浪涌也叫突波，顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過(guò)電壓。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬(wàn)分之一秒時(shí)間內(nèi)的一種劇烈脈沖，可能引起浪涌的原因有:重型設(shè)備、短路、電源切換或大型發(fā)動(dòng)機(jī)。而 含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品可以有效地吸收突發(fā)的巨大能量，以保護(hù)連接設(shè)備免于受損。

浪涌保護(hù)器[1]，也叫防雷器，是一種為各種電子設(shè)備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護(hù)的電子裝置。當(dāng)電氣回路或者通信線路中因?yàn)橥饨绲母蓴_突然產(chǎn)生尖峰電流或者電壓時(shí)，浪涌保護(hù)器能在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通分流，從而避免浪涌對(duì)回路中其他設(shè)備的損害。

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。

1、接閃器 Air-termination system

用于直接接受或承受雷擊的金屬物體和金屬結(jié)構(gòu)，如:避雷針、避雷帶(線)、避雷網(wǎng)等。

2、引下線 Down conductor system

連接接閃器與接地裝置的金屬導(dǎo)體。

3、接地裝置 Earth termination system

接地體和接地體連接導(dǎo)體的總和。

4、接地體 Earth electrode

埋入地中直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體。也稱接地極。直接與大地接觸的各種金屬構(gòu)件、金屬設(shè)施、金屬管道、金屬設(shè)備等可以兼作接地體，稱為自然接地體。

5、接地體連接導(dǎo)體 Earth conductor

從電氣設(shè)備接地端子接到接地裝置的連接導(dǎo)線或?qū)w，或從需要等電位連接的金屬物體、總接地端子、接地匯總板、總接地排、等電位連接排至接地裝置的連接導(dǎo)線或?qū)w。

6、直擊雷 Direct lightning flash

直接擊在建筑物、大地或防雷裝置等實(shí)際物體的雷電。

7、地電位反擊 Back flashover

雷電流經(jīng)過(guò)接地點(diǎn)或接地系統(tǒng)而引起該區(qū)域地電位的變化。地電位反擊會(huì)引起接地系統(tǒng)電位的變化，可能造成電子設(shè)備、電氣設(shè)備的損壞。

8、雷電防護(hù)系統(tǒng) Lightning protection system(LPS)

減少雷電對(duì)建筑物、裝置等防護(hù)目標(biāo)造成損害的系統(tǒng)，包括外部和內(nèi)部雷電防護(hù)系統(tǒng)。

8.1外部雷電防護(hù)系統(tǒng) External lightning protection system

建(構(gòu))筑物外部或本體的雷電防護(hù)部分，通常由接閃器、引下線和接地裝置組成，用于防直擊雷。

8.2內(nèi)部雷電防護(hù)系統(tǒng) Internal lightning protection system

建(構(gòu))筑物內(nèi)部的雷電防護(hù)部分，通常由等電位連接系統(tǒng)、共用接地系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、合理布線、電涌防護(hù)器等組成，主要用于減小和防止雷電流在防護(hù)空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。

引 言

雷電災(zāi)害是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，全世界每年因雷電災(zāi)害造成的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)。隨著電子、微電子集成化設(shè)備的大量應(yīng)用，雷電過(guò)電壓和雷擊電磁脈沖所造成的系統(tǒng)和設(shè)備的損壞越來(lái)越多。因此，盡快解決建筑物和電子信息系統(tǒng)雷電災(zāi)害防護(hù)問(wèn)題顯得十分重要。

隨著相關(guān)設(shè)備對(duì)防雷要求的日益嚴(yán)格，安裝浪涌保護(hù)器(Surge ProtectionDevice,SPD)抑制線路上的浪涌和瞬時(shí)過(guò)電壓、泄放線路上的過(guò)電流成為現(xiàn)代防雷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)之一。

