淺談浪涌保護(hù)器（SPD）原理及其在建筑防雷中的應(yīng)用

孟 昆

浪涌就是指電氣設(shè)備和電氣系統(tǒng)中瞬間過電壓極高，超出電氣系統(tǒng)正常的工作電壓，或者說，浪涌就是在瞬間發(fā)生的一種劇烈高能量脈沖。發(fā)生浪涌時(shí)會(huì)對(duì)電氣設(shè)備和電氣系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p傷，為保護(hù)電氣設(shè)備和系統(tǒng)，必須針對(duì)浪涌進(jìn)行防護(hù)。浪涌保護(hù)器（SPD）是為解決此問題的專用設(shè)備。SPD 的原型最早出現(xiàn)于19 世紀(jì)末，當(dāng)時(shí)主要用于架空輸電線路，是為了防止雷擊損壞設(shè)備絕緣導(dǎo)致停電而發(fā)明的最原始的電涌保護(hù)器—羊角形間隙。20 世紀(jì)20 ～70 年代分別出現(xiàn)了鋁浪涌保護(hù)器，氧化膜浪涌保護(hù)器、丸式浪涌保護(hù)器、管式浪涌保護(hù)器、碳化硅防雷器及金屬氧化物浪涌保護(hù)器。現(xiàn)代高壓浪涌保護(hù)器不僅用于限制電力系統(tǒng)中因雷電引起的過電壓，也用于限制因系統(tǒng)操作產(chǎn)生的過電壓。1992 年以來，以德、法為代表的工控標(biāo)準(zhǔn)35 mm 導(dǎo)軌卡接式可拔插SPD 防雷模塊開始大規(guī)模引入中國，隨后以美、英為代表的一體化箱式電源防雷組合也進(jìn)入中國[1-2]。

雷電的破壞力極大，且會(huì)通過多種途徑侵入建筑物內(nèi)。建筑物防雷的核心本質(zhì)是防治雷電直接或間接導(dǎo)致的浪涌破壞，傳統(tǒng)建筑物僅靠外部的避雷針、避雷帶是不夠的。雷電波直接或間接侵入各電氣通道和金屬通道引起的過壓和過電流將對(duì)電氣設(shè)備和系統(tǒng)，特別是對(duì)微電子設(shè)備產(chǎn)生極大危害，輕則毀壞線路和設(shè)備，重則使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，甚至引發(fā)爆炸等災(zāi)害，對(duì)室內(nèi)人員的安全產(chǎn)生極大威脅。

現(xiàn)代建筑防雷的突出特點(diǎn)是綜合性強(qiáng)，強(qiáng)調(diào)整體規(guī)劃、內(nèi)外部相結(jié)合、多重保護(hù)和綜合治理?，F(xiàn)代防雷技術(shù)主要兩個(gè)原則：第1，將雷電能量通過預(yù)先設(shè)置的路徑向大地釋放；第2，通過采取技術(shù)措施將建筑物內(nèi)人員、設(shè)備周圍的雷電能量抑制到所容許的安全范圍之內(nèi)。SPD 在防雷系統(tǒng)中的應(yīng)用能滿足防雷需求，能實(shí)現(xiàn)高效防雷，在建筑工程防雷中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

1 主要的防雷技術(shù)措施

目前建筑工程防雷技術(shù)按照防治類型主要分為防止雷電直擊建筑物產(chǎn)生的巨大雷電流入侵，防治非直擊雷電產(chǎn)生的感應(yīng)電流和雷電脈沖的損害，減小跨步由于雷電流產(chǎn)生巨大電壓的危害，在電氣設(shè)備和電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵線路上采取措施對(duì)雷電瞬間巨大的電流能量進(jìn)行限制4 種。

其中，防止雷電直擊建筑物產(chǎn)生的巨大雷電流入侵的主要技術(shù)措施為安裝避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等，主要作用為將雷電流直接導(dǎo)入大地，但會(huì)使導(dǎo)入大地的導(dǎo)線流出現(xiàn)巨大電流，產(chǎn)生電磁場，也可能損害設(shè)備。防治非直擊雷電產(chǎn)生的感應(yīng)電流和雷電脈沖的損害的主要技術(shù)措施為設(shè)置金屬網(wǎng)、金屬殼等封閉/半封閉保護(hù)層對(duì)電氣設(shè)備和電氣系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽，主要作用為限制某一區(qū)域內(nèi)部的電磁能量向外傳播，防止或降低外界電磁輻射能量向被保護(hù)的空間傳播。減小跨步由于雷電流產(chǎn)生巨大電壓的危害采用的主要技術(shù)措施為進(jìn)行等電位連接，主要作用包括為電流提供低阻抗的連續(xù)通道，引導(dǎo)電流進(jìn)入大地；使系統(tǒng)各部分不產(chǎn)生足以致?lián)p的電位差，達(dá)到保護(hù)設(shè)備和人身安全的目的。在電氣設(shè)備和電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵線路上對(duì)雷電瞬間產(chǎn)生的巨大電流能量進(jìn)行限制，主要采用的技術(shù)措施為安裝浪涌保護(hù)器等分流型保護(hù)元器件，主要作用為按照所劃分的防雷保護(hù)區(qū)對(duì)雷電能量分級(jí)泄放，盡可能將多余能量在引入電子設(shè)備或電氣系統(tǒng)之前排入地下。

