浪涌保护器

要了解浪涌保护器，首先要知道什么是浪涌。

浪涌也叫突波，顾名思义就是超出正常工作电压的瞬间过电压。本质上讲，浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。可能引起浪涌的原因有：重型设备、短路、电源切换或大型发动机。而含有浪涌阻绝装置的产品可以有效地吸收突发的巨大能量，以保护连接设备免于受损。这样浪涌保护器应运而生。

雷电灾害是全球最严重的自然灾害之一，每年因雷电灾害造成的人员伤亡、财产损失不计其数。随着电子、微电子集成化设备的大量应用，雷电过电压和雷击电磁脉冲所造成的系统和设备的损坏越来越多。因此，尽快解决建筑物和电子信息系统雷电灾害防护问题显得十分重要。

浪涌保护器，也叫信号防雷保护器，避雷器”或“过电压保护器”英文简写为SPD，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。

工作原理

浪涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同，但它至少应包含一个非线性电压限制元件。用于浪涌保护器的基本元器件有：放电间隙、充气放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈等。

                                                                         浪涌保护器

基本元器件

　　⒈放电间隙（又称保护间隙）：
它一般由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成，其中一根金属棒与所需保护设备的电源相线L1或零线（N）相连，另一根金属棒与接地线（PE）相连接，当瞬时过电压袭来时，间隙被击穿，把一部分过电压的电荷引入大地，避免了被保护设备上的电压升高。这种放电间隙的两金属棒之间的距离可按需要调整，结构较简单，其缺点是灭弧性能差。改进型的放电间隙为角型间隙，它的灭弧功能较前者为好，它是靠回路的电动力F作用以及热气流的上升作用而使电弧熄灭的。
⒉气体放电管：
它是由相互离开的一对冷阴板封装在充有一定的惰性气体（Ar）的玻璃管或陶瓷管内组成的。为了提高放电管的触发概率，在放电管内还有助触发剂。这种充气放电管有二极型的，也有三极型的，
气体放电管的技术参数主要有：直流放电电压Udc；冲击放电电压Up（一般情况下Up≈（2～3）Udc；工频耐受电流In；冲击耐受电流Ip；绝缘电阻R（>109Ω）；极间电容（1-5PF）
气体放电管可在直流和交流条件下使用，其所选用的直流放电电压Udc分别如下：在直流条件下使用：Udc≥1.8U0（U0为线路正常工作的直流电压）
在交流条件下使用：U dc≥1.44Un（Un为线路正常工作的交流电压有效值）
⒊压敏电阻：
它是以ZnO为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压达到一定数值后，电阻对电压十分敏感。它的工作原理相当于多个半导体P-N的串并联。压敏电阻的特点是非线性特性好（I=CUα中的非线性系数α），通流容量大（～2KA/cm2），常态泄漏电流小（10-7～10-6A），残压低（取决于压敏电阻的工作电压和通流容量），对瞬时过电压响应时间快（～10-8s），无续流。
压敏电阻的技术参数主要有：压敏电压（即开关电压）UN，参考电压Ulma；残压Ures；残压比K（K=Ures/UN）；最大通流容量Imax；泄漏电流；响应时间。
压敏电阻的使用条件有：压敏电压：UN≥[（√2×1.2）/0.7]U0（U0为工频电源额定电压）
最小参考电压：Ulma≥（1.8～2）Uac （直流条件下使用）
Ulma≥（2.2～2.5）Uac（在交流条件下使用，Uac为交流工作电压）
压敏电阻的最大参考电压应由被保护电子设备的耐受电压来确定，应使压敏电阻的残压低于被保护电子设备的而损电压水平，即（Ulma）max≤Ub/K，上式中K为残压比，Ub为被保护设备的而损电压。
⒋抑制二极管：
抑制二极管具有箝位限压功能，它是工作在反向击穿区，由于它具有箝位电压低和动作响应快的优点，特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件。抑制二极管在击穿区内的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α为非线性系数，对于齐纳二极管α=7～9，在雪崩二极管α=5～7.
抑制二极管的技术参数主要有
⑴额定击穿电压，它是指在指定反向击穿电流（常为lma）下的击穿电压，这于齐纳二极管额定击穿电压一般在2.9V～4.7V范围内，而雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6V～200V范围内。
⑵最大箝位电压：它是指管子在通过规定波形的大电流时，其两端出现的最高电压。
⑶脉冲功率：它是指在规定的电流波形（如10/1000μs）下，管子两端的最大箝位电压与管子中电流等值之积。
⑷反向变位电压：它是指管子在反向泄漏区，其两端所能施加的最大电压，在此电压下管子不应击穿。此反向变位电压应明显高于被保护电子系统的最高运行电压峰值，也即不能在系统正常运行时处于弱导通状态。
⑸最大泄漏电流：它是指在反向变位电压作用下，管子中流过的最大反向电流。
⑹响应时间：10-11s
⒌扼流线圈：扼流线圈是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。扼流线圈使用在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号（如雷电干扰），而对线路正常传输的差模信号无影响。
扼流线圈在制作时应满足以下要求
1）绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘，以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击穿短路。
2）当线圈流过瞬时大电流时，磁芯不要出现饱和。
3）线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿。
4）线圈应尽可能绕制单层，这样做可减小线圈的寄生电容，增强线圈对瞬时过电压的而授能力。
⒍ 1/4波长短路器
1/4波长短路器是根据雷电波的频谱分析和天馈线的驻波理论所制作的微波信号浪涌保护器，这种保护器中的金属短路棒长度是根据工作信号频率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波长的大小来确定的。此并联的短路棒长度对于该工作信号频率来说，其阻抗无穷大，相当于开路，不影响该信号的传输，但对于雷电波来说，由于雷电能量主要分布在n+KHZ以下，此短路棒对于雷电波阻抗很小，相当于短路，雷电能量级被泄放入地。
由于1/4波长短路棒的直径一般为几毫米，因此耐冲击电流性能好，可达到30KA（8/20μs）以上，而且残压很小，此残压主要是由短路棒的自身电感所引起的，其不足之处是工频带较窄，带宽约为2%～20%左右，另一个缺点是不能对天馈设施加直流偏置，使某些应用受到限制。
SPD的基本电路
浪涌保护器的电路根据不同需要，有不同的形式，其基本元器件就是上面介绍的几种，一个技术精通的防雷产品研究工作者，可设计出五花八门的电路，好似一盒积木可搭出不同的结构图案。研制出既有效又性能价格比好的产品，是防雷工作者的重任。

