簡談浪涌保護器原理及應用
摘 要 文章介紹了防雷擊電磁脈沖的基本原理及所采取的保護措施，常用的浪涌保護器的性能和特點，并簡單介紹了一些常用的SPD產品。
關鍵詞 等電位聯結 過電壓保護 SPD
近年來，隨著微電子技術的長足進步，個人ＰＣ、各類中型、大型及超大型計算機、大型程控交換機的運用越來越普及。由于這類電子設備內部有大量的對過電壓十分敏感的大規模或超大規模集成電路，從而使由過電壓造成的損失越來越大。針對這種現狀，《建筑物防雷設計規范》ＧＢ５００５７－９４（２０００年版）中加入了第六章——防雷擊電磁脈沖的內容。根據這一要求，一些生產廠家也推出了相應的過電壓保護產品，也就是我們現在常說的浪涌保護器（Ｓｕｒｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ＤｅｖｉｃｅＳＰＤ）。要保護電氣和電子系統重要的是在電磁兼容性保護區內設置一套包括全部有源導線在內的完整的等電位聯結系統。不同種類的過電壓保護裝置中放電元器件的物理特性在實際應用中既有優點，亦有缺點，因此采用多種元件組合的保護電路運用得更為廣泛。
但是，能滿足具有當代技術水平的，能傳導１０／３５０μｓ脈沖電流的雷擊電流放電器，用于二次配電的可插式浪涌保護器，電器電源保護裝置直到電源濾波器所有技術要求的產品系列卻是極為少見的。同樣這種產品系列應該包括適用于所有的電路，即除電源外，還應包括用于測量、控制、調節技術電路和電子數據處理傳輸電路以及適用于無線和有線通訊的放電器，以便客戶使用。
本文將對目前常用的幾種浪涌保護產品做簡單的介紹并對其特性及適用場合做簡略分析。
１ 等電位聯結系統
過電壓保護的基本原理是在瞬態過電壓發生的瞬間（微秒或納秒級），在被保護區域內的所有金屬部件之間應實現一個等電位。“等電位是用連接導線或過電壓保護器將處在需要防雷的空間內的防雷裝置、建筑物的金屬構架、金屬裝置、外來的導體物、電氣和電訊裝置等連接起來。”（《建筑物防雷設計規范條文說明》）（ＧＢ５００５７－９４）。“等電位聯結的目的在于減小需要防雷的空間內各金屬部件和各系統之間的電位差”（ＩＥＣ１３１２ ３．４）。《建筑物防雷設計規范》（ＧＢ５００５７－９４）中規定：“第３．１．２條裝有防雷裝置的建筑物，在防雷裝置與其他設施和建筑物內人員無法隔離的情況下，應采取等電位聯結。”在建立這個等電位聯結網絡時，應注意使相互之間必須進行信息交換的電器和電子設備與等電位聯結帶之間的連接導線保持最短距離。
根據感應定理，電感量越大，瞬變電流在電路中產生的電壓越高；（Ｕ＝Ｌ·ｄｉ／ｄｔ）電感量大小主要和導線的長度有關，與導線截面關系不大。因此，應使接地導線盡可能的短。多條導線的并聯連接可顯著地降低電位補償系統的電感量。為了將這兩條付諸實踐，理論上可以把應與等電位聯結裝置連在一起的所有電路和設備連在同一塊金屬板上。基于金屬板的構想在補裝等電位聯結系統時可采用線狀、星狀或網狀結構。設計新的設備時原則上應只采用網狀的等電位聯結系統。
２ 將電源線路與等電位聯結系統連接
所謂瞬變電壓或瞬變電流意味著其存在時間僅為微秒或毫微秒。浪涌保護的基本原理是：在瞬態過電壓存在的極短時間內，在被保護區域內的所有導電部件之間建立起一個等電位。這種導電部件也包括電路中的電源線。人們需要響應速度快于微秒的元件，對于靜電放電甚至要快于毫微秒。這種元件能夠在極短的時間間隔內，將非常強大直到高達數倍于十千安的電流導出。在預期的雷擊情況下按１０／３５０μｓ脈沖計算，電流高達５０ｋＡ。通過完備的等電位聯結裝置，可以在極短的時間內形成一個等電位島，這個等電位島對于遠處的電位差甚至可高達數十萬伏。但重要的是，在需要保護的區域內，所有導電部件都可認為具有接近相等或絕對相等的電位，而不存在顯著的電位差。
３ 浪涌保護器的安裝及其作用
