#電涌保護(hù)器SPD應(yīng)用常識

1、電涌保護(hù)器SPD使用常識隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化水平的快速提高，在信息化帶動工業(yè)化的指引下，各類信息設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)、精密儀器、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用越來越廣泛，此類設(shè)備一般工作電壓低、耐壓水平低、敏感性高、抗干擾能力低，因而極易受到雷電電流脈沖的危害。每年都給人類造成巨大的直接經(jīng)濟(jì)損失。而因重要設(shè)備損壞使網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓而造成的間接損失更是驚人，已引起國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)Υ祟愊到y(tǒng)加強(qiáng)保護(hù)的高度重視。近年來，SPD”這個名詞已越來越多地被專業(yè)研究、產(chǎn)品制造及工程設(shè)計(jì)的人們所提到。作為雷電防護(hù)裝置體系中的重要組成部分，SPD”已被廣泛用于郵電通訊、廣播電視、金融證券、保險(xiǎn)、電力、鐵道、交通、機(jī)場、石化、

2、市政建設(shè)等各個行業(yè)。可以毫不夸張地說，凡是裝有IT設(shè)備的場所，就有使用SPD的必須。那么SPD究竟是一種什么產(chǎn)品呢？SPD有哪些功能呢？SPD是如何選擇使用的呢？在這里我們著手用盡可能通俗的語言向各位介紹一些有關(guān)SPD產(chǎn)品的基礎(chǔ)知識。希望對那些尚未接觸過SPD或?qū)PD知之甚少而又想掌握SPD知識，并進(jìn)而使用SPD產(chǎn)品的讀者有所收益。一、什么是SPD（SPD介述）SPD這一名詞英語全稱是surgeprotectiyedevice其譯意為電涌保護(hù)器，是限制雷電反擊、侵入波、雷電感應(yīng)和操作過電壓而產(chǎn)生的瞬時過電壓和泄放電涌電流（沿線路傳送的電流、電壓或功率的暫態(tài)波。其特性是先快速上升后緩慢下降）的

3、器件。一端口SPD和被保護(hù)電路并聯(lián)，能分開輸入和輸出端，在這些端子之間設(shè)有特殊的串聯(lián)阻抗；二端口SPD有兩組輸入和輸出端子，在這些端子之間有特殊的串聯(lián)阻抗；電壓開關(guān)型SPD在沒有電涌時具有高阻抗，有電涌電壓時能立即變成低阻抗，電壓開關(guān)型SPD常用的元件有放電間隙、氣體放電管、閘流管（硅可控整流器）和三端雙向可控硅開關(guān)元件。這類SPD有時也稱短路型SPD”；電壓限制型SPD在沒有電涌時具有高阻抗但隨著電涌電流和電壓的上升其阻抗將持續(xù)地減小。常用的非線性元件有壓敏電阻和抑制二極管，這類SPD有時也稱為箝位型SPD”；復(fù)合型SPD是由電壓開關(guān)型元件和電壓限制型元件組成的，其特性隨所加電壓的特性可以表

4、現(xiàn)為電壓開關(guān)型、電壓限制型或兩者皆有。無限流元件的SPD在信息線路中的使用只有一個或數(shù)個用于限制過電壓的元件，而無限流元件；有限流元件的SPD在信息線路中使用既有限制過電壓的元件，又有限流元件。SPD限壓元件可分為電壓開關(guān)型和限壓型SPD需通過I、"、和皿級分類試驗(yàn)。SPD有戶內(nèi)型、戶外型、易觸及的、不易觸及的（碰不到的）。固定安裝方式及移動式的。二、使用SPD抑制異常過電壓的種類通常將超過設(shè)計(jì)規(guī)定的正常工作電壓上限值的電壓稱為異常過電壓”簡稱過電壓”。它是SPD的工作對象，如果沒有過電壓也就沒有SPD的生存價值了。因此要了解SPD就必須對過電壓有個基本了解。過電壓將對電氣或電子裝置