1 雷電的特性

防雷包括外部防雷和內(nèi)部防雷。外部防雷以接閃器(避雷針、避雷網(wǎng)、避雷帶、避雷線)、引下線、接地裝置為主，其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲，將可能擊中建筑物的雷電通過(guò)避雷針(帶、網(wǎng)、線)、引下線等泄放入大地。內(nèi)部防雷包括防雷電感應(yīng)、線路浪涌、地電位反擊、雷電波入侵以及電磁與靜電感應(yīng)的措施。其基該方法是采用等電位聯(lián)結(jié)，包括直接連接和通過(guò)SPD間接連接，使金屬體、設(shè)備線路與大地形成一個(gè)有條件的等電位體，將因雷擊和其他浪涌引起的內(nèi)部設(shè)施分流和感應(yīng)的雷電流或浪涌電流泄放入大地，從而保護(hù)建筑物內(nèi)人員和設(shè)備的安全。

雷電的特點(diǎn)是電壓上升非?？?10μs以內(nèi))，峰值電壓高(數(shù)萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)伏)，電流大(幾十至幾百千安)，維持時(shí)間較短(幾十至幾百微秒)，傳輸速度快(以光速傳播)，能量非常巨大，是浪涌電壓中最具破壞力的一種。

2 浪涌保護(hù)器的分類

SPD是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，其作用是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊。

2. 1 按工作原理分類

按其工作原理分類，SPD可以分為電壓開(kāi)關(guān)型、限壓型及組合型。

⑴電壓開(kāi)關(guān)型SPD。在沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)呈現(xiàn)高阻抗，一旦響應(yīng)雷電瞬時(shí)過(guò)電壓，其阻抗就突變?yōu)榈妥杩?，允許雷電流通過(guò)，也被稱為"短路開(kāi)關(guān)型SPD"。

⑵限壓型SPD。當(dāng)沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)，為高阻抗，但隨電涌電流和電壓的增加，其阻抗會(huì)不斷減小，其電流電壓特性為強(qiáng)烈非線性，有時(shí)被稱為"鉗壓型SPD"。

⑶組合型SPD。由電壓開(kāi)關(guān)型組件和限壓型組件組合而成，可以顯示為電壓開(kāi)關(guān)型或限壓型或兩者兼有的特性，這決定于所加電壓的特性。

2.2按用途分類

按其用途分類，SPD可以分為電源線路SPD和信號(hào)線路SPD兩種。

2.2.1電源線路SPD

由于雷擊的能量是非常巨大的，需要通過(guò)分級(jí)泄放的方法，將雷擊能量逐步泄放到大地。在直擊雷非防護(hù)區(qū)(LPZ0A)或在直擊雷防護(hù)區(qū)(LPZ0B)與第一防護(hù)區(qū)(LPZ1)交界處，安裝通過(guò)Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器或限壓型浪涌保護(hù)器作為第一級(jí)保護(hù),對(duì)直擊雷電流進(jìn)行泄放，或者當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時(shí)，將傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放。在第一防護(hù)區(qū)之后的各分區(qū)(包含LPZ1區(qū))交界處安裝限壓型浪涌保護(hù)器，作為二、三級(jí)或更高等級(jí)保護(hù)。第二級(jí)保護(hù)器是針對(duì)前級(jí)保護(hù)器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護(hù)設(shè)備，在前級(jí)發(fā)生較大雷擊能量吸收時(shí)，仍有一部分對(duì)設(shè)備或第三級(jí)保護(hù)器而言是相當(dāng)巨大的能量，會(huì)傳導(dǎo)過(guò)來(lái)，需要第二級(jí)保護(hù)器進(jìn)一步吸收。同時(shí)，經(jīng)過(guò)第一級(jí)防雷器的傳輸線路也會(huì)感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射。當(dāng)線路足夠長(zhǎng)時(shí)，感應(yīng)雷的能量就變得足夠大，需要第二級(jí)保護(hù)器進(jìn)一步對(duì)雷擊能量實(shí)施泄放。第三級(jí)保護(hù)器對(duì)通過(guò)第二級(jí)保護(hù)器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐壓等級(jí)，假如兩級(jí)防雷就可以做到限制電壓低于設(shè)備的耐壓水平，就只需要做兩級(jí)保護(hù);假如設(shè)備的耐壓水平較低，可能需要四級(jí)甚至更多級(jí)的保護(hù)。

