浪涌保護器（SPD）的原理和選型

SPD是Surge Protective Device的簡寫，中文名稱有：電涌保護器、浪涌保護器、防雷柵、雷電浪涌防護器、防雷器等。

SPD浪涌保護器其內(nèi)部包含至少一個非線性元件。當電涌出現(xiàn)時，SPD能在極短的時間導通，將電流泄放到地，其響應(yīng)時間為ns級（10-9S），而電涌的上升速度一般為μs級（10-6S），因此SPD可以把電壓限制在安全的水平，起到保護設(shè)備的作用。

SPD浪涌保護器可以理解為一個“瞬時接地設(shè)備”，對于不帶電的物體如設(shè)備外殼、管道等，一般可以直接接地，而對于帶電的線路，通過SPD來“瞬時接地”。

SPD浪涌保護器內(nèi)部常用的非線性元器件有TVS（瞬態(tài)抑制二極管）、壓敏電阻（MOV）和氣體放電管（GDT）。

這幾種元件中，TVS響應(yīng)最快，但放電電流較小，GDT放電能力大，但是響應(yīng)較慢，MOV的放電能力和響應(yīng)速度均居中。

SPD種類繁多，從應(yīng)用的角度，我們可以把SPD分為電源SPD和信號網(wǎng)絡(luò)SPD。兩者最主要的區(qū)別在于：

1） 電源回路工作電流大，而信號網(wǎng)絡(luò)回路工作電流較小。

2） 電源SPD要求的放電電流較大，而信號網(wǎng)絡(luò)回路要求的放電電流較小。

在實際應(yīng)用中，電源SPD一般并聯(lián)安裝，采用MOV單級保護。

采用并聯(lián)安裝，是因為電源回路工作電流大，如采用串聯(lián)安裝，則SPD需要承受很大的回路工作電流。

采用MOV，是因為TVS放電能力不足，而GDT存在工頻續(xù)流問題。采用單級保護（且不同級之間要求間隔一定的距離），是為了滿足能量協(xié)調(diào)要求（后附工頻續(xù)流和能量協(xié)調(diào)概念解釋）。

地凱科技信號****SPD浪涌保護器一般采用串聯(lián)安裝方式，采用GDT和TVS兩級保護。SPD可以用串聯(lián)安裝方式。

采用串聯(lián)安裝方式，首先是因為信號回路電流小，另外串聯(lián)安裝可以做到多級保護，并且滿足能量協(xié)調(diào)。

采用GDT（和TVS）而不采用MOV，是因為MOV結(jié)電容較高，且放電能力相同的情況下，其尺寸比GDT大很多。另外，信號回路由于電流（電壓）較小，使用GDT時也一般不需要擔心工頻續(xù)流問題。

補充知識1：什么是工頻續(xù)流？

GDT（氣體放電管），屬于開關(guān)型元件，其開關(guān)狀態(tài)取決于其內(nèi)部空氣是否被擊穿。使用開關(guān)型元件的SPD稱作開關(guān)型SPD。開關(guān)型，顧名思義，就是工作在“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)。

當電力線上的電壓低于其開啟電壓時，其工作在“開”（高阻）的狀態(tài)，當電力線電壓高于其開啟電壓時（如電涌產(chǎn)生），其工作在“關(guān)”（導通）的狀態(tài)，可以泄放很大的電流。

開關(guān)型元件的導通狀態(tài)通常是氣體弧光放電的過程，因為維持弧光放電的電壓只需要幾十伏（通常低于電力線的額定工作電壓），所以在電涌消失后，施加在SPD上的電力線電壓使得弧光放電得以維持，這就是工頻續(xù)流。工頻續(xù)流會使得在電涌消失后，SPD無法返回到開路（高阻）狀態(tài)，造成SPD發(fā)熱甚至炸裂，引發(fā)火災事故。

所以開關(guān)型SPD一般只用于電源系統(tǒng)N-PE之間（或低壓低流的信號系統(tǒng)中），如果要應(yīng)用在電力線上，其必須具備續(xù)流遮斷能力。

補充知識2：什么是能量協(xié)調(diào)？

所謂能量協(xié)調(diào)，就是多級SPD或保護元件，其放電能力大小不一，在一起使用時，必須使雷電流合理分配，以保證放電能力較小的SPD或元件不會損壞。

如下圖，SPD1放電能力大，殘壓高，SPD2放電能力小，殘壓低。為了達到較好的保護效果（放電能力大，而且殘壓低），同時使用SPD1和SPD2。但實際情況下，雷電流并不一定按你預想的那樣，大部分經(jīng)SPD1泄放，少部分經(jīng)SPD2泄放。如果做不到能量協(xié)調(diào)，SPD2會因為分擔過大的雷電流而損壞。

同樣，對于信號SPD，也存在能量協(xié)調(diào)問題。如果能量不能協(xié)調(diào)，TVS就容易損壞。

電源SPD在安裝時要求兩級之間間隔5-10m的距離，就是為了實現(xiàn)能量的協(xié)調(diào)；信號SPD一般會在GDT和TVS之間加上一個耦合電阻，其目的也是為了實現(xiàn)能量協(xié)調(diào)。因為電阻會消耗功率，所以只適合在電流較小的信號回路加。

以上了解了SPD的基本工作原理，接下來我們了解一下SPD的主要技術(shù)參數(shù)、SPD選擇。

電源SPD的主要技術(shù)參數(shù)和選擇：

1.最大持續(xù)工作電壓Uc

2.放電能力

標稱放電電流In（8/20us）： SPD能承受該波形沖擊10次以上。

最大放電電流Imax（8/20us）：SPD能承受該波形沖擊至少1次。

沖擊放電電流Iimp（10/350us）：SPD能承受該波形沖擊至少1次

3.電壓保護水平Up

4.SPD的組合模式

SPD是一個“瞬時等電位連接”設(shè)備，在系統(tǒng)正常工作的情況下，其呈現(xiàn)“開”（高阻）的狀態(tài)，因此SPD的Uc值必須高于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大持續(xù)工作電壓，否則SPD安裝后，還沒等浪涌產(chǎn)生，SPD就已經(jīng)損壞，甚至可能引起火災事故。