5、中的電路、元器件造成直接破壞，這種破壞依據(jù)其嚴(yán)重程度大至可分為以下四種情況。1、使設(shè)備、裝置短時間工作錯亂。2、造成潛故障，使得電路和器件的性能下降，壽命縮短，提前失效。3、造成電路或器件的永久性損壞。4、導(dǎo)致起火、觸電等安全事故。異常過電壓可能是外來的，也可能是設(shè)備、裝置內(nèi)部自生的。外侵過電壓的侵入途徑，可以通過導(dǎo)線、電路、管道傳導(dǎo)進(jìn)入；也可以通過靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)侵入。過電壓的出現(xiàn)可能是有規(guī)律性的、周期性的。但更多的則是隨機(jī)的。因此在大多數(shù)情況下，很難準(zhǔn)確在把握它，異常過電壓依據(jù)其成因的不同，可以分為雷擊過電壓、操作過電壓、靜電和暫態(tài)過電壓等。下面作分類介紹：1）雷擊過電壓：雷云直接對設(shè)備

6、、裝置放電時，設(shè)備裝置所承受的是直擊雷過電壓”這種情況發(fā)生概率少，而通常所說的雷擊過電壓是指感應(yīng)過電壓”當(dāng)雷擊對地面某一點(diǎn)放電時，通常在它周圍方園1.5km范圍內(nèi)的導(dǎo)線、導(dǎo)體中都會有一定幅值的瞬態(tài)電壓產(chǎn)生。而產(chǎn)生這種沖擊電壓的主要機(jī)理如下： 雷云對附近地面的物體放電，或在附近云層中放電，產(chǎn)生的電磁場會在供電系統(tǒng)的線路導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。 附近云一地之間放電所產(chǎn)生的入地電流。耦合到接地網(wǎng)的公共接地阻抗上，在接地網(wǎng)的長度和寬度方向上產(chǎn)生電壓差。 若雷擊時，變壓器一次側(cè)的的避雷器動作，一次側(cè)電壓快速跌落。這種快速跌落通過變壓器的電容耦合傳送到二次側(cè)。迭加在通過正常變壓器耦合的電壓上，形成二次側(cè)沖擊電

7、壓。 雷電直接擊中高壓一次側(cè)線路，向一次側(cè)線路注入極大的電流，這種大電流流過接地電阻或一次側(cè)導(dǎo)體的沖擊阻抗。都會產(chǎn)生高電壓，一次側(cè)的這種高電壓又可通過電容耦合和正常的變壓器耦合，在低壓交流電源線路中出現(xiàn)。 雷電直接擊中二次側(cè)線路，極大的電流和由這種電流所產(chǎn)生的極高電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)備本身和接在二次側(cè)線路中的保護(hù)器件的承受能力。為模擬雷電沖擊，國際上規(guī)定1.2/50”電壓波為標(biāo)準(zhǔn)雷電壓波（其波前時間為1.2Q，波尾下降到半峰值的時間為50宙。）10/350”電流波為半徑傳導(dǎo)衰減的雷電流波；8/20”電流波為經(jīng)傳導(dǎo)衰減的感應(yīng)雷電流波。雷電沖擊波的特點(diǎn)持續(xù)時間短，但峰值高。2）操作過電壓是指電路中的斷路

8、器、隔離開關(guān)、繼電器、可控硅開關(guān)等通斷轉(zhuǎn)接時，在系統(tǒng)電路中、電路對地以及開關(guān)兩端所產(chǎn)生的過電壓。產(chǎn)生操作過電壓的原因是由于線路及其中的元器件都帶有電感和電容，儲存在電感中的磁能和儲存在電容中的靜電場能量，在電路狀態(tài)突變時產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換，過渡的振蕩過程，由振蕩而出現(xiàn)過電壓。操作過電壓的持續(xù)時間比雷擊過電壓長，比暫態(tài)過電壓短，在數(shù)百微秒到100mS之間，并且衰減很快。3）眾所周知，在天氣干燥的冬天，人體和衣服間的磨擦?xí)谷梭w帶電，當(dāng)帶電的人和電子產(chǎn)品接觸時，就會對電子產(chǎn)品（如手機(jī)）放電，這是一種典型的靜電放電，靜電放電的特點(diǎn)是電壓很高，但時間很短，為納秒級。IEC61000-4-2規(guī)定的模擬接觸靜

