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电涌保护器SPD应用常识作者：来源：时间：2008-03-10电涌保护器SPD应用常识随着国民经济的不断发展，现代化水平的快速提高，在信息化带动工业化的指引下，各类信息设备、电子计算机、精密仪器、数据网络设备的应用越来越广泛，此类设备一般工作电压低、耐压水平低、敏感性高、抗干扰能力低，因而极易受到雷电电流脉冲的危害。每年都给人类造成巨大的直接经济损失。而因重要设备损坏使网络陷入瘫痪而造成的间接损失更是惊人，已引起国内相关领域对此类系统加强保护的高度重视。近年来，“SPD”这个名词已越来越多地被专业研究、产品制造及工程设计的人们所提到。作为雷电防护装置体系中的重要组成部分，“SPD”已被广泛用于邮电通讯、广播电视、金融证券、保险、电力、铁道、交通、机场、石化、市政建设等各个行业。可以毫不夸张地说，凡是装有IT设备的场所，就有应用SPD的必须。那么SPD究竟是一种什么产品呢？SPD有哪些功能呢？SPD是如何选择应用的呢？在这里我们着手用尽可能通俗的语言向各位介绍一些有关SPD产品的基础知识。希望对那些尚未接触过SPD或对SPD知之甚少而又想掌握SPD知识，并进而使用SPD产品的读者有所收益。一、什么是SPD（SPD介述）SPD这一名词英语全称是surgeprotectiyedevice其译意为电涌保护器，是限制雷电反击、侵入波、雷电感应和操作过电压而产生的瞬时过电压和泄放电涌电流（沿线路传送的电流、电压或功率的暂态波。其特性是先快速上升后缓慢下降）的器件。一端口SPD与被保护电路并联，能分开输入和输出端，在这些端子之间设有特殊的串联阻抗；二端口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；电压开关型SPD在没有电涌时具有高阻抗，有电涌电压时能立即变成低阻抗，电压开关型SPD常用的元件有放电间隙、气体放电管、闸流管（硅可控整流器）和三端双向可控硅开关元件。这类SPD有时也称“短路型SPD”；电压限制型SPD在没有电涌时具有高阻抗但随着电涌电流和电压的上升其阻抗将持续地减小。常用的非线性元件有压敏电阻和抑制二极管，这类SPD有时也称为“箝位型SPD”；复合型SPD是由电压开关型元件和电压限制型元件组成的，其特性随所加电压的特性可以表现为电压开关型、电压限制型或两者皆有。无限流元件的SPD在信息线路中的使用只有一个或数个用于限制过电压的元件，而无限流元件；有限流元件的SPD在信息线路中使用既有限制过电压的元件，又有限流元件。SPD限压元件可分为电压开关型和限压型SPD需通过I、Ⅱ、和Ⅲ级分类试验。SPD有户内型、户外型、易触及的、不易触及的（碰不到的）。固定安装方式及移动式的。二、应用SPD抑制异常过电压的种类通常将超过设计规定的正常工作电压上限值的电压称为“异常过电压”简称“过电压”。它是SPD的工作对象，如果没有过电压也就没有SPD的生存价值了。因此要了解SPD就必须对过电压有个基本了解。过电压将对电气或电子装置中的电路、元器件造成直接破坏，这种破坏依据其严重程度大至可分为以下四种情况。1、使设备、装置短时间工作错乱。2、造成潜故障，使得电路和器件的性能下降，寿命缩短，提前失效。3、造成电路或器件的永久性损坏。4、导致起火、触电等安全事故。异常过电压可能是外来的，也可能是设备、装置内部自生的。外侵过电压的侵入途径，可以通过导线、电路、管道传导进入；也可以通过静电感应、电磁感应侵入。过电压的出现可能是有规律性的、周期性的。但更多的则是随机的。因此在大多数情况下，很难准确在把握它，异常过电压依据其成因的不同，可以分为雷击过电压、操作过电压、静电和暂态过电压等。下面作分类介绍：1)雷击过电压：雷云直接对设备、装置放电时，设备装置所承受的是“直击雷过电压”，这种情况发生概率少，而通常所说的雷击过电压是指“感应过电压”。当雷击对地面某一点放电时，通常在它周围方园1.5km范围内的导线、导体中都会有一定幅值的瞬态电压产生。