對于Uc的選擇，標準中GB 50343建議如下：

在這里需要注意相電壓和線電壓的區(qū)別。比如220/380VAC電壓系統(tǒng)中，相電壓是220VAC，線電壓（兩相之間）是380VAC。電源SPD一般是安裝在相與零或相與地之間，所以Uc值應(yīng)該和相電壓220VAC比較。

在實際的應(yīng)用中，Uc值一般都會多留一些余量。不同國家，電網(wǎng)質(zhì)量情況不同。歐洲發(fā)達國家，電網(wǎng)較穩(wěn)定，Uc的余量會小一點。我國電網(wǎng)質(zhì)量一般，Uc余量要大一點。而在一些東南亞國家，電網(wǎng)質(zhì)量可能較惡劣，Uc值需要更高一些。

SPD的放電能力是SPD的核心性能指標，理論上越大越好。其選擇可以參考GB 50343標準。

這個表格，是根據(jù)被保護系統(tǒng)的重要性（ABCD等級）和SPD的安裝位置（防雷分區(qū)），來選擇SPD合適的放電電流。系統(tǒng)的重要性等級越高，SPD安裝位置越“靠外”，選擇的SPD放電電流應(yīng)越大。

需要理解的幾個概念：

1.雷電防護等級

根據(jù)防雷裝置的攔截效率E來確定，A級為98%，B級為90%，C級為80%，D級為80%以下，越重要的建筑，要求的攔截效率越高。由于攔截效率E理論上定量計算比較復雜，標準中還給出了定性的劃分參考。在此不做深入介紹，可參考GB 50343第4章，雷電防護等級劃分和雷擊風險評估。

2.雷電防護分區(qū)：

LPZ0A（LPZ：lightning protection zone），表示該區(qū)域無任何防護，受直接雷擊和全部雷電電磁脈沖威脅的區(qū)域。

LPZ0B，表示受直擊雷保護，但是受到全部雷電電磁脈沖威脅。

LPZ1，表示受直擊雷保護，且內(nèi)部雷電電磁脈沖經(jīng)屏蔽后已經(jīng)衰減。

LPZ2~n，表示受直擊雷保護，且內(nèi)部雷電電磁脈沖經(jīng)進再次屏蔽后繼續(xù)衰減。

電壓保護水平Up：Up值是“表征SPD 限制接線端子間電壓的性能參數(shù)”，是一個“門檻”值，也就是說，在規(guī)定的波形下測得的SPD的限制電壓，都不會超過這個值。

從單一維度講，Up越小越好。但實際上，Up值和Uc、測試波形相關(guān)。Uc越小，測試波形的峰值電壓、電壓上升速率或電流越小，Up越小。標準中，建議Up≤0.8Uw，Uw為設(shè)備耐壓值。一般情況下，這個條件并不難滿足，所以在選擇SPD時，應(yīng)重點確認產(chǎn)品的Uc和放電能力。

*實際應(yīng)用中，有可能Up大的SPD，實際殘壓反而更小。

假設(shè)一個場景，兩臺基于MOV的電源SPD，Uc相同，第1臺SPD，In=20kA，Up=1.5kV；第2臺SPD，In=10kA，Up=1.3kV。第1臺SPD的Up=1.5kV是在20kA下測得的，而第2臺SPD的Up=1.3kV是在10kA下測得的。在實際應(yīng)用中，面對同樣的沖擊電流，第1臺SPD的殘壓理論上會低于第2臺SPD的殘壓，盡管第1臺SPD的Up高于第2臺。

最后是電源SPD的組合模式。它需要根據(jù)電源系統(tǒng)的類型來選擇。

同的電源系統(tǒng)，推薦的SPD組合模式如下：

TN-S：4P（3P+1）

TN-C，IT：3P

TT：3P+1

單相TN：2P

單相TT：1P+1

關(guān)于電源系統(tǒng)的類型的區(qū)別和為什么選擇對應(yīng)SPD組合模式，在此就不深入介紹了。

信號SPD的主要技術(shù)參數(shù)和選擇：

1.最大持續(xù)工作電壓Uc

2.額定工作電流IL

3.放電能力

4.電壓保護水平

5.其他要求

1.Uc：原理上與電源SPD一樣，Uc應(yīng)大于回路的最大工作電壓，且留有一定的余量。不過相比電源SPD，信號SPD的Uc余量可以小一些，因為信號回路電源相對穩(wěn)定。

2.IL：由于信號SPD一般采用串聯(lián)安裝方式，IL不得小于工作回路的持續(xù)工作電流。如果是采用并聯(lián)安裝方式，則不需要考慮該參數(shù)。

3.放電能力：由于信號、信號相關(guān)設(shè)備的多樣性，實際應(yīng)用中的需求也不盡相同。在工控行業(yè)，一般要求In≥5kA，不少品牌已經(jīng)可以做到In=10kA。

4.電壓保護水平，原理上與電源SPD近似。實際應(yīng)該中需要考慮被保護產(chǎn)品的耐壓性能。一般來說，如果被保護產(chǎn)品符合基本的EMC要求，Up值一般都滿足要求。如果被保護產(chǎn)品耐壓水平很低，另做考慮。

5.其他要求，如產(chǎn)品的接口類型、保護線數(shù)、安裝方式、帶寬（高頻信號時需要考慮SPD引起的信號衰減）、防爆要求等等。