9、電放電的電壓，等級為2kv8kv,相應(yīng)的電流峰值為（7.530）A。4）暫態(tài)過電壓是指當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障，切斷負(fù)荷或諧振時所產(chǎn)生的相-地，或相-相間的電壓升高，它的特點(diǎn)是持續(xù)時間比較長（0.1S60S,和系統(tǒng)的保護(hù)方式有關(guān)）。暫態(tài)過電壓的幅值隨供電系統(tǒng)的接地方式而異，接地電阻大的系統(tǒng)，暫態(tài)過電壓倍數(shù)就大。表3.1給出了一組供電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓倍數(shù)K的統(tǒng)計(jì)數(shù)字。過電壓倍數(shù)K的定義是內(nèi)部過電壓的峰值和系統(tǒng)的最高運(yùn)行相電壓峰值之比。表3.1供電系統(tǒng)內(nèi)部過電壓倍數(shù)K暫態(tài)過電壓操作過電壓過電壓名稱K過電壓名稱K單相接地故障1.11.3切斷電感性負(fù)載14.0甩負(fù)荷1.21.3合閘空載線路（包括重合閘）1

10、3.5電弧接地13.5切斷空載線路13.5諧振13.5合空載變壓器12.0此外，在實(shí)用中，還可能碰到所謂錯電”事故，即設(shè)計(jì)用于110V電源的設(shè)備錯誤地接入220V的系統(tǒng)中，或設(shè)計(jì)用于220V電源的設(shè)備錯誤地加上380V電壓等，這樣所引起的過電壓，不僅是接入電壓的峰值，還有過渡過程的震蕩性電壓?？傊?，異常過電壓成因復(fù)雜，持續(xù)時間和電壓、電流的強(qiáng)度差異極大，因此防護(hù)異常過電壓有時是個復(fù)雜而困難的任務(wù)。一般來說壓敏電阻器是防護(hù)持續(xù)時間較短的靜電，雷擊過電壓和操作過電壓的瞬態(tài)”過電壓保護(hù)器，對于持續(xù)時間較長的暫態(tài)過電壓只能用熔斷器，斷路器等器件來防護(hù)。三、SPD產(chǎn)品的主要術(shù)語定義SPD產(chǎn)品的術(shù)語很多，

11、其中主要有以下幾個術(shù)語較常用1、標(biāo)稱放電電流In:流過SPD具有8/20波形的電流峰值。用于H級試驗(yàn)的SPD分級以及I級、H級試驗(yàn)的SPD的預(yù)處理試驗(yàn)。2、最大放電電流Imax:流過SPD具有8/20波形電流的峰值，其值按H級動作負(fù)載的程序確定。Imax大于In.3、沖擊電流Iimp:由電流峰值Ipeak和電荷量Q確定，其試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)動作負(fù)載試驗(yàn)的程序進(jìn)行，是用于I級試驗(yàn)的SPD分類試驗(yàn)。4、最大持續(xù)工作電壓Uc：允許持久施加在SPD上的最大交流電壓有效值或直流電壓。5、電壓保護(hù)水平Up:表征SPD限制接線端子間電壓的性能參數(shù)，其值可從優(yōu)選值的列表中選擇，該值應(yīng)大于限制電壓的最高值。6、限制電壓

