浪涌保护详细介绍

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年代出现了碳化硅防雷器。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。

浪涌保护器（Surge protection Device）是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，过去常称为

“避雷器”或“过电压保护器”英文简写为SPD.浪涌保护器的作用是把窜入电力线、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，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。

浪涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同，但它至少应包含一个非线性电压限制元件。用于浪涌保护器的基本元器件有：放电间隙、充气放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈等。

浪涌防护是现代制造系统、信息系统中必须考虑的问题。需要注意的是，浪涌保护的标准也发生了巨大的变化。传统的浪涌保护措施，只要保护电气设备的绝缘不被浪涌电压损坏即可。而现代浪涌保护措施，要确保控制系统、信息系统在浪涌电压的条件下，不会出现误动作。最近，发生在高铁上的重大事故，据说是因为天气恶劣，导致信号系统出现误动作。这有可能是雷电导致的浪涌电压使信号系统出现误动作。因此，在进行现代化的自动系统集成时，必须充分考虑浪涌电压的防护。能够对自动控制系统和信息系统提供可靠浪涌保护的设备叫做“正弦波跟踪浪涌保护器”。使用这种设备，不仅能够保护电气设备的绝缘不被损坏，还能够保证控制设备、信息设备的可靠工作。事实证明，在浪涌保护方面的投资会通过减少设备损坏、降低维护成本、延长系统正常工作时间等途径很快收回。从维护系统的安全可靠运行的角度，安装浪涌保护器是十分必要的。

浪涌电压浪涌电压保护机理

浪涌电压保护的基本要求是：在电路没有干扰时，不影响设备的正常运行；工作电路中一旦有浪电压侵入时，将浪涌电压抑制在设备可接受的阈值范围内，保证设备有受到浪涌干扰时的正常运行，并且防止电路元器件和系统的损坏。从电路联接关系的角度来看，保护的方式有两种，一是将设备从受干扰的工作电路中断开，二是给浪涌电压提供泄放通道，最终使浪涌电压不作用到被保护的设备上。由于保护器件在系统正常工作和浪涌干扰时所表现出的电气性能完全不同，保护器件的伏安特性必须具有强烈的非线性特征。而对于一般的元器件，其电阻基本不随运行工况的改变而变化，其伏安特性表现出良好的线性特征。

有一类元件，当其两端电压差在正常范围内时，电阻很大，几乎没有电流通过；一旦元件两端电压差增大到一定的门槛值时，电阻迅速减少，几乎为零。利用这类元件可以做成并联型浪涌保护器，从而保护了设备。实际上，浪涌侵入时保护器不可能完全呈短路状态，两端电压也不可能达到零，只能达到一个较小的值，称作箝位电压，只要这个箝位电压小于被保护设备的安全电压，就能有效地保护设备。

另外有一类元件则具有相反的非线性特征，在正常工作电压下，电阻几乎完全为零，当控制电压（信号电压或电源电压）达到一定的门槛值时，元件马上呈现出很大的电阻值，利用这类元件可以做成串联型浪涌保护器。由于其呈现出高阻态，电路相当于断开，使被保护设备免遭浪涌电压的侵入。

根据IEC组织提出的DBSG的基本方法，电子信息系统雷电及浪涌的防护应当采取以下六大技术措施：（1）直击雷防护、（2）屏蔽和隔离、（3）合理布线、（4）等电位连接、（5）共用接地、（6）安装使用浪涌保护器。 在一个完善的电子信息系统防雷工程中，这六个防护措施都应当考虑。但是目前最薄弱的就是安装使用浪涌保护器（SPD）。

浪涌电压浪涌保护器

浪涌保护器（SPD）是用来限制瞬态过电压及泄放相应瞬态过电流，保护电子电气设备安全的装置，又可称为电涌保护器（或防雷器、防雷保安器、避雷器等）。它至少应含有一个非线性元件。浪涌保护器实际上也是一种等电位连接器。通过对一个被保护系统科学合理地使用浪涌保护器，可以使系统内所有安装浪涌保护器的各设备端口，在雷电和浪涌冲击的瞬间实现均压或者相互等电位，从而避免系统内有害的瞬时电位差，保证整个系统的运行安全。

目前的浪涌保护器主要由气体放电管、固体放电管、放电间隙、压敏电阻、快恢复二极管、瞬态抑制二极管、晶闸管、温度保险丝、快速熔丝、高低通滤波器等器件，根据不同电压、电流、功率、频率、传输速率、驻波系数、插损、带宽、阻抗等要求，采用不同形式的电路而制成。浪涌保护器一般分为两大类：（1）电源浪涌保护器（又可分为交流和直流浪涌保护器）（2）信号浪涌保护器（又可分为过程控制、通用信号以及天馈线路浪涌保护器）

交流配电系统耐冲击电压类别以及用浪涌保护器分级保护示意图如下：

由于雷击的能量是非常巨大的，需要通过分级泄放的方法，将雷击能量逐步泄放到大地。第一级防雷器可以对于直接雷击电流进行泄放，或者当电源传输线路遭受直接雷击时传导的巨大能量进行泄放，对于有可能发生直接雷击的地方，必须进行CLASS—I的防雷。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，对于前级发生较大雷击能量吸收时，仍有一部分对设备或第三级防雷器而言是相当巨大的能量会传导过来，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，当线路足够长感应雷的能量就变得足够大，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。

1、第一级保护

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。该级电源防雷器应是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1500V，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（冲击电流流过电源防雷器时，线路上出现的最大电压称为限制电压）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。

2、第二级防护

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。

3、第三级保护

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，使浪涌的能量有致损坏设备。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、移动机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直流电源防雷器作为末级保护。

4、第四级及四级以上保护

根据被保护设备的耐压等级，假如两级防雷就可以做到限制电压低于设备的耐压水平，就只需要做两级保护，假如设备的耐压水平较低，可能需要四级甚至更多级的保护。第四级保护其雷电通流容量不应低于5KA。