浪涌保護電器元件從響應特性來看，有軟硬之分。屬于硬響應特性的放電元件有氣體放電管和放電間隙型放電器，二者要么是基于斬弧技術（Ａｒｃ－ｃｈｏｐｐｉｎｇ）的角型火花隙，要么是同軸放電火花隙。屬于軟響應特性的放電元件有壓敏電阻和抑制二極管。所有這些元件的區別在于放電能力、響應特性以及殘余電壓。由于這些元件各有優缺點，人們將其組合成特殊保護電路，以揚長避短。在民用建筑領域中常用的浪涌保護器主要為放電間隙型放電器和壓敏電阻型放電器。
閃電電流和閃電后續電流需要放電性能極強的放電器。為了將閃電電流通過等電位聯結系統導入接地裝置，建議使用根據斬弧技術帶角型火花隙的雷擊電流放電器。只有用它才能傳導大于５０ｋＡ的１０／３５０μｓ脈沖電流還可以實現自動滅弧，這種產品應用的額定電壓可達４００Ｖ。此外，當短路電流達到４ｋＡ時，這種放電器不會引起額定電流為１２５Ａ的保險絲熔斷。
由于其良好的性能，使得在保護區域內安裝的儀器和設備的不間斷工作特性得以大大提高。特別要指出的是，這里不僅取決于幅值很高的電流可以進行處理，更重要的是電流的脈沖形式起著決定性的作用。二者必須同時考慮。因此，雖然角型火花隙也能夠輸導最高達１００ｋＡ的電流，但其脈沖形式較短（８／８０μｓ）。這種脈沖是沖擊電流脈沖，在１９９２年１０月以前是作為開發雷擊電流放電器的設計基礎。
盡管雷擊電流放電器放電能力很好，但總有其缺點：其剩余電壓高達２．５～３．５ｋＶ。因此，在整體安裝雷擊電流放電器時，還需與其它的放電器組合使用。
此類產品主要有阿西亞·布朗·勃法瑞（ＡＢＢ）公司的Ｌｉｍｉｔｏｒ Ｍ－Ｂ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＮＢ－Ｂ、Ｌｉｍｉｔｏｒ Ｇ－Ｂ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＧＮ－Ｂ；德國ＤＥＨＮ同軸火花間隙的ＤＥＨＮｐｏｒｔＭａｘｉ（１０／３５０μｓ，５０ｋＡ／相）、ＤＥＨＮｐｏｒｔ２５５（１０／３５０μｓ，７５ｋＡ／相）；德國ＰＨＯＥＮＩＸ角型火花間隙：ＦＬＴ６０－４００（１０／３５０μｓ，６０ｋＡ／相）、ＦＬＴ２５－４００（１０／３５０μｓ，２５ｋＡ／相）；Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ的ＰＲＦ１電涌保護器；ＭＯＥＬＬＥＲ的ＶＢＦ－系列產品。
壓敏電阻其功能相當于很多與串聯和并聯在一起的雙向抑制二極管，工作原理如同與電壓相關的電阻。電壓超過規定電壓，壓敏電阻可以導電；電壓低于規定電壓，壓敏電阻則不導電。這樣壓敏電阻可起到很好的電壓限位作用。壓敏電阻工作極為迅速，響應時間在毫微秒范圍下段。
電源上常用的壓敏電阻可輸導極限可達４０ｋＡ ８／２０μｓ脈沖的電流，因而很適合做電源第二級放電器。但作為雷擊電流放電器則不合適。國際電子技術委員會ＩＥＣ １０２４－１文獻中記載，要處理脈沖為１０／３５０μｓ的電荷量，相當于８／２０μｓ脈沖情況下電荷量的２０倍。
Ｑ（１０／３５０）μｓ＝２０×Ｑ（８／２０）μｓ
從這條公式可以看出，不僅要注意放電電流的幅度，而且一定要注意脈沖形式，這是至關重要的，壓敏電阻的缺點是易老化和電容較高，老化是指壓敏電阻內的二極管元件被擊穿。由于大多數情況下Ｐ－Ｎ結過載時會造成短路，依其負載的頻繁程度，壓敏電阻開始吸引泄漏電流，泄漏電流會在敏感的測試電路中引起測量數據誤差，同時，特別是在額定電壓高的電路中，會造成強烈發熱。
壓敏電阻的電容高，使它在很多情況下不能在信號傳輸線路中使用。電容和導線電感形成一個低通電路，會使信號極大地衰減。但頻率大約在３０ｋＨｚ以下的衰減可以忽略不計。