而产生这种冲击电压的主要机理如下：①雷云对附近地面的物体放电，或在附近云层中放电，产生的电磁场会在供电系统的线路导体中产生感应电压。②附近云—地之间放电所产生的入地电流。耦合到接地网的公共接地阻抗上，在接地网的长度和宽度方向上产生电压差。③若雷击时，变压器一次侧的的避雷器动作，一次侧电压快速跌落。这种快速跌落通过变压器的电容耦合传送到二次侧。迭加在通过正常变压器耦合的电压上，形成二次侧冲击电压。④雷电直接击中高压一次侧线路，向一次侧线路注入极大的电流，这种大电流流过接地电阻或一次侧导体的冲击阻抗。都会产生高电压，一次侧的这种高电压又可通过电容耦合和正常的变压器耦合，在低压交流电源线路中出现。⑤雷电直接击中二次侧线路，极大的电流和由这种电流所产生的极高电压远远超过设备本身和接在二次侧线路中的保护器件的承受能力。为模拟雷电冲击，国际上规定“1.2/50”电压波为标准雷电压波（其波前时间为1.2μs，波尾下降到半峰值的时间为50μs。）“10/350”电流波为半径传导衰减的雷电流波；“8/20”电流波为经传导衰减的感应雷电流波。雷电冲击波的特点持续时间短，但峰值高。2)操作过电压是指电路中的断路器、隔离开关、继电器、可控硅开关等通断转接时，在系统电路中、电路对地以及开关两端所产生的过电压。产生操作过电压的原因是由于线路及其中的元器件都带有电感和电容，储存在电感中的磁能和储存在电容中的静电场能量，在电路状态突变时产生的能量转换，过渡的振荡过程，由振荡而出现过电压。操作过电压的持续时间比雷击过电压长，比暂态过电压短，在数百微秒到100mS之间，并且衰减很快。3)众所周知，在天气干燥的冬天，人体与衣服间的磨擦会使人体带电，当带电的人与电子产品接触时，就会对电子产品（如手机）放电，这是一种典型的静电放电，静电放电的特点是电压很高，但时间很短，为纳秒级。IEC61000-4-2规定的模拟接触静电放电的电压，等级为2kv～8kv，相应的电流峰值为（7.5～30）A。4)暂态过电压是指当电力系统发生接地故障，切断负荷或谐振时所产生的相-地，或相-相间的电压升高，它的特点是持续时间比较长（0.1S～60S，与系统的保护方式有关）。暂态过电压的幅值随供电系统的接地方式而异，接地电阻大的系统，暂态过电压倍数就大。表3.1给出了一组供电系统内部过电压倍数K的统计数字。过电压倍数K的定义是内部过电压的峰值与系统的最高运行相电压峰值之比。表3.1供电系统内部过电压倍数K暂态过电压操作过电压过电压名称K过电压名称K单相接地故障1.1～1.3切断电感性负载1～4.0甩负荷1.2～1.3合闸空载线路(包括重合闸)1～3.5电弧接地1～3.5切断空载线路1～3.5谐振1～3.5合空载变压器1～2.0此外，在实用中，还可能碰到所谓“错电”事故，即设计用于110V电源的设备错误地接入220V的系统中，或设计用于220V电源的设备错误地加上380V电压等，这样所引起的过电压，不仅是接入电压的峰值，还有过渡过程的震荡性电压。总之，异常过电压成因复杂，持续时间和电压、电流的强度差异极大，因此防护异常过电压有时是个复杂而困难的任务。一般来说压敏电阻器是防护持续时间较短的静电，雷击过电压和操作过电压的“瞬态”过电压保护器，对于持续时间较长的暂态过电压只能用熔断器，断路器等器件来防护。三、SPD产品的主要术语定义SPD产品的术语很多，其中主要有以下几个术语较常用1、标称放电电流In：流过SPD具有8/20波形的电流峰值。用于Ⅱ级试验的SPD分级以及I级、Ⅱ级试验的SPD的预处理试验。2、最大放电电流Imax：流过SPD具有8/20波形电流的峰值，其值按Ⅱ级动作负载的程序确定。Imax大于In.3、冲击电流Iimp：由电流峰值Ipeak和电荷量Q确定，其试验应根据动作负载试验的程序进行，是用于I级试验的SPD分类试验。4、最大持续工作电压Uc：允许持久施加在SPD上的最大交流电压有效值或直流电压。