分级防护

由于雷击的能量是非常巨大的，需要通过分级泄放的方法，将雷击能量逐步泄放到大地。第一级防雷器可以对于直接雷击电流进行泄放，或者当电源传输线路遭受直接雷击时传导的巨大能量进行泄放，对于有可能发生直接雷击的地方，必须进行CLASS—I的防雷。第二级防雷器是针对前级防雷器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备，对于前级发生较大雷击能量吸收时，仍有一部分对设备或第三级防雷器而言是相当巨大的能量会传导过来，需要第二级防雷器进一步吸收。同时，经过第一级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射LEMP，当线路足够长感应雷的能量就变得足够大，需要第二级防雷器进一步对雷击能量实施泄放。第三级防雷器是对LEMP和通过第二级防雷器的残余雷击能量进行保护。
1、第一级保护
目的是防止浪涌电压直接从LPZ0区传导进入LPZ1区，将数万至数十万伏的浪涌电压限制到2500—3000V。
入户电力变压器低压侧安装的电源防雷器作为第一级保护时应为三相电压开关型电源防雷器，其雷电通流量不应低于60KA。该级电源防雷器应是连接在用户供电系统入口进线各相和大地之间的大容量电源防雷器。一般要求该级电源防雷器具备每相100KA以上的最大冲击容量，要求的限制电压小于1500V，称之为CLASS I级电源防雷器。这些电磁防雷器是专为承受雷电和感应雷击的大电流以及吸引高能量浪涌而设计的，可将大量的浪涌电流分流到大地。它们仅提供限制电压（冲击电流流过电源防雷器时，线路上出现的最大电压称为限制电压）为中等级别的保护，因为CLASS I级保护器主要是对大浪涌电流进行吸收，仅靠它们是不能完全保护供电系统内部的敏感用电设备的。
第一级电源防雷器可防范10/350μs、100KA的雷电波，达到IEC规定的最高防护标准。其技术参考为：雷电通流量大于或等于100KA（10/350μs）；残压值不大于2.5KV；响应时间小于或等于100ns。
2、第二级防护
目的是进一步将通过第一级防雷器的残余浪涌电压的值限制到1500—2000V，对LPZ1—LPZ2实施等电位连接。
分配电柜线路输出的电源防雷器作为第二级保护时应为限压型电源防雷器，其雷电流容量不应低于20KA，应安装在向重要或敏感用电设备供电的分路配电处。这些电源防雷器对于通过了用户供电入口处浪涌放电器的剩余浪涌能量进行更完善的吸收，对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。该处使用的电源防雷器要求的最大冲击容量为每相45kA以上，要求的限制电压应小于1200V，称之为CLASS Ⅱ级电源防雷器。一般用户供电系统做到第二级保护就可以达到用电设备运行的要求了
第二级电源防雷器采用C类保护器进行相—中、相—地以及中—地的全模式保护，主要技术参数为：雷电通流容量大于或等于40KA（8/20μs）；残压峰值不大于1000V；响应时间不大于25ns。
3、第三级保护
目的是最终保护设备的手段，将残余浪涌电压的值降低到1000V以内，使浪涌的能量不致损坏设备。
在电子信息设备交流电源进线端安装的电源防雷器作为第三级保护时应为串联式限压型电源防雷器，其雷电通流容量不应低于10KA。
最后的防线可在用电设备内部电源部分采用一个内置式的电源防雷器，以达到完全消除微小的瞬态过电压的目的。该处使用的电源防雷器要求的最大冲击容量为每相20KA或更低一些，要求的限制电压应小于1000V。对于一些特别重要或特别敏感的电子设备具备第三级保护是必要的，同时也可以保护用电设备免受系统内部产生的瞬态过电压影响。
对于微波通信设备、移动机站通信设备及雷达设备等使用的整流电源，宜视其工作电压的保护需要分别选用工作电压适配的直流电源防雷器作为末级保护。
4、第四级及四级以上保护
根据被保护设备的耐压等级，假如两级防雷就可以做到限制电压低于设备的耐压水平，就只需要做两级保护，假如设备的耐压水平较低，可能需要四级甚至更多级的保护。第四级保护其雷电通流容量不应低于5KA。

