雷电防护中浪涌保护器的应用

1 SPD的功用

在雷电防护中浪涌保护器（SPD）广泛应用于保护电气电子设备。通常这些设备都置于雷电防护区（LPZ）之内(高于LPZ1)，少数设备在LPZ0B区。SPD的功用是限制线路中的浪涌和与屏蔽体配合构筑低电磁场的防护空间。

1.1 SPD分流浪涌电流抑制浪涌电压
SPD的作用是将电气、电子系统中的不能直接用导体进行等电位连接的带电导体通过SPD进行瞬态等电位连接，利用SPD的非线性特性限制瞬态浪涌过电压并分流浪涌电流，达到保护电气、电子系统的目的。

1.2 SPD与屏蔽体构筑雷电防护区（LPZ）
把进出屏蔽体的带电导体（电源线、信号线）用SPD进行瞬态等电位连接。SPD与三维屏蔽体共同构筑了LPZ，SPD是LPZ划界的重要部件。LPZ的导体中的浪涌在边界得到分流，LPZ空间中的电磁场得到衰减。

2 SPD的选择

2.1 SPD的电压保护水平Up
SPD的保护水平Up是规定标称放电电流（In）时的SPD两端的残压。要求SPD的Up必须小于或等于被保护设备的定额冲击耐受电压Uw.通常为1.2Up≤Uw.实际上SPD的有效保护电压Upf＝Up+ΔU，ΔU为线路压降。

UW适用于低压供电系统，表征了设备耐受冲击过电压的绝缘性能。但不适合于通信线路及其他微电子器件。对通信线路和微电子器件，冲击耐受电压与低压线路的Uw不同，而是与电子电路的抗扰度和工作电压相关联，实验证明冲击耐受电压通常为工作电压Uo的3倍左右。一般对通信线路和微电子电路Up为工作电压Uo的2.5～3倍。表1所示为某些集成电路的冲击耐受电压值。

表1 集成电路的冲击耐受电压
2.2 SPD的放电电流（Iimp、In）
当直击雷击中实体和线路（低压系统、通信线路）都应选用Iimp(10/350μS)测试的SPD，例如LPS中的雷电等电位连接的SPD和在LPZ0A区的架空线路使用的SPD。

在LPZ0B（LPZ1或更高的防护区）之内的各种线路浪涌主要来自LEMP感应产生的，就应选用In（8/20μS）测试的SPD或用组合波（1.2/50μS, 8/20μS）测试的SPD。

不同条件下低压系统和通信线缆雷电流浪涌预计值如表2、表3所示（来源于IEC62305-1.表E.2）。LPL为雷电防护等级。

表2 低压系统雷电流浪涌的预计值

表3 通信系统雷电流浪涌的预计值
对屏蔽线路，假设屏蔽层的阻抗与线缆导体并联阻抗近似相等，那么，表中给出的浪涌值减小一半。如线路穿入铁管，在线路中引起的过电流会更小。

从表2可见，当LPL－Ⅰ峰值电流200KA（10/350μS）时，在低压系统中的架空线上最大的浪涌电流为10KA（10/350μS）。如有架空地线保护或铠装线埋地其浪涌电流还要小。

为了构筑LPZ，在建筑物的低压系统进线入口 (LPZ0A/LPZ1边界，供电线主配电盘MB上)应安装用Iimp测试的SPD（10/350μS）。当线路完全在LPZ0B进入建筑物入口处（LPZ0B/LPZ1边界MB上）则应安装用In测试的SPD（8/20μS）。

