建筑物浪涌保護(hù)器（SPD）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

羅祿全

摘? 要：建筑物浪涌保護(hù)器常被用于建筑電氣系統(tǒng)中抑制過(guò)電壓。隨著電氣設(shè)備的微型化發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要滿足其安裝要求，同時(shí)還要滿足其結(jié)構(gòu)和電氣性能要求。文章從建筑物浪涌保護(hù)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，首先分析其結(jié)構(gòu)組成和原理，然后以絕緣設(shè)計(jì)和滅弧設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析，包括其電極和滅弧運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。以此來(lái)提高建筑物浪涌保護(hù)器的性能。

關(guān)鍵詞：浪涌保護(hù)器;建筑物;結(jié)構(gòu);滅弧

中圖分類號(hào)：TU895? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）09-0093-02

Abstract： Surge protectors of the building are often used to suppress overvoltage in building electrical systems. With the development of miniaturization of electrical equipment， structural design should not only meet its installation requirements， but also meet its structural and electrical performance requirements. From the point of view of the structural design of the building surge protector， this paper first analyzes its structural composition and principle， and then takes the insulation design and arc extinguishing design as an example， including the design of its electrode and arc extinguishing mechanism，? in order to improve the performance of the surge protector.

Keywords： surge protector; building; structure; arc suppression

引言

近年來(lái)氣候的異常變化，極大的增加了雷電災(zāi)害的發(fā)生率。電子設(shè)備的集成化應(yīng)用，提高了建筑物的智能化水平，但是其耐壓性能卻在逐漸降低。雷電影響是引起建筑物供電系統(tǒng)中浪涌的主要來(lái)源。雷電引入到電子設(shè)備的暫態(tài)過(guò)電壓極易破壞電子設(shè)備。因此，在建筑物供電系統(tǒng)中除了采取一定的避雷措施外，還應(yīng)裝設(shè)浪涌保護(hù)器。浪涌保護(hù)器可以在極短的時(shí)間內(nèi)，將較大電流接地，可以避免建筑物火災(zāi)。因此，浪涌保護(hù)器對(duì)于穩(wěn)定性和可靠性要求較高，基于此，本文對(duì)建筑物浪涌保護(hù)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1 浪涌保護(hù)器的分類

浪涌保護(hù)器用途比較廣泛，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同其使用場(chǎng)合也不盡相同。從用途來(lái)看，可以將浪涌保護(hù)器分為電源保護(hù)器和信號(hào)保護(hù)器。而從其工作原理來(lái)看，可以將其分為開(kāi)關(guān)型、限壓型和分流型。

（1）開(kāi)關(guān)型SPD。根據(jù)電流的通斷狀態(tài)呈現(xiàn)出開(kāi)關(guān)特性。當(dāng)電路中沒(méi)有瞬態(tài)過(guò)電壓時(shí)，SPD對(duì)外呈現(xiàn)高阻抗，阻斷電路電流流過(guò)。一旦電路中出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)電壓，其內(nèi)部阻抗陡然降低，呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)過(guò)電壓消失，恢復(fù)高阻抗?fàn)顟B(tài)。該類型的SPD內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括：放電間隙、氣體放電管和晶閘管等。

（2）限壓型SPD。當(dāng)電路中沒(méi)有過(guò)電壓時(shí)，其狀態(tài)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)型SPD。該SPD的特點(diǎn)在于，其內(nèi)部阻抗與電涌電流非線性負(fù)相關(guān)，電涌電流越大其阻抗越小。通過(guò)限制流過(guò)的電流來(lái)保證電路電壓的穩(wěn)定。該類型的SPD內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括氧化鋅、壓敏電阻、抑制二極管、雪崩二極管等。

（3）分流型或扼流型。分流型或扼流型其本質(zhì)還是為了保證電氣設(shè)備的不受外部脈沖電壓或電流的沖擊。通過(guò)分流或者阻斷電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。分流型在正常頻率下表現(xiàn)為高阻狀態(tài)，扼流型正常頻率下表現(xiàn)為低阻狀態(tài)。