2 浪涌產(chǎn)生原因及SPD 的基本功用

浪涌是超出正常工作電壓的瞬間過電壓，是一種發(fā)生在微秒或納秒時(shí)間內(nèi)的劇烈脈沖。重型設(shè)備、電源切換或大型發(fā)動(dòng)機(jī)都可以引起浪涌，但雷電產(chǎn)生的電磁脈沖引起瞬態(tài)過電壓產(chǎn)生浪涌的危害性最為嚴(yán)重。SPD 的作用如下：

1）抑制浪涌電壓。SPD 的作用是利用非線性特性將回路中的瞬態(tài)過電壓幅值限制在能夠承受的范圍，這種回路包括供電系統(tǒng)的有源線路和信號(hào)傳輸線，可以達(dá)到保護(hù)電子設(shè)備的目的。

2）構(gòu)筑雷電防護(hù)區(qū)。SPD 能實(shí)現(xiàn)與屏蔽體的帶電導(dǎo)體瞬態(tài)等電位連接功能，與屏蔽體共同構(gòu)筑了雷電防護(hù)區(qū)，雷電防護(hù)區(qū)導(dǎo)體中的浪涌在邊界得到分流，雷電防護(hù)區(qū)空間中的電磁場得到衰減，使設(shè)備能大部分置于雷電防護(hù)較強(qiáng)區(qū)域內(nèi)，極少設(shè)備可能在雷電防護(hù)較弱區(qū)域，有效降低雷電的危害。

3 SPD 分類及原理特性

目前，SPD 一般分為開關(guān)型、限壓型、分流和扼流型3 類。其中，用作開關(guān)型SPD 裝置的器件主要有氣體放電管（GDT）、放電間隙、閘流晶體管等，其工作原理：無雷電瞬時(shí)過電壓時(shí)呈現(xiàn)為高阻抗，雷電瞬時(shí)過電壓突變?yōu)榈椭?，快速引?dǎo)電流通過。用作限壓型SPD 裝置的器件主要有壓敏電阻、抑制二極（TVS）管、雪崩二極管等，其工作原理：無雷電瞬時(shí)過電壓時(shí)呈現(xiàn)為高阻抗，但隨浪涌電流和電壓的增加，其阻抗會(huì)不斷減小，電流電壓特性為強(qiáng)烈非線性。用作分流和扼流型SPD 裝置的器件主要有扼流線圈、高通濾波器、低通濾波器、1/4 波長短路器等，其工作原理：分流型對(duì)雷電脈沖呈現(xiàn)為低阻抗，而對(duì)正常工作頻率呈現(xiàn)為高阻抗；扼流型對(duì)雷電脈沖呈現(xiàn)為高阻抗，而對(duì)正常的工作頻率呈現(xiàn)為低阻抗。實(shí)踐應(yīng)用中典型的SPD 裝置器件有：GDT、壓敏電阻、TVS 管等[3]。

3.1 開關(guān)型SPD中氣體放電管器件的特性

氣體放電管封裝外殼一般為絕緣陶瓷的中空密封結(jié)構(gòu)，充滿惰性氣體，電極數(shù)量常見2 個(gè)、3 個(gè)和5 個(gè)電極這3 類。當(dāng)極間有一定電壓時(shí)，惰性氣體開始游離，當(dāng)電壓達(dá)到并超過惰性氣體的擊穿強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)立即發(fā)生“負(fù)阻”特性，轉(zhuǎn)為導(dǎo)電狀態(tài)，從而限制了極間電壓，氣體放電管抑制波形圖見圖1。

圖1 氣體放電管抑制波形圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

氣體放電管具有載流能力大、響應(yīng)時(shí)間快、體積小、成本低、性能穩(wěn)定及壽命長等特點(diǎn)，特別適用于易遭受直接雷擊部位的雷電過電壓保護(hù)，一般用于防雷工程的第一級(jí)或第二級(jí)的保護(hù)上；其極間絕緣電阻大，寄生電容很小，所以用于對(duì)高頻電子線路的保護(hù)有著明顯的優(yōu)勢。然而，氣體放電管由于其本身在放電時(shí)的延時(shí)性較大和動(dòng)作靈敏性不夠理想，所以氣體放電管一般在防雷工程的應(yīng)用上大多與限壓型SPD 綜合應(yīng)用。