選擇SPD，首先需要了解一些參數(shù)及其工作原理。

⑴ 10/350μs波是模擬直擊雷的波形，波形能量大; 8/20μs波是模擬雷電感應(yīng)和雷電傳導(dǎo)的波形。

⑵標(biāo)稱放電電流In是指流過(guò)SPD、8/20μs電流波的峰值電流。

⑶最大放電電流Imax又稱為最大通流量，指使用8/20μs電流波沖擊SPD一次能承受的最大放電電流。

⑷最大持續(xù)耐壓Uc(rms)指可連續(xù)施加在SPD上的最大交流電壓有效值或直流電壓。

⑸殘壓Ur指在額定放電電流In下的殘壓值。

⑹保護(hù)電壓Up表征SPD限制接線端子間的電壓特性參數(shù)，其值可從優(yōu)選值的列表中選取，應(yīng)大于限制電壓的最高值。

⑺電壓開(kāi)關(guān)型SPD主要泄放的是10/350μs電流波，限壓型SPD主要泄放的是8/20μs電流波。

2.2.2信號(hào)線路SPD

信號(hào)線路SPD其實(shí)就是信號(hào)避雷器，安裝在信號(hào)傳輸線路中，一般在設(shè)備前端，用來(lái)保護(hù)后續(xù)設(shè)備，防止雷電波從信號(hào)線路涌入損傷設(shè)備。

1)電壓保護(hù)水平(UP)的選擇

UP 值不應(yīng)超過(guò)被保護(hù)設(shè)備耐沖擊電壓額定值，UP 要求SPD 與被保護(hù)的設(shè)備的絕緣應(yīng)有良好配合。

在低壓供配電系統(tǒng)裝置中，設(shè)備均應(yīng)具有一定的耐受電涌能力，即耐沖擊過(guò)電壓能力。當(dāng)無(wú)法獲得220/380V 三相系統(tǒng)各種設(shè)備的耐沖擊過(guò)電壓值時(shí)，可按IEC 60664-1 和GB 50057-1994(2000 版)的給定指標(biāo)選用。

2)標(biāo)稱放電電流In 的(沖擊通流容量)選擇

流過(guò)SPD、8/20 μs 電流波的峰值電流。用于對(duì)SPD 做II 級(jí)分類試驗(yàn)，也用于對(duì)SPD 做I 級(jí)和II 級(jí)分類試驗(yàn)的預(yù)處理。

事實(shí)上，In 是SPD 不發(fā)生實(shí)質(zhì)性破壞而能通過(guò)規(guī)定次數(shù)(一般為20 次)、規(guī)定波形(8/20 μs)的最大限度的沖擊電流峰值。

3)最大放電電流Imax(極限沖擊通流容量)的選擇

流過(guò)SPD、8/20 μs 電流波的峰值電流，用于II 級(jí)分類試驗(yàn)。Imax 與In 有許多相同點(diǎn)，他們都是用8/20 μs 電流波的峰值電流對(duì)SPD 做II 級(jí)分類試驗(yàn)。不同之處也很明顯，Imax 只對(duì)SPD 做一次沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)后SPD 不發(fā)生實(shí)質(zhì)性破壞;而In 可以做20次這樣的試驗(yàn)，試驗(yàn)后SPD 也不能有實(shí)質(zhì)性破壞。因此，Imax 是沖擊的電流極限值，所以最大放電電流也稱為極限沖擊通流容量。顯然，Imax>In。

