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浪涌保护器

浪涌保护器

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以及旁路浪涌电流来保护设备的装置，浪涌保护器的类型和结构会因用途的不同而有所差异，但它至少应包含一个非线性电压限制元件。这种设备的基本元器件包括放电间隙、充气放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈等。浪涌保护器的功能是将窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，以保护设备或系统免受冲击而损坏。

浪涌保护器按工作原理可以分为开关型（间隙型）浪涌保护器、限压型浪涌保护器、混合型浪涌保护器。开关型具有在无浪涌时呈现高阻状态，而在浪涌响应时突变为低阻特点。限压型则在无浪涌时呈高阻状态，但随着浪涌的增大，其阻抗不断降低。

最原始的电涌保护器羊角形间隙，出现于19世纪末期，用于架空输电线路，防止雷击损坏设备绝缘而造成停电。20世纪20年代，出现了铝浪涌保护器，氧化膜浪涌保护器和丸式浪涌保护器。30年代出现了管式浪涌保护器。50年代出现了防雷器。70年代又出现了金属氧化物浪涌保护器。浪涌保护器在消防行业、电力行业、安防监控行业、新能源行业等领域都有应用，具有保护通流量大，残压极低，响应时间快，结构严谨，工作稳定可靠等多种优点。

发展历史

最原始的电涌保护器羊角形间隙，出现于19世纪末期，用于架空输电线路，防止雷击损坏设备绝缘而造成停电。20世纪20年代，出现了铝浪涌保护器，氧化膜浪涌保护器和丸式浪涌保护器。20世纪30年代出现了管式浪涌保护器。20世纪50年代出现了防雷器。20世纪70年代又出现了金属氧化物浪涌保护器。现代高压浪涌保护器，不仅用于限制电力系统中因雷电引起的过电压，也用于限制因系统操作产生的过电压。1992年以来，以德、法为代表的工控标准35mm导轨卡接式可拔插SPD防雷模块，开始大规模引进到中国，稍后以美、英为代表的一体化箱式电源防雷组合也进入了中国。

IECSC 37a负责起草和规定SPD（浪涌保护器）相关的技术要求和试验方法。在1998年，IECSC 37a发布了第一版的e61643系列流保护器标准，参与起草的国家主要包括德国、法国、奥地利和美国等发达国家，而中国当时并未参与相关的工作。

根据这一版本的标准，中国于2002年颁布了相应的国家标准，此后，中国的浪涌保护器强制生产国家标准等同于或由EC标准修改。因此，IEC标准已基本成为中国浪涌防护器研发、生产、测试和认证的主要技术依据。

在全国避雷器标准化技术委员会的领导下，上海市防雷中心主办了SC 37a第35工作组会议。随后，上海市防雷中心、上海电器研究院、四川中光防技术有限公司等科研机构和企业的专家开始参与SC 37a W/G3和WG5的工作。2008年11月，上海市防雷中心、上海电器研究院、施德公司、深圳屏蔽公司派出人员组成中国代表团前往奥地利参加SC 37a工作组会议和活动，这是有史以来中国代表团参加SC 37a海外工作组会议最有力的一次。在此之后，中国代表团先后赴瑞典、瑞士、葡萄牙、罗马尼亚、意大利、希腊、日本、美国、捷克、韩国等国参加工作组会议。

在2007年的上海市会议后，2011年和2017年，中国分别在深圳市和成都市举办了两次SC 37a工作组会议。参与ECSC 37a工作的初期，对中国SPD行业的发展趋势和了解EC标准发挥了重要作用。中方代表主要学习了IEC标准制定的规则和程序，以及会议沟通技巧。随着代表对规则的掌握程度和相应技术水平的提高，中国代表参与IEC SC 37a工作的程度不断加深。

工作原理

如图下图所示为常用浪涌保护器的原理示意图，由一个金属氧化物变阻器(MOV)将相线和地线连接在一起。当电路回路中产生浪涌时，浪涌保护器会将大部分电流转移到地线。当线路电压正常时，MOV的电阻很大，浪涌保护器不起分压作用；当电压超过指定值时，MOV电阻急剧减小，迅速分担多余的电压。

基本构造

浪涌保护器的类型和结构会因用途的不同而有所差异，但它至少应包含一个非线性电压限制元件。这种设备的基本元器件包括放电间隙、充气放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈等。