浪涌保护器分类
1、按工作原理分
　　1．开关型：其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗，但一旦响应雷电瞬时过电压时，其阻抗就突变为低值，允许雷电流通过。用作此类装置时器件有：放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。
2．限压型：其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰，但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有：氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等。
3．分流型或扼流型
分流型：与被保护的设备并联，对雷电脉冲呈现为低阻抗，而对正常工作频率呈现为高阻抗。
扼流型：与被保护的设备串联，对雷电脉冲呈现为高阻抗，而对正常的工作频率呈现为低阻抗。
用作此类装置的器件有：扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。

2、按用途分
　　⑴电源保护器：交流电源保护器、直流电源保护器、开关电源保护器等。
• 交流电源防雷模块适用于配电室、配电柜、开关柜、交直流配电屏等系统的电源保护；
• 建筑物内有室外输入的配电箱、建筑物层配电箱；

       • 用于低压（220/380VAC）工业电网和民用电网；
       • 在电力系统中， 主要用于自动化机房、变电站主控制室电源屏内三相电源输入或输出端。
适用于各种直流电源系统，如：
        • 直流配电屏；
• 直流供电设备；
• 直流配电箱；
• 电子信息系统柜；
• 二次电源设备的输出端。
⑵信号保护器：低频信号保护器、高频信号保护器、天馈保护器等。
网络信号防雷器适用范围
•用于10/100Mbps SWITCH、HUB、ROUTER等网络设备的雷击和雷电电磁脉冲造成的感应过电压保护； •网络机房网络交换机防护； •网络机房服务器防护； •网络机房其它带网络接口设备防护； •24口集成防雷箱主要应用于综合网络柜、分交换机柜内多信号通道的集中防护。
 

信号类电涌保护器

视频信号防雷器适用范围:
主要用于视频信号设备点对点的协击保护，可保护各种视频传输设备免受来自信号传输线的感应雷击和电涌电压带来的危害，对相同工作电压下的RF传输同样适用。集成式多口视频防雷箱主要应用于综合控制柜内硬盘录像机、视频切割器等控制设备的集中防护。

浪涌保护器的主要参数　
　　1、标称电压Un：被保护系统的额定电压相符，在信息技术系统中此参数表明了应该选用的保护器的类型，它标出交流或直流电压的有效值。
2、额定电压Uc：能长久施加在保护器的指定端，而不引起保护器特性变化和激活保护元件的最大电压有效值。
3、额定放电电流Isn：给保护器施加波形为8/20μs的标准雷电波冲击10次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。
4、最大放电电流Imax：给保护器施加波形为8/20μs的标准雷电波冲击1次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。
5、电压保护级别Up：保护器在下列测试中的最大值：1KV/μs斜率的跳火电压；额定放电电流的残压。
6、响应时间tA：主要反应在保护器里的特殊保护元件的动作灵敏度、击穿时间，在一定时间内变化取决于du/dt或di/dt的斜率。
7、数据传输速率Vs：表示在一秒内传输多少比特值，单位：bps；是数据传输系统中正确选用防雷器的参考值，防雷保护器的数据传输速率取决于系统的传输方式。
8、插入损耗Ae：在给定频率下保护器插入前和插入后的电压比率。
9、回波损耗Ar：表示前沿波在保护设备（反射点）被反射的比例，是直接衡量保护设备同系统阻抗是否兼容的参数。
10、最大纵向放电电流：指每线对地施加波形为8/20μs的标准雷电波冲击1次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。
11、最大横向放电电流：指线与线之间施加波形为8/20μs的标准雷电波冲击1次时，保护器所耐受的最大冲击电流峰值。
12、在线阻抗：指在标称电压Un下流经保护器的回路阻抗和感抗的和。通常称为“系统阻抗”。
13、峰值放电电流：分两种：额定放电电流Isn和最大放电电流Imax。
14、漏电流：指在75或80标称电压Un下流经保护器的直流电流。

结束语
浪涌保护器已然是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，随着微电子技术的长足进步，个人PC，各种中型、大型和超大型计算机，大型程控交换机的运用越来越普及，这类电子设备内部有大量的对电压敏感的大规模或超大规模集成电路，从而使得过电压造成的损失越来越大。为了减少损失，期待能有性能更好、成本更低的浪涌保护器的出现！