浪涌保護(hù)器(Surge protection Device)是電子設(shè)備雷電防護(hù)中不可缺少的一種裝置，過(guò)去常稱為

"避雷器"或"過(guò)電壓保護(hù)器"英文簡(jiǎn)寫(xiě)為SPD.浪涌保護(hù)器的作用是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)被保護(hù)的設(shè)備或系統(tǒng)不受沖擊而損壞。

浪涌保護(hù)器的類型和結(jié)構(gòu)按不同的用途有所不同，但它至少應(yīng)包含一個(gè)非線性電壓限制元件。用于浪涌保護(hù)器的基本元器件有:放電間隙、充氣放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線圈等。

⒈放電間隙(又稱保護(hù)間隙):

它一般由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成，其中一根金屬棒與所需保護(hù)設(shè)備的電源相線L1或零線(N)相連，另一根金屬棒與接地線(PE)相連接，當(dāng)瞬時(shí)過(guò)電壓襲來(lái)時(shí)，間隙被擊穿，把一部分過(guò)電壓的電荷引入大地，避免了被保護(hù)設(shè)備上的電壓升高。這種放電間隙的兩金屬棒之間的距離可按需要調(diào)整，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是滅弧性能差。改進(jìn)型的放電間隙為角型間隙，它的滅弧功能較前者為好，它是靠回路的電動(dòng)力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。

⒉氣體放電管:

它是由相互離開(kāi)的一對(duì)冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體(Ar)的玻璃管或陶瓷管內(nèi)組成的。為了提高放電管的觸發(fā)概率，在放電管內(nèi)還有助觸發(fā)劑。這種充氣放電管有二極型的，也有三極型的，

氣體放電管的技術(shù)參數(shù)主要有:直流放電電壓Udc;沖擊放電電壓Up(一般情況下Up≈(2~3)Udc;工頻耐受電流In;沖擊耐受電流Ip;絕緣電阻R(>109Ω);極間電容(1-5PF)

氣體放電管可在直流和交流條件下使用，其所選用的直流放電電壓Udc分別如下:在直流條件下使用:Udc≥1.8U0(U0為線路正常工作的直流電壓)

在交流條件下使用:U dc≥1.44Un(Un為線路正常工作的交流電壓有效值)

⒊壓敏電阻:

它是以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻，當(dāng)作用在其兩端的電壓達(dá)到一定數(shù)值后，電阻對(duì)電壓十分敏感。它的工作原理相當(dāng)于多個(gè)半導(dǎo)體P-N的串并聯(lián)。壓敏電阻的特點(diǎn)是非線性特性好(I=CUα中的非線性系數(shù)α)，通流容量大(~2KA/cm2)，常態(tài)泄漏電流小(10-7~10-6A)，殘壓低(取決于壓敏電阻的工作電壓和通流容量)，對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓響應(yīng)時(shí)間快(~10-8s)，無(wú)續(xù)流。

壓敏電阻的技術(shù)參數(shù)主要有:壓敏電壓(即開(kāi)關(guān)電壓)UN，參考電壓Ulma;殘壓Ures;殘壓比K(K=Ures/UN);最大通流容量Imax;泄漏電流;響應(yīng)時(shí)間。

壓敏電阻的使用條件有:壓敏電壓:UN≥[(√2×1.2)/0.7]U0(U0為工頻電源額定電壓)

最小參考電壓:Ulma≥(1.8~2)Uac (直流條件下使用)

Ulma≥(2.2~2.5)Uac(在交流條件下使用，Uac為交流工作電壓)

壓敏電阻的最大參考電壓應(yīng)由被保護(hù)電子設(shè)備的耐受電壓來(lái)確定，應(yīng)使壓敏電阻的殘壓低于被保護(hù)電子設(shè)備的而損電壓水平，即(Ulma)max≤Ub/K，上式中K為殘壓比，Ub為被保護(hù)設(shè)備的而損電壓。

⒋抑制二極管:

抑制二極管具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區(qū)，由于它具有箝位電壓低和動(dòng)作響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用作多級(jí)保護(hù)電路中的最末幾級(jí)保護(hù)元件。抑制二極管在擊穿區(qū)內(nèi)的伏安特性可用下式表示:I=CUα，上式中α為非線性系數(shù)，對(duì)于齊納二極管α=7~9，在雪崩二極管α=5~7.