3.2 限壓型SPD中氧化鋅壓敏電阻器原理特性

常見的電子陶瓷工藝制成的多晶半導(dǎo)體陶瓷元件以氧化鋅為主，加入三氧化二鉍、氧化鈷、碳酸錳等金屬氧化物，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)、焊接和包封等工序共同構(gòu)成。氧化鋅陶瓷由氧化鋅晶粒及晶界物質(zhì)組成，其中氧化鋅晶粒中摻有雜質(zhì)而呈N 型半導(dǎo)體，晶界物質(zhì)中含有大量金屬氧化物形成大量界面態(tài)，許多顆粒物相互擠壓成型三維結(jié)構(gòu)，任何2 個(gè)顆粒之間都形成一個(gè)半導(dǎo)體結(jié)（PN 結(jié)），半導(dǎo)體結(jié)的數(shù)量決定了整體器件的耐壓等級(jí)，而整體器件的尺寸決定其通流量。圖2是壓敏電阻器等效電路。

圖2 壓敏電阻器等效電路（來源：網(wǎng)絡(luò)）

根據(jù)氧化鋅壓敏電阻器的導(dǎo)電機(jī)理，當(dāng)電路中出現(xiàn)雷電過電壓時(shí)，氧化鋅壓敏電阻器以納秒級(jí)時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)非線性導(dǎo)電特性，使兩端電壓迅速下降到遠(yuǎn)小于過壓的程度，保護(hù)電氣設(shè)備[4]。氧化鋅壓敏電阻的伏安特性如圖3。

圖3 氧化鋅壓敏電阻的伏安特性圖（來源：網(wǎng)絡(luò)）

氧化鋅壓敏電阻限制電壓低、響應(yīng)速度快、無續(xù)流，一般適用于戶內(nèi)，國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)要求將它們安裝在各雷電防護(hù)區(qū)的交界處。但氧化鋅壓敏電阻是一次性使用的，因?yàn)槭艿竭^壓（過流）沖擊以后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化，可靠性差且易老化。

3.3 限壓型SPD中TVS管器件特性

TVS 管又叫鉗位型二極管或穩(wěn)壓管，會(huì)在可設(shè)定的準(zhǔn)確值電壓值時(shí)被擊穿，低于設(shè)定電壓值無法擊穿使TVS 管可以用作限制或保護(hù)的原件，屬于目前采用最普遍的高效能電路保護(hù)器件，能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率[5]。TVS 管是由加大了半導(dǎo)體結(jié)（PN 結(jié)）而構(gòu)成的加強(qiáng)型齊納管，其工作曲線非常接近理想值。但由于其承受的電流相對(duì)較小，所以一般用做電子設(shè)備內(nèi)部的保護(hù)器件。抑制二極管特性曲線如圖4。其中，曲線1 是TVS 管中的電流波形，其表明：當(dāng)雷電、過壓等浪涌沖擊時(shí)突然上升到峰值，然后按指數(shù)規(guī)律下降。曲線2 是TVS 管兩端的電壓波形，其表明：在受到雷電、過壓等浪涌沖擊電流突然上升時(shí)，TVS 兩端電壓也隨電流快速上升到達(dá)UC值，UC僅略大于UBR，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用。

圖4 抑制二極管特性曲線（來源：網(wǎng)絡(luò)）

4 SPD 的分級(jí)防護(hù)

雷擊的能量極大，難以一級(jí)實(shí)現(xiàn)泄放，合理做法是通過先后順序依次分級(jí)泄放，最終將能量導(dǎo)入大地，所以浪涌防護(hù)必須分級(jí)進(jìn)行。根據(jù)空間內(nèi)雷電電磁脈沖的強(qiáng)度不同，對(duì)建筑物進(jìn)行分區(qū)就是防雷分區(qū)。其中，對(duì)于有可能發(fā)生直接雷擊，電磁脈沖強(qiáng)度沒有衰減的區(qū)域，設(shè)定為LPZ0區(qū)，LPZ0區(qū)通常為建筑物外部。完全暴露不設(shè)防區(qū)域?yàn)長PZ0A區(qū)，小機(jī)率被直接雷擊但本身電磁脈沖強(qiáng)度沒有衰減的區(qū)域?yàn)長PZ0B。建筑物內(nèi)部受到建筑物的外部防雷系統(tǒng)（避雷針、避雷帶等）、建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋、金屬結(jié)構(gòu)等，電氣設(shè)備和電氣系統(tǒng)的金屬外殼等多層防護(hù)屬于非暴露區(qū)，越往建筑物的內(nèi)部，電磁脈沖強(qiáng)度越低，危險(xiǎn)程度也越低，稱之為LPZ1區(qū)和LPZ2區(qū)。