12、：施加規(guī)定波形和幅值的沖擊電壓時，在SPD接線端間測得的最大電壓峰值。7、殘壓：放電電流流過SPD時，在其端子間的電壓峰值。8SPD的脫離器：當(dāng)SPD失效時，把SPD從電源系統(tǒng)斷開所需的裝置。9、持續(xù)運(yùn)行電流：在對SPD加上Uc時，流入SPD保護(hù)元件的電流和流入和其并聯(lián)的內(nèi)部電路的電流之和。10、續(xù)流If:當(dāng)SPD放電動作剛結(jié)束瞬間，流過SPD的由供電電源提供的工頻電流。11、插入損耗：在特定的頻率下，連接到給定供電系統(tǒng)的SPD插入損耗是指試驗(yàn)時，插入SPD之前和以后，出現(xiàn)在橫跨干線緊靠插入點(diǎn)之后的電壓比，對信息線路用SPD而言，插入損耗是在傳輸系統(tǒng)中接入SPD前后傳輸系統(tǒng)的功率之比值。用dB

13、（分貝）表示。12、比特差錯率BER:在一給定的時間內(nèi)，信息傳輸系統(tǒng)中不正確地傳輸比特?cái)?shù)和總傳輸比特?cái)?shù)之比。13、SPD的頻率范圍fG:連接至信號線路的SPD在接入線路后，能產(chǎn)生能量損耗，規(guī)定在3dB的插入損耗下，取起始頻率至截止頻率為用于信號線路SPD的頻率范圍。14、SPD的數(shù)據(jù)傳輸速率bPS:用于信息線路的SPD在接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后應(yīng)不影響系統(tǒng)傳出的上限數(shù)據(jù)傳輸速率，用1s內(nèi)傳輸比特值bPS表示，即bPS/S15、回波損耗AR:在高頻工作條件下，前向波在SPD插入點(diǎn)產(chǎn)生反射的能量比，它是衡量SPD和被保護(hù)系統(tǒng)的波阻抗匹配程度的一個參數(shù)。AR是反射系數(shù)倒數(shù)的一個模量，單位為分貝（dB）。當(dāng)阻抗

14、可確定時，可從下列公式確定AR:AR=20<lgM0D(Z1+Z2)/(Z1-Z2)式中：Z1:阻抗不連續(xù)點(diǎn)之前傳輸線的特性阻抗或源阻抗。Z2:不連續(xù)點(diǎn)之后的特性阻抗或從源和負(fù)載間的結(jié)合點(diǎn)所測到的負(fù)載阻抗。MOD是阻抗模的計(jì)算。16、近端交擾NEXT:交擾在干擾通道中的傳播方向和電流在干擾通道中的傳播方向相反。持續(xù)近端交擾的干擾通道端口通常和干擾通道的供能端接近或重合。17、I級分類試驗(yàn)：對試品進(jìn)行標(biāo)稱放電電流In,1.2/50g沖擊電壓和最大沖擊電流Iimp的試驗(yàn)，Iimp的波形為10/350Q。18、"級分類試驗(yàn)：對試品進(jìn)行標(biāo)稱放電電流In,1.2/50宙沖擊電壓和最大放電

15、電流Imax的試驗(yàn)。Imax的波形為8/20Q。19、皿級分類試驗(yàn)：對試品進(jìn)行混合波(1.2/50宙，8/20試驗(yàn)。注：IEC61643-1序言中指出：I級分類試驗(yàn)用于模擬導(dǎo)入的部分雷電流沖擊，經(jīng)I級分類試驗(yàn)的SPD一般建議安裝在暴露處，如裝有防雷裝置的建筑物入戶處，H級和皿級分類試驗(yàn)用于承受持續(xù)時間短的雷擊電磁脈沖，此類SPD一般安裝在較少暴露處。四、低壓配電系統(tǒng)SPD的選擇使用現(xiàn)在的防雷工程技術(shù)已進(jìn)入一個新時期，要考慮雷電的各種物理特性和作用而實(shí)施。強(qiáng)大的閃電產(chǎn)生的靜電場變化、磁場變化和電磁輻射，在一定范圍內(nèi)造成許多微電子設(shè)備的損壞。從前的防雷概念局限于沿著閃電電流或者閃電電壓波傳輸?shù)囊痪S