放电间隙

放电间隙主要由两根金属棒组成，它们在空气中相隔一定的距离。其中一根金属棒与所需保护设备的电源相线L或零线N相连，另一根金属棒与接地线PE相连接。当过电压来袭时，间隙被击穿，将一部分过电压的电荷引入大地，从而避免了被保护设备上的电压升高。这种放电间隙的结构较为简单，但其缺点是灭弧性能较差。为了改进这一缺点，角形间隙被研发出来，它的灭弧功能比前者更好，主要依靠回路的电动力和热气流的上升作用来熄灭电弧。

气体放电管

气体放电管是由一对冷阴板封装在充有一定气体的玻璃管或瓷管内组成的。为了提高放电管的触发概率，放电管内还有助触发剂。这种充气放电管有二极型和三极型两种。

压敏电阻

压敏电阻是一种以Zn0为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻。当加在两端的电压低于标称额定电压值时，压敏电阻的电阻接近无穷大，内部几乎无电流流过。而当两端所加电压略高于标称额定电压值时，压敏电阻会迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大。当两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻又恢复为高阻状态；而当两端所加电压超过最大限制电压值时，压敏电阻将完全击穿损坏，无法再自行恢复。

抑制二极管

抑制二极管具有钳位限压功能，它工作在反向击穿区。由于具有钳位电压低和动作响应快的优点，它特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件。

扼流线圈

扼流线圈是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件。它由两个尺寸相同、匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件。对于共模信号，扼流线圈呈现出大电感具有抑制作用；而对于差模信号，它呈现出很小的漏电感几乎不起作用。扼流线圈使用在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号，而对线路正常传输的差模信号无影响。

短路器

1/4波长短路器是一种微波信号浪涌保护器。其工作原理是基于雷电波的频谱分析和天馈线的驻波理论。这种保护器中的金属短路棒长度是根据工作信号额率的1/4波长来确定的。对于雷电波来说，由于主要能量分布在30kHz以下，此短路棒相当于短路，雷电能量级被泄放入地。由于1/4波长短路棒的直径一般为几毫米，因此其耐冲击电流性能好，可达到30kA以上且残压很小。但其工频带较窄，带宽为2%~20%，且不能对天馈设施加直流偏置，使某些应用受到限制。

基本特点

1.保护通流量大，残压极低，响应时间快；

2.采用最新灭弧技术，彻底避免火灾；

3.采用温控保护电路，内置热保护；

4.带有电源状态指示，指示浪涌保护器工作状态；

5.结构严谨，工作稳定可靠；

基本分类

工作原理分类

2.限压型浪涌保护器：这种SPD在无浪涌时呈高阻状态，但随着浪涌的增大，其阻抗不断降低。常用器件有氧化锌压敏电阻、瞬态抑制二极管等。氧化锌压敏电阻是一种以氧化锌（ZnO）为主要成分的金属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。目前已被广泛应用于电气电子设备的雷电防护，是通信电源设备中采用的主要防雷器件。其缺点是长期运行后会老化，使标称导通电压降低。另外，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：这种SPD是由开关型和限压型器件混合组成的。它能同时具备开关型和限压型器件的特性。

工作用途分类

一般来说，交流电进入数据中心首先要解决的是防雷问题。由于雷电冲击能量巨大，因此对信息系统的电源保护，从外部总配电室到内部对计算机系统供电，要分多级进行，才能将雷电的能量降到设备所能承受的水平（220/380V电源系统各种设备绝缘耐冲击过电压额定值可分为4类，分别为6kV、4kV、2.5kV和1.5kV）。所以，交流电进入数据中心后在进入UPS之前，一定在配电柜之前完成三级防雷，第一级防雷要把7000V以上的雷电浪涌电压降低到4000V以下，第二级防雷再降到2500V以下，第三级防雷降到1500V以下，再经过UPS输入电路的滤波器降到1000V，这时UPS本身就可以利用了。

2.信号线路SPD：就是信号避雷器，安装在信号传输线路中，一般在设备前端，用来保护后续设备，防止雷电波从信号线路涌入损伤设备。在选择时须注意其电压保护水平（UP）、标称放电电流In、最大放电电流Imx的选择。