4.1 第1級(jí)保護(hù)

第1 級(jí)保護(hù)的作用為泄放直接雷擊電流，該級(jí)保護(hù)主要防止浪涌電壓直接從LPZ0區(qū)傳導(dǎo)進(jìn)入LPZ1區(qū)，主要安裝在用戶供電系統(tǒng)入口進(jìn)線各相和大地之間，如入戶電力變壓器低壓側(cè)安裝三相電壓開關(guān)型電源SPD。第1 級(jí)保護(hù)后仍然存在殘余電壓，且只有第2 級(jí)保護(hù)是無法實(shí)現(xiàn)完全保護(hù)的。

4.2 第2級(jí)防護(hù)

第2 級(jí)防護(hù)是針對(duì)殘余電壓進(jìn)行泄放且應(yīng)對(duì)區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊。經(jīng)過第1 級(jí)SPD 的傳輸線路也會(huì)感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射，當(dāng)線路足夠長，感應(yīng)雷的能量就變得足夠大，需要第2 級(jí)SPD 進(jìn)一步對(duì)雷擊能量實(shí)施泄放[6]。該級(jí)保護(hù)主要是對(duì)LPZ1—LPZ2實(shí)施等電位連接。第2 級(jí)SPD主要安裝在重要或敏感用電設(shè)備供電電源處，如在分配電柜線路輸出的電源處安裝[7]。

4.3 第3級(jí)保護(hù)

第3 級(jí)保護(hù)是對(duì)剩余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)的最后防線，一般可設(shè)置在特別重要或特別敏感的電氣設(shè)備和電氣系統(tǒng)的內(nèi)部，達(dá)到完全消除較小的瞬時(shí)電壓的作用，同時(shí)也能防止設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓對(duì)設(shè)備的影響。

5 SPD 安裝注意事項(xiàng)

第1 級(jí)保護(hù)的SPD 應(yīng)安裝在低壓供電系統(tǒng)并放置建筑物的入口處，多指在變壓器的低壓側(cè)，第2 級(jí)保護(hù)的SPD 應(yīng)盡量靠近被保護(hù)設(shè)備電源處安裝，第3 級(jí)保護(hù)的SPD 應(yīng)安裝在保護(hù)設(shè)備內(nèi)部線路中。SPD 連接導(dǎo)線要盡可能短而直?？紤]過電流或接地故障的影響，以及性能退化、壽命終止等原因，應(yīng)安裝過電流保護(hù)裝置電源SPD、信號(hào)SPD 的接地線不能與建筑物避雷針的接地線連接，并且應(yīng)盡量與之遠(yuǎn)離，有條件的場合，應(yīng)設(shè)置專用的接地裝置，并盡量減小接地電阻。SPD 的3 級(jí)保護(hù)并非一成不變，應(yīng)根據(jù)被保護(hù)電氣設(shè)備和電氣系統(tǒng)的耐壓等級(jí)確定分級(jí)防護(hù)。如，當(dāng)建筑物內(nèi)有需要重要保護(hù)的設(shè)備的電源系統(tǒng)，其耐壓水平較低，需要進(jìn)行4 級(jí)甚至更多級(jí)別的防護(hù)工作；同理當(dāng)建筑物內(nèi)沒有需要重要保護(hù)的電源系統(tǒng)并且耐壓水平較高時(shí)，2 級(jí)防護(hù)也能保證防護(hù)效果。

6 結(jié)語

通過了解和掌握SPD 功能原理，本文提出SPD 的幾點(diǎn)特性：保護(hù)通流量大，殘壓極低，響應(yīng)時(shí)間快；采用最新滅弧技術(shù)，徹底避免火災(zāi)；采用溫控保護(hù)電路，內(nèi)置熱保護(hù)；帶有電源狀態(tài)指示，指示浪涌保護(hù)器工作狀態(tài)；結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，工作穩(wěn)定可靠。只要合理選用不同型號(hào)的SPD，在建筑工程防雷中就能有效降低和防止雷電對(duì)建筑物及設(shè)備的損害。同時(shí)，必須謹(jǐn)慎使用瞬間電壓浪涌抑制器（TTSS）技術(shù)的浪涌抑制設(shè)備。雖然抑制器可以防止大的瞬間高壓，如閃電雷擊，但是對(duì)低到一定程度仍然對(duì)電子設(shè)備有害的瞬間電壓無抑制作用，把瞬間高壓引到地下，還可能返回并對(duì)其他設(shè)備造成損傷。