也就是说根据电磁环境不同在LPZ1的边界主配盘（MB）上可安装开关型（10/350μS）SPD，也可安装限压型（8/20μS）的SPD。

现有标准中低压系统对SPD冲击放电电流（Iimp）要求高的不合理，例如对第一级（MB上）的SPD要求不管进线所在的LPZ(LPZ0A还是LPZ0B)、进线类型（架空还是埋地屏蔽线）都要求采用I级分类试验（10/350μS）的SPD其值为20KA，比表2中的10KA高一倍，高于国际上所有标准的要求。这种高标准的过防护将会带来两个问题，一是防护成本提高，二是起不到防护功能，当雷电浪涌较小时，可能启动不了第一级SPD放电，那么第二级SPD要承受所有的浪涌或加到后边的设备上，以致第二级SPD或设备损坏。在我国昆明、武汉空管雷达站就发生过此类故障。国际上许多标准中第一级SPD都选用Ⅱ级分类的试验8/20μS波形的SPD。例如：澳大利亚AS1768-1991，选70KA（8/20μS）。美国FAA-STD-19d-2002，选80 KA（8/20μS）等。在我国实践也证明了限压型SPD（8/20μS）器件广泛用于通信局站、中南地区空管中心效果很好。因此，在放电电流选择上要防止过防护。

2.3 SPD的响应时间tA
常用的SPD响应时间开关型（SG）的为100nS，限压型（MOV）为25nS。低压系统的第一级SPD要保护的大多是电磁型设备，这些设备对浪涌不敏感，因此无论是SG、MOV的响应时间是可以达到保护的目的。

如贴近设备安装的SPD，被保护的设备是电子设备或通信系统。例如设备的半导体组件对浪涌的响应时间为10nS或更小，对浪涌非常敏感，虽然SPD的Up满足要求，而tA太长，SPD还来不急放电，被保护的设备已被损坏。所以保护电子设备和通信线路SPD的响应时间tA要小于或等于被保护设备的响应时间。通常SG、MOV的SPD只用于低压供电线路中。贴近电子设备在信号线路中的SPD应选取tA更小的TVS或其他半导体抑制器件（例如雪崩二极管SAS）.

SPD的响应时间在级间配合中也很重要，现有很多标准规定第一级开关型SPD与第二级限压型SPD的间距大于10m（其原因取决于浪涌在低压线路的传播速度1.5×108m/s两级tA的时间差75ns）来保证在浪涌传到第二级之前第一级必须导通放电，否则第二级将承受全部的浪涌。

目前厂商为了降低Up值，生产了电子点火的开关型SPD，Up可小于1KV，但tA为1μS。也就是说浪涌加至SPD点到SPD响应浪涌而开启的1μS的时间内，浪涌已在线路中向下游传了150m。150m之内的第二级SPD等和被保护设备就要承受这个浪涌。因此，tA是SPD选择时的一个重要参数，特别是在信号线路中更为关键。

通信线路中SPD的选择还应考虑工作电压，最大持续工作电压，传输速率、插入损耗、驻波比、相移和接口形式等因素。

3 SPD的安装

为了保护被保护设备，不但要选择适当的SPD还取决于合理的安装。

3.1 SPD的安装位置
第一级SPD应安装在外线进入建筑物的入口处（LPZ的界面）将浪涌电流在界面处泄放入大地，该SPD能保护建筑物内的所有设备，会降低成本。

SPD贴近被保护设备安装，这样保护效果好，每个设备都装SPD成本会提高。

在第一级SPD与贴近设备安装的SPD之间是否安装SPD取决于能量配合、线路长度和电磁环境。

3.2 振荡保护距离lpo
当SPD与被保护设备间线路太长，传播中浪涌会产生振荡。最严酷时设备终端过电压为2Up。2Up可能会大于Uw。为了使设备终端过电压仍小于Uw就要限制SPD到设备间线路最大的长度，这个长度就是振荡保护距离lpo.

当Upf＜Uw/2时,lpo可以无限长；
当Upf＞Uw/2时，lpo＝〔Uw-Upf〕/ K(m)；其中K=25(V/m)

3.3 感应保护距离lpi
在雷击时LEMP的磁场会在SPD与被保护设备构成的回路内感应过电压，感应的过电压和Up之和可能会大于Uw。感应保护距离lpi是SPD与被保护设备间的最大长度，保证其感应过电压加上Up小于设备的Uw。

当建筑物的第一层屏蔽即做LPS的引下线又做LEMP防护的栅格时，建筑物电磁环境极为严酷，必须考虑lpi.