技术参数

标称导通电压

氧化锌压敏电阻的启动电压，也称为压敏电压，通常用Un或U1mA来表示。在施加恒定1mA直流电流的情况下，这个电压值是标称导通电压。对于低压交流供电系统中的限压型SPD，其标称导通电压U应该根据最大运行工作电压有效值来选取，计算公式为：Un=2.2U。

标称放电电流

标称放电电流In是表明SPD通流能力的指对应于8/20μs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、80kA。

最大通流容量Imx

最大通流容量(又称冲击通流容量)Imx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(8/20μs)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。Imx的优选值系列为:5、10、15、20、30、40、50、60、80、100、120、150、200kA。选择较大通流容量的SPD可以获得较长的使用寿命，根据中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)。

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。

限制电压

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不宜大于2kV，C级防SPD宜不大于1.3kV，D级防雷SPD不宜大于1kV。

最大持续运行电压Ue

最大持续运行电压Ue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。

Ue的优选值系列为:45、52、75、85、150、175、275、320、385、420、460、510、600V

应用领域

2.电力行业：浪涌保护器在电力电气系统中的应用场合最多。建筑物电气系统有强制要求安装浪涌保护器，因此国内超过50%的浪涌保护器用于电源配电系统。浪涌侵入的主要途径是通过电源线，因此电力行业对浪涌保护器的需求很大。

3.安防监控行业：在安防监控项目中，如平安城市、雪亮工程等，浪涌保护器也得到了重点应用。由于大部分摄像机安装在户外，项目通常会要求安装二合一浪涌保护器，以防止浪涌侵害造成监控器端口损坏。因此，安防监控系统是浪涌保护器的重要应用场合。

4.石油石化行业：石油化工行业因其重要性、特殊性和易燃易爆的高风险情况，对安全的要求极高。雷电灾害作为严重的自然灾害之一，石油行业对浪涌保护器的要求非常严格。例如，加油站对电源系统和信号系统都有要求安装浪涌保护器，因此石油石化行业也是浪涌保护器的一大应用行业。

5.通信行业：通信行业应用浪涌保护器的历史非常久远。电信、移动和联通等通信公司的户外通信基站应用浪涌保护器非常多。这些公司在年度招标中通常将浪涌保护器作为主要元器件进行招标，且用量很大。

6.轨道交通行业：轨道交通行业对浪涌保护器的应用量较大。由于轨道交通的重要性不言而喻，其各通信子系统均有要求加装浪涌保护器。

7.新能源行业：浪涌保护器在新能源行业中的应用主要涉及光伏太阳能发电和风力发电行业。光伏系统中，如光伏汇流箱和逆变器等设备均会加装浪涌保护器。风力发电机组对浪涌保护器的要求也很全面，包括power cord和信号线等各个端口都要进行浪涌保护。

发展趋势

随着电子技术的进步，新型设备的内部结构越来越集中化，元件也变得越来越精细化。然而，这种发展趋势也使得设备耐受过电压和过电流的能力不断下降，更容易遭受雷电破坏。因此，未来防雷产品的残压要更低，保护要更精细。

2.由单一防护向集成防护方向发展

随着系统集成技术的应用，各类电子设备的设计越来越小型化，对电涌保护器的集成化提出了新要求。因此，需要SPD（电涌保护器）具有多种功能，如附带滤波功能的电涌保护器。

3.被动防护发展为主动防护趋势

目前，大多数雷电防护工程的设计主要依赖于设计人员的经验积累。然而，随着雷电监测产品的大力推广和广泛应用，设计人员可以根据对当地雷电频率、幅度和方向的监测结果，变被动为主动，设计出最优的雷电防护工程。这标志着雷电防护工程的设计趋势正由被动向主动发展。

标准规范

1.国家标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》,并于1999年11月局部修改条文征求意见稿中,对信息系统及微电子设备较多的建筑物，提出了应采取防雷电电磁脉冲(LEMP)的规定，即增补了第六章防雷击电磁脉冲。