16、通道來考慮，但到了20世紀(jì)80年代以后則不同了，閃電在一維通道四周的三維空間產(chǎn)生危害。因此防雷工程必須從三維空間來設(shè)防。這是一種全新的思維，原來以為一個雷擊被避雷針引入大地就達(dá)到了防雷的需要，不會出現(xiàn)雷災(zāi)。可是在幾公里空間范圍內(nèi)仍有許多單位出現(xiàn)雷災(zāi)，甚至損失嚴(yán)重。這是因?yàn)?，現(xiàn)今的各種電氣和電子產(chǎn)品不得不在嚴(yán)重污染的電磁環(huán)境中工作。這種污染來自雷電、電氣系統(tǒng)操作及故障，還有靜電。它們所產(chǎn)生的異常高電壓對信息技術(shù)產(chǎn)品的危害尤其嚴(yán)重。因?yàn)檫@類產(chǎn)品中大量使用著各種集成電路(IC),其中元器件的尺寸，導(dǎo)線之間的間距只有幾微米，甚至小于1口。因此作用在它們上面的沖擊電壓只要稍微比設(shè)計(jì)值高一點(diǎn)就能使它們損壞

17、。而這種損壞所造成的損失主要不在設(shè)備本身，而是因這些信息技術(shù)設(shè)備停止工作或工作錯亂所造成的間接損失。例如一臺銀行電腦的電源板被雷擊感應(yīng)電壓打壞，更換其中損壞的元件可能只是百元左右，但由于停機(jī)或內(nèi)存資料丟失所造成的損失則無法計(jì)算。所以對于現(xiàn)代電子設(shè)備，特別是信息技術(shù)產(chǎn)品，防護(hù)異常過電壓是個必須認(rèn)真解決，絲毫不能馬虎的課題。簡單而草率地將SPD裝置在各種線路中并不意味著就是最優(yōu)的保護(hù)方案，只有正確地選擇、配置、安裝才能使SPD達(dá)到預(yù)期的效果，使保護(hù)方案成功地付諸實(shí)施。SPD正常發(fā)揮效用的前提是將浪涌電壓而引起的浪涌電流以最短的途徑通過等電位系統(tǒng)接地。電源線、信號線、金屬管道等都要通過等電位連接導(dǎo)體

18、或電涌保護(hù)器進(jìn)行等電位連接，各個局部等電位連接排互相連接。并最后和主等電位連接排相連。根據(jù)感應(yīng)原理，電感量越大瞬間電流在電路中產(chǎn)生的電壓越高。V=Ldi/dt。而電感量主要和導(dǎo)線長度有關(guān)，而和導(dǎo)線截面關(guān)系不大。因此應(yīng)使導(dǎo)線盡可能地短，盡量做到在需保護(hù)的區(qū)域內(nèi)，所有導(dǎo)電部件都可認(rèn)為是有接近相等的電位，因而不存在顯著的電位差。1、電涌保護(hù)器配置方案等級的確定：(1)決定系統(tǒng)設(shè)備損壞的可接受的最大年平均雷擊次數(shù)NcNc=5.8X0-3/(C1+C2+C3+C4+C5)次/年(1)其中C1、C2、C3、C4、C5的取值見表4.1注：有些專家認(rèn)為Nc應(yīng)為5.8X0-2/(C1+C2+C3+C4+C5)較適合我國國情和業(yè)主的接受能力(2)根據(jù)地區(qū)雷暴日Td,決定地區(qū)雷擊頻度Ng次/K川年注：C4一欄中防雷分區(qū)的概念引自GB5005794(2000年版)LPZOA區(qū)：本區(qū)內(nèi)的各物體都