lpi可以用下列公式估算：
lpi＝〔Uw-Upf〕/ h(m)
h=300 K1×K2×K3（V/m）雷击建筑物附近（S2）；
h=30000 K0×K2×K3（V/m）雷击中建筑物（S1）；
K1：LPZ0-LPZ1界面LPS或其他空间屏蔽；
K2：LPZ1-LPZ2或更高界面的空间屏蔽；
K3：内部布线的特性；
K0：LPZ0-LPZ1界面LPS屏蔽；
K0＝0.5×W0.5，W为栅格宽度；
K0=Kc无栅格时：Kc分流系统。

从上式可知，雷击建筑物附近时lpi要比雷击建筑物长的多。因此，建筑物采用分离的外部LPS要比建筑物的LPS与屏蔽栅格共用自然构件（如钢筋）在雷击时建筑物内的电磁环境要好的多。当建筑物和线路有很好的屏蔽就可以不考虑感应保护距离lpi.

4 SPD的协调配合

在一条线路上级联安装两个以上的SPD时，应根据各个SPD的能量吸收能力共同分担施加在它们上面的能量。

通常每一级用的SPD都是单端口的，即SPD与被保护设备并联，一个端口将输入与输出分开。单端口SPD又称无串联阻抗的SPD。使用单端口SPD系统便于维修。

级联安装时级间配合必须根据各个SPD特性，承受的电荷和位置来确定，这些工作大多基于实际经验、软件和实验分析，目前缺乏明了的现场分析和量化估算公式。

采用两端口多级集成的SPD（IMP）――即SPD有两组输入和输出端子，在这些端子之间有特殊的串联阻抗。

多级集成的SPD是级联的SPD与串联阻抗在内部协调配合好的，可以保证输出到被保护设备的能量最小并且响应速度快。多级集成的两端口SPD紧贴被保护设备安装特别适用于重要设备的保护和信号线路。使两端口SPD因与负载串联连接，所以SPD需要承受满负荷电流。

5 SPD的自保护和后保护

为了保护设备，SPD与设备并联组成一个系统，系统中增加了SPD就增加了一个单元。如SPD是开路故障则对系统无影响，如SPD是短路故障，那么，从功能逻辑上SPD是系统中的一个串联单元，在串连系统中SPD单元故障系统就故障。所以应尽量避免SPD发生短路故障。

SPD自保护：在低压系统中为了防止SPD发生短路故障，SPD器件本身应具有热脱扣装置。当电压波动或SPD劣化时，SPD电流增大而发热，当达到1200C时，热脱扣装置动作，使SPD器件开路保护系统正常运行，这就是自保护。

SPD后保护：在SPD通道串连后保护器件，后保护器件可用熔断器或断路器。这些后保护器件在低于SPD标称放电电流（In）时不动作，只有当通过的浪涌大于Imax或SPD短路后工频电流通过时才启动。

后保护器件熔断器和断路器不同点是两端实际限制电压Upf相差很大。例如：当In＝20KA，Imax＝40KA时——串联RT14-63熔断器，在19.8KA电流（8/20μS）冲击时，测得Upf为2674V；串联DZ47-63熔断器，在18.29KA（8/20μS）电流冲击时，测得Upf为5014V。串联断路器之所以限制电压高是因为断路器的电感线圈产生的压降所致。串联断路器限制电压高于串联熔断器的电压，这样就影响了SPD的限压效果，甚至会损坏被保护设备。

使用断路器操作方便，断路器适用于对瞬态过电压不敏感被保护设备，否则应用熔断器做后保护。

6 SPD的引线

为了进一步减小熔断器与SPD串联的引线感抗的压降，可将熔断器与SPD二合一，减少安装时线路盘绕，使电感量下降，输出的限制电压Upf也会下降。例如：设引线长度减少50cm，di/dt为1KA/μS，导线电感为1μH/m，则压降就会降低500伏。

为了减小引线产生的压降，一般要求连接SPD引线总长度小于50cm，减小压降的办法可采用凯文(Kelvin)接线法即V字形接线。

SPD输入端前和SPD接地的导线是通过浪涌电流的线称为“脏”线，SPD输出端后的导线称为“净”线。安装时应尽量使“净”线与“脏”线远离，将“脏”线穿铁管屏蔽也是很好的办法。

在雷电防护中，SPD的应用是最受关注的，SPD的选择和安装应由被保护设备的使用技术人员综合考虑，应把SPD当作被保护设备的一个组件。
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