抑制二極管的技術(shù)參數(shù)

擊穿電壓，它是指在指定反向擊穿電流(常為lma)下的擊穿電壓，這于齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9V~4.7V范圍內(nèi)，而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V~200V范圍內(nèi)。

⑵最大箝位電壓:它是指管子在通過(guò)規(guī)定波形的大電流時(shí)，其兩端出現(xiàn)的最高電壓。

⑶脈沖功率:它是指在規(guī)定的電流波形(如10/1000μs)下，管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積。

⑷反向變位電壓:它是指管子在反向泄漏區(qū)，其兩端所能施加的最大電壓，在此電壓下管子不應(yīng)擊穿。此反向變位電壓應(yīng)明顯高于被保護(hù)電子系統(tǒng)的最高運(yùn)行電壓峰值，也即不能在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)處于弱導(dǎo)通狀態(tài)。

⑸最大泄漏電流:它是指在反向變位電壓作用下，管子中流過(guò)的最大反向電流。

⑹響應(yīng)時(shí)間:10-11s

⒌扼流線圈:扼流線圈是一個(gè)以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個(gè)尺寸相同，匝數(shù)相同的線圈對(duì)稱地繞制在同一個(gè)鐵氧體環(huán)形磁芯上，形成一個(gè)四端器件，要對(duì)于共模信號(hào)呈現(xiàn)出大電感具有抑制作用，而對(duì)于差模信號(hào)呈現(xiàn)出很小的漏電感幾乎不起作用。扼流線圈使用在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號(hào)(如雷電干擾)，而對(duì)線路正常傳輸?shù)牟钅Ｐ盘?hào)無(wú)影響。

扼流線圈在制作時(shí)應(yīng)滿足以下要求

1)繞制在線圈磁芯上的導(dǎo)線要相互絕緣，以保證在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下線圈的匝間不發(fā)生擊穿短路。

2)當(dāng)線圈流過(guò)瞬時(shí)大電流時(shí)，磁芯不要出現(xiàn)飽和。

3)線圈中的磁芯應(yīng)與線圈絕緣，以防止在瞬時(shí)過(guò)電壓作用下兩者之間發(fā)生擊穿。

4)線圈應(yīng)盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強(qiáng)線圈對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓的而授能力。

⒍ 1/4波長(zhǎng)短路器

1/4波長(zhǎng)短路器是根據(jù)雷電波的頻譜分析和天饋線的駐波理論所制作的微波信號(hào)浪涌保護(hù)器，這種保護(hù)器中的金屬短路棒長(zhǎng)度是根據(jù)工作信號(hào)頻率(如900MHZ或1800MHZ)的1/4波長(zhǎng)的大小來(lái)確定的。此并聯(lián)的短路棒長(zhǎng)度對(duì)于該工作信號(hào)頻率來(lái)說(shuō)，其阻抗無(wú)窮大，相當(dāng)于開(kāi)路，不影響該信號(hào)的傳輸，但對(duì)于雷電波來(lái)說(shuō)，由于雷電能量主要分布在n+KHZ以下，此短路棒對(duì)于雷電波阻抗很小，相當(dāng)于短路，雷電能量級(jí)被泄放入地。

由于1/4波長(zhǎng)短路棒的直徑一般為幾毫米，因此耐沖擊電流性能好，可達(dá)到30KA(8/20μs)以上，而且殘壓很小，此殘壓主要是由短路棒的自身電感所引起的，其不足之處是工頻帶較窄，帶寬約為2%~20%左右，另一個(gè)缺點(diǎn)是不能對(duì)天饋設(shè)施加直流偏置，使某些應(yīng)用受到限制。