2 浪涌保護(hù)器的基本機(jī)構(gòu)及原理

浪涌保護(hù)器的主要作用在于限壓，因此限壓元件為核心部件，另外還包括放電間隙、放電管、電阻和線圈等輔助元件組成。常見(jiàn)建筑浪涌保護(hù)器外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）放電間隙。放電間隙是指浪涌保護(hù)器裸露在大氣中的金屬物體間隙。兩根金屬棒分別接電源和大地，在正常情況下呈現(xiàn)斷開(kāi)狀態(tài)。一旦電路中有瞬時(shí)的過(guò)電壓，該放電間隙即被擊穿，把一部分過(guò)電壓電荷導(dǎo)入大地，避免被保護(hù)設(shè)備上因電壓突然升高而損壞。

（2）氣體放電管。氣體放電管是由相對(duì)的金屬導(dǎo)體，中間留有一定的放電間隙，放電間隙被惰性氣體（Ar）填充，然后進(jìn)行封裝而成。當(dāng)施加在氣體放電管兩端的電壓超過(guò)一定值時(shí)，放電間隙被擊穿導(dǎo)電。為了提高可靠性，還可以配置觸發(fā)劑。

（3）壓敏電阻。壓敏電阻的主要成分為氧化鋅，其對(duì)電壓非常敏感，當(dāng)施加在兩端的電壓超過(guò)導(dǎo)通閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通電路。其工作特性類似于多個(gè)PN結(jié)串并聯(lián)，可以在極短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)瞬時(shí)過(guò)電壓。在浪涌保護(hù)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，壓敏電阻的選用及結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響較大。

（4）抑制二極管。浪涌保護(hù)器中抑制二極管，主要是由于其可以工作在方向擊穿區(qū)，可以迅速的響應(yīng)并將電壓鉗位在最低。因此，可以作為浪涌保護(hù)的最后一級(jí)保護(hù)。

浪涌保護(hù)器的核心部件在于電壓型限流元件，或者擺動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)。擺動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)通過(guò)電極與擺桿的配合動(dòng)作來(lái)完成電涌的泄放。電壓限流半導(dǎo)體的電阻可以隨著施加在其上的電壓進(jìn)行變化。電壓的不同會(huì)引起內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)的變化，當(dāng)電壓低于閾值時(shí)，對(duì)外表現(xiàn)出非常高的阻性，當(dāng)電壓超過(guò)閾值時(shí)，其阻性會(huì)迅速的降低，向?qū)w轉(zhuǎn)化。電壓在閾值內(nèi)，限流元件處于高阻狀態(tài)，電路斷開(kāi)。電壓過(guò)高，隨著電壓的升高，電阻降低，通過(guò)的電流會(huì)增大，從而起到消除過(guò)電壓和穩(wěn)壓的作用。此時(shí)，限流元件、大地和火線形成一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋電路，火線電壓逐漸回復(fù)正常，從而限流元件再次向高阻抗轉(zhuǎn)化，最后阻斷電流。由此可見(jiàn)，限流元件對(duì)于遏制浪涌電流效果明顯。

另外，其他放電管也可以表現(xiàn)出與限流元件相類似的特性。通過(guò)在兩根電線之間使用惰性氣體作為導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)此浪涌防護(hù)功能。其原理類似，不再贅述。

3 建筑物浪涌保護(hù)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 SPD絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑物電涌保護(hù)器裝設(shè)在建筑電氣系統(tǒng)中，長(zhǎng)時(shí)間工作在過(guò)電壓狀態(tài)，因此其絕緣容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象。絕緣性能一旦下降，不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，浪涌保護(hù)器就會(huì)失去抑制電路過(guò)電壓的能力，絕緣性能下降，甚至?xí)霈F(xiàn)電力系統(tǒng)異常接地情況，因此，對(duì)于浪涌保護(hù)器的絕緣設(shè)計(jì)是非常重要的。