5、电压保护水平Up：表征SPD限制接线端子间电压的性能参数，其值可从优选值的列表中选择，该值应大于限制电压的最高值。6、限制电压：施加规定波形和幅值的冲击电压时，在SPD接线端间测得的最大电压峰值。7、残压：放电电流流过SPD时，在其端子间的电压峰值。8、SPD的脱离器：当SPD失效时，把SPD从电源系统断开所需的装置。9、持续运行电流：在对SPD加上Uc时，流入SPD保护元件的电流和流入与其并联的内部电路的电流之和。10、续流If：当SPD放电动作刚结束瞬间，流过SPD的由供电电源提供的工频电流。11、插入损耗：在特定的频率下，连接到给定供电系统的SPD插入损耗是指试验时，插入SPD之前和以后，出现在横跨干线紧靠插入点之后的电压比，对信息线路用SPD而言，插入损耗是在传输系统中接入SPD前后传输系统的功率之比值。用dB（分贝）表示。12、比特差错率BER：在一给定的时间内，信息传输系统中不正确地传输比特数与总传输比特数之比。13、SPD的频率范围fG：连接至信号线路的SPD在接入线路后，能产生能量损耗，规定在3dB的插入损耗下，取起始频率至截止频率为用于信号线路SPD的频率范围。14、SPD的数据传输速率bPS：用于信息线路的SPD在接入网络系统后应不影响系统传出的上限数据传输速率，用1s内传输比特值bPS表示，即bPS/S。15、回波损耗AR：在高频工作条件下，前向波在SPD插入点产生反射的能量比，它是衡量SPD与被保护系统的波阻抗匹配程度的一个参数。AR是反射系数倒数的一个模量，单位为分贝（dB）。当阻抗可确定时，可从下列公式确定AR：AR=20×lgMOD[(Z1+Z2)/(Z1-Z2)]式中：Z1：阻抗不连续点之前传输线的特性阻抗或源阻抗。Z2：不连续点之后的特性阻抗或从源和负载间的结合点所测到的负载阻抗。MOD是阻抗模的计算。16、近端交扰NEXT：交扰在干扰通道中的传播方向与电流在干扰通道中的传播方向相反。持续近端交扰的干扰通道端口通常与干扰通道的供能端接近或重合。17、I级分类试验：对试品进行标称放电电流In，1.2/50μs冲击电压和最大冲击电流Iimp的试验，Iimp的波形为10/350μs。18、Ⅱ级分类试验：对试品进行标称放电电流In，1.2/50μs冲击电压和最大放电电流Imax的试验。Imax的波形为8/20μs。19、Ⅲ级分类试验：对试品进行混合波（1.2/50μs，8/20μs）试验。注：IEC61643-1序言中指出：I级分类试验用于模拟导入的部分雷电流冲击，经I级分类试验的SPD一般建议安装在暴露处，如装有防雷装置的建筑物入户处，Ⅱ级和Ⅲ级分类试验用于承受持续时间短的雷击电磁脉冲，此类SPD一般安装在较少暴露处。四、低压配电系统SPD的选择应用现在的防雷工程技术已进入一个新时期，要考虑雷电的各种物理特性和作用而实施。强大的闪电产生的静电场变化、磁场变化和电磁辐射，在一定范围内造成许多微电子设备的损坏。从前的防雷概念局限于沿着闪电电流或者闪电电压波传输的一维通道来考虑，但到了20世纪80年代以后则不同了，闪电在一维通道四周的三维空间产生危害。因此防雷工程必须从三维空间来设防。这是一种全新的思维，原来以为一个雷击被避雷针引入大地就达到了防雷的需要，不会出现雷灾。可是在几公里空间范围内仍有许多单位出现雷灾，甚至损失严重。这是因为，现今的各种电气和电子产品不得不在严重污染的电磁环境中工作。这种污染来自雷电、电气系统操作及故障，还有静电。它们所产生的异常高电压对信息技术产品的危害尤其严重。因为这类产品中大量使用着各种集成电路（IC）,其中元器件的尺寸，导线之间的间距只有几微米，甚至小于1μm。因此作用在它们上面的冲击电压只要稍微比设计值高一点就能使它们损坏。而这种损坏所造成的损失主要不在设备本身，而是因这些信息技术设备停止工作或工作错乱所造成的间接损失。例如一台银行电脑的电源板被雷击感应电压打坏，更换其中损坏的元件可能只是百元左右，但由于停机或内存资料丢失所造成的损失则无法计算。所以对于现代电子设备，特别是信息技术产品，防护异常过电