此類產品主要有ＡＢＢ的Ｌｉｍｉｔｏｒ Ｖ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＶＴＳ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＶＥ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＶＥＴＳ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＧＥ－Ｓ；Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ的ＰＲＤ系列可更換式電涌保護器；ＭＯＥＬＬＥＲ的ＶＲ７－ ＶＳ７－系列產品；德國ＤＥＨＮ的ＤＥＨＮｇｕａｒｄ３８５（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）、ＤＥＨＮｇｕａｒｄ２７５（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）；德國ＰＨＯＥＮＩＸ的ＶＡＬ－ＭＳ４００ＳＴ（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）、ＶＡＬ－ＭＥ４００ＳＴ／ＦＭ（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）；國產萬馬神的ＤＢ３０－４Ａ／Ｂ（８／２０μｓ，３０ｋＡ／相）、ＤＢ４０－４Ａ／Ｂ（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）。
４ 根據過電壓保護的方案安裝浪涌保護器
包含單個保護元件或者組合保護電路，又按安裝技術條件集成一體的組合件（導軌安裝式、電源插座式、適配器）稱作放電器。
幾乎在所有情況下的過電壓保護，至少應分成兩級。如電源，各個只包含一級保護的放電器，可安裝在不同的位置，同一放電器中也可能包含多級保護。為了達到有效的過電壓保護，人們將需要保護的范圍按不同的電磁兼容性分區，這個保護范圍，包括從閃電保護區０，過電壓保護區１至３，直到干擾電壓保護區具有更高的序號。
設置電磁兼容性保護區０到３，是為了避免因高能耦合而損壞設備。而序號更高的電磁兼容性保護則為防止信息失真和信息丟失而設置。保護區的序號越高，預期的干擾能量和干擾電壓電平越低。需要保護的電氣和電子設備安裝在一個十分有效的保護圈內，這樣的保護圈可以針對單個的電子設備，也可以是一個裝有多個電子設備的空間，甚至一整棟樓，所有穿過通常具有空間屏蔽的保護圈的電線，在接到該保護圈的外圍設備的同時接過電壓保護放電器。
浪涌保護器的選擇取決于各個電路和參數。浪涌保護器的工作電壓以安裝在此電路中所有部件的額定電壓為準，而要達到的剩余電壓則根據安裝在此電路中所有部件的耐壓強度確定。耐壓強度按１．２／５０μｓ脈沖測試。并聯時，即在有源導線和地之間接上放電器時，無需注意放電器的額定電流，因為額定電流并不通過放電器。
電路裝有串聯浪涌保護器的情況下，必須注意其額定電流，在數據傳輸率很高的電路中，浪涌保護器的衰減起著決定性的作用。
至于專門為數據傳輸電路而設計的放電器，生產廠家已考慮到其傳輸速率。為達到最優化的過電壓保護方案，用戶需要與電氣和電子設備的規劃人員，及建筑設計人員及時對話。正是在設計規劃階段，注意到電磁兼容性的基本原理可以大大降低成本，并最有效地達到過電壓保護的目的。在設計階段，確定網狀電位補償系統的設置，并為空間屏蔽和電氣及電子設備線路的布置奠定基礎。按電路參數而挑選出的浪涌保護器，就很容易確定其合適的安裝位置了。
需特別注意的是，只有符合專業規定及標準的安裝，才能使一個優秀而便于應用的過電壓保護方案成功地付諸實踐。
參考文獻《電子設備的雷電及過電壓保護》
滬公網安備31010802001143號
