波形（如10/1000μs）下，管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積。
（4）反向變位電壓：它是指管子在反向泄漏區，其兩端所能施加的最大電壓，在此電壓下管子不應擊穿。此反向變位電壓應明顯高於被保護電子系統的最高運行電壓峰值，也即不能在系統正常運行時處於弱導通狀態。
（5）最大泄漏電流：它是指在反向變位電壓作用下，管子中流過的最大反向電流。
（6）回響時間：10-11s
5.扼流線圈：扼流線圈是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環形磁芯上，形成一個四端器件，要對於共模信號呈現出大電感具有抑制作用，而對於差模信號呈現出很小的漏電感幾乎不起作用。扼流線圈使用在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號（如雷電干擾），而對線路正常傳輸的差模信號無影響。
扼流線圈在製作時應滿足以下要求
1）繞制線上圈磁芯上的導線要相互絕緣，以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發生擊穿短路。
2）當線圈流過瞬時大電流時，磁芯不要出現飽和。
3）線圈中的磁芯應與線圈絕緣，以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發生擊穿。
4）線圈應儘可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強線圈對瞬時過電壓的而授能力。
6. 1/4波長短路器
1/4波長短路器是根據雷電波的頻譜分析和天饋線的駐波理論所製作的微波信號浪涌保護器，這種保護器中的金屬短路棒長度是根據工作信號頻率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波長的大小來確定的。此並聯的短路棒長度對於該工作信號頻率來說，其阻抗無窮大，相當於開路，不影響該信號的傳輸，但對於雷電波來說，由於雷電能量主要分布在n+KHZ以下，此短路棒對於雷電波阻抗很小，相當於短路，雷電能量級被泄放入地。
由於1/4波長短路棒的直徑一般為幾毫米，因此耐衝擊電流性能好，可達到30KA（8/20μs）以上，而且殘壓很小，此殘壓主要是由短路棒的自身電感所引起的，其不足之處是工頻帶較窄，頻寬約為2%～20%左右，另一個缺點是不能對天饋設施加直流偏置，使某些套用受到限制。
SPD的基本電路
浪涌保護器的電路根據不同需要，有不同的形式，其基本元器件就是上面介紹的幾種，一個技術精通的防雷產品研究工作者，可設計出五花八門的電路，好似一盒積木可搭出不同的結構圖案。研製出既有效又性能價格比好的產品，是防雷工作者的重任。
分級防護
由於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。第一級防雷器可以對於直接雷擊電流進行泄放，或者當電源傳輸線路遭受直接雷擊時傳導的巨大能量進行泄放，對於有可能發生直接雷擊的地方，必須進行CLASS—I的防雷。第二級防雷器是針對前級防雷器的殘餘電壓以及區內感應雷擊的防護設備，對於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防雷器而言是相當巨大的能量會傳導過來，需要第二級防雷器進一步吸收。同時，經過第一級防雷器的傳輸線路也會感應雷擊電磁脈衝輻射LEMP，當線路足夠長感應雷的能量就變得足夠大，需要第二級防雷器進一步對雷擊能量實施泄放。第三級防雷器是對LEMP和通過第二級防雷器的殘餘雷擊能量進行保護。
1、第一級保護
目的是防止浪涌電壓直接從LPZ0區傳導進入LPZ1區，將數萬至數十萬伏的浪涌電壓限制到2500—3000V。
入戶電力變壓器低壓側安裝的電源防雷器作為第一級保護時應為三相電壓開關型電源防雷器，其雷電通流量不應低於60KA。該級電源防雷器應是連線在用戶供電系統入口進線各相和大地之間的大容量電源防雷器。一般要求該級電源防雷器具備每相100KA以上的最大衝擊容量，要求的限制電壓小於1500V，稱之為CLASS I級電源防雷器。這些電磁防雷器是專為承受雷電和感應雷擊的大電流以及吸引高能量浪涌而設計的，可將大量的浪涌電流分流到大地。它們僅提供限制電壓（衝擊電流流過電源防雷器時，線路上出現的最大電壓稱為限制電壓）為中等級別的保護，因為CLASS I級保護器主要是對大浪涌電流進行吸收，僅靠它們是不能完全保護供電系統內部的敏感用電設備的。
第一級電源防雷器可防範10/350μs、100KA的雷電波，達到IEC規定的最高防護標準。其技術參考為：雷電通流量大於或等於100KA（10/350μs）；殘壓值不大於2.5KV；回響時間小於或等於100ns。
2、第二級防護
目的是進一步將通過第一級防雷器的殘餘浪涌電壓的值限制到1500—2000V，對LPZ1—LPZ2實施等電位連線。
分配電櫃線路輸出的電源防雷器作為第二級保護時應為限壓型電源防雷器，其雷電流容量不應低於20KA，應安裝在向重要或敏感用電設備供電的分路配電處。這些電源防雷器對於通過了用戶供電入口處浪涌放電器的剩餘浪涌能量進行更完善的吸收，對於瞬態過電壓具有極好的抑制作用。該處使用的電源防雷器要求的最大衝擊容量為每相45kA以上，要求的限制電壓應小於1200V，稱之為CLASS II級電源防雷器。一般用戶供電系統做到第二級保護就可以達到用電設備運行的要求了
第二級電源防雷器採用C類保護器進行相—中、相—地以及中—地的全模式保護，主要技術參數為：雷電通流容量大於或等於40KA(8/20μs)；殘壓峰值不大於1000V；回響時間不大於25ns。
3、第三級保護
目的是最終保護設備的手段，將殘餘浪涌電壓的值降低到1000V以內，使浪涌的能量不致損壞設備。
在電子信息設備交流電源進線端安裝的電源防雷器作為第三級保護時應為串聯式限壓型電源防雷器，其雷電通流容量不應低於10KA。
最後的防線可在用電設備內部電源部分採用一個內置式的電源防雷器，以達到完全消除微小的瞬態過電壓的目的。該處使用的電源防雷器要求的最大衝擊容量為每相20KA或更低一些，要求的限制電壓應小於1000V。對於一些特別重要或特別敏感的電子設備具備第三級保護是必要的，同時也可以保護用電設備免受系統內部產生的瞬態過電壓影響。
對於微波通信設備、移動機站通信設備及雷達設備等使用的整流電源，宜視其工作電壓的保護需要分別選用工作電壓適配的直流電源防雷器作為末級保護。
4、第四級及四級以上保護
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於設備的耐壓水平，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。第四級保護其雷電通流容量不應低於5KA。