浪涌保護(hù)器的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面。其一是內(nèi)部電路與外殼的絕緣設(shè)計(jì)，由于浪涌保護(hù)器一旦接通將會(huì)有大電流通過(guò)，為了保證外殼不被擊穿，需要采用特殊耐壓材料制作，對(duì)于結(jié)構(gòu)緊湊耐壓要求較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，宜采用絕緣材料灌注的方式，提供其絕緣性能。另一方面是，浪涌保護(hù)器在呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)時(shí)兩極之間的絕緣性能設(shè)計(jì)，宜選用高性能非線性限壓元件。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，要根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)其爬電距離、阻抗、絕緣耐壓是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 SPD放電間隙滅弧設(shè)計(jì)

當(dāng)流經(jīng)浪涌保護(hù)器的電流過(guò)大，會(huì)引起浪涌保護(hù)器溫度的迅速升高，為了避免引發(fā)火災(zāi)，部分浪涌保護(hù)器具有過(guò)熱保護(hù)功能。但是浪涌保護(hù)器在導(dǎo)通狀態(tài)下，內(nèi)部有大電流流過(guò)，斷開(kāi)電路會(huì)產(chǎn)生電弧，如何滅弧就成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

滅弧通常采用的方法有：拉長(zhǎng)電弧、滅弧罩、油冷滅弧、氣吹滅弧、柵片滅弧和真空滅弧等，建筑浪涌保護(hù)器結(jié)構(gòu)限制，因此優(yōu)先考慮柵片滅弧。柵片滅弧是通過(guò)將電弧分隔熄滅的原理，長(zhǎng)電弧隔離成為數(shù)個(gè)短弧，電弧兩極的電壓下降，不能維持燃弧而熄滅。本設(shè)計(jì)中采用橫向的柵片，對(duì)電弧進(jìn)行強(qiáng)行分隔。

如圖2所示。滅弧機(jī)構(gòu)可以在電極方向橫向移動(dòng)，其與錯(cuò)位桿連接，當(dāng)電極通過(guò)電流較大時(shí)，會(huì)將錯(cuò)位桿的連接點(diǎn)熔化，然后釋放錯(cuò)位桿和滅弧機(jī)構(gòu)。滅弧機(jī)構(gòu)產(chǎn)生橫向的位移，電極會(huì)隨著滅弧結(jié)構(gòu)的移動(dòng)，進(jìn)入到滅弧機(jī)構(gòu)中。通過(guò)電極與擺桿的分離，防止電弧產(chǎn)生，或者產(chǎn)生的電弧隨著結(jié)構(gòu)面爬升。該設(shè)計(jì)可以從電弧的產(chǎn)生和隔離方面迅速熄滅電弧。

如圖2所示，81為滅弧機(jī)構(gòu)，擺桿50會(huì)拉動(dòng)滅弧機(jī)構(gòu)向電極移動(dòng)，將電極完全置于滅弧結(jié)構(gòu)內(nèi)，滅弧蓋板30阻斷電弧爬升通路。滅弧板設(shè)計(jì)如圖3所示。

如圖3所示，側(cè)板32與滑動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，凸柱與滅弧彈簧連接，中間隔板34將滅弧機(jī)構(gòu)隔離出兩個(gè)空腔。當(dāng)合扣點(diǎn)熔化后，滅弧室移動(dòng)將電極嵌入到側(cè)板32與隔板34形成的插槽內(nèi)。從電弧的熄滅原理來(lái)看，這一設(shè)計(jì)可以有效的將電弧隔斷，然后在空腔中熄滅。

4 結(jié)束語(yǔ)

建筑物浪涌保護(hù)器是建筑電氣安全運(yùn)行不可或缺的設(shè)備。浪涌保護(hù)器不僅對(duì)于電路中的過(guò)電壓有抑制作用，另外，還可以對(duì)雷電過(guò)電壓進(jìn)行泄放。隨著設(shè)備向緊湊型發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為提升其性能的關(guān)鍵。本文在浪涌保護(hù)器結(jié)構(gòu)及原理分析的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度重點(diǎn)分析了放電間隙和滅弧結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮了機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)配合，從而達(dá)到良好的滅弧性能。

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