2.国际和工业发达国家的标准化组织已制定有关的一系列标准和规范如：

IEC1312-1《国际电工技术委员会雷电磁脉冲防护标准》

UL1449《国际保险研究会浪酒保护器标准》

BS6651一1992《英国国家浪涌保护器标准》

IEC61643-1《浪涌保护器标准》1997年11月

IEC61643一2《浪涌保护器的选择与应用》

UTEC15一443《低压浪涌保护器的选择与应用》1996年

NZS/AS1768-1991《澳大利亚和新西兰浪沛保护器标准》

ANSI/IEEEC6241《美国国家标准协会/国际电气和电子工程学会浪沛保护器标准》

NFC61740《法国国家低压浪涌保护标准》1995年7月

VDEO675《德国国家电气浪涌保护器标准》

3.国标99D562《建筑物防雷设施安装图集》

雷电防护区划分

第一级防雷器可以对直接雷击电流进行泄放，或者在电源传输线路遭受直接雷击时对传导的巨大能量进行泄放。在有可能发生直接雷击的地方，必须进行CLASS-I的防雷保护。第二级防雷器是针对前级防雷器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备。当前级防雷器吸收较大雷击能量后，仍有一部分能量对设备或第三级防雷器来说相当巨大，因此需要第二级防雷器进一步吸收。同时，经过第一级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射LEMP，当线路足够长时，感应雷的能量就足够大，需要第二级防雷器进一步对雷击能量实施泄放。第三级防雷器是对LEMP和通过第二级防雷器的残余雷击能量进行保护。

第一级保护

第一级保护的目的是防止浪涌电压直接从LPZ0区传导进入LPZ1区，将数万至数十万伏的浪涌电压限制到2500-3000V。入户电力变压器低压侧安装的电源防雷器作为第一级保护时应为三相电压开关型电源防雷器，其雷电通流量不应低于60KA。该级电源防雷器应连接在用户供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防雷器。一般要求该级电源防雷器具备每相100KA以上的最大冲击容量，要求的限制电压小于2500V，称之为CLASS I级电源防雷器。这些电磁防雷器是专为承受雷电和感应雷击的大电流以及吸引高能量浪涌而设计的，可将大量的浪涌电流分流到大地。它们仅提供限制电压为中等级别的保护，因为CLASS I级保护器主要是对大浪涌电流进行吸收，仅靠它们是不能完全保护供电系统内部的敏感用电设备的。第一级电源防雷器可防范10/350μs、100KA的雷电波，达到IEC规定的最高防护标准。其技术参考为：雷电通流量大于或等于100KA（10/350μs）；残压值不大于2.5KV；响应时间小于或等于100ns。

第二级防护

第二级防护的目的是进一步将通过第一级防雷器的残余浪涌电压的值限制到1500-2000V，对LPZ1-LPZ2实施等电位连接。分配电柜线路输出的电源防雷器作为第二级保护时应为限压型电源防雷器，其雷电流容量不应低于20KA，应安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电处。这些电源防雷器对于通过了用户供电入口处浪涌放电器的剩余浪涌能量进行更完善的吸收，对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。该处使用的电源防雷器要求的最大冲击容量为每相45kA以上，要求的限制电压应小于1200V，称之为CLASS Ⅱ级电源防雷器。一般用户供电系统做到第二级保护就可以达到用电设备运行的要求了。第二级电源防雷器采用C类保护器进行相-中、相-地以及中-地的全模式保护，主要技术参数为：雷电通流容量大于或等于40KA（8/20μs）；残压峰值不大于1000V；响应时间不大于25ns。

第三级保护

第三级保护的目的是最终保护设备的手段，将残余浪涌电压的值降低到1000V以内，使浪涌的能量不致损坏设备。在电子信息设备交流电源进线端安装的电源防雷器作为第三级保护时应为串联式限压型电源防雷器，其雷电通流容量不应低于10KA。最后的防线可在用电设备内部电源部分采用一个内置式的电源防雷器，以达到完全消除微小的瞬态过电压的目的。该处使用的电源防雷器要求的最大冲击容量为每相20KA或更低一些，要求的限制电压应小于1000V。对于一些特别重要或特别敏感的电子设备具备第三级保护是必要的，同时也可以保护用电设备免受系统内部产生的瞬态过电压影响。对于微波通信设备、移动基站通信设备及雷达设备等使用的整流电源宜视其工作电压的保护需要分别选用工作电压适配的DC电源防雷器作为末级保护。