电涌保护器(SPD)的原理及应用

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摘要：随着精密电子设备的发展和应用，电涌保护器成为雷电保护体系的重要组成部分。文章介绍了电涌保护器的工作原理、分类和性能特性，并简要论述了电涌保护器的选型与应用。

关键词：电涌保护器；spd；雷电反击；雷电感应；现代建设

中图分类号：TU856

文献标识码：A

文章编号：1009-2374（2012）26-0093-03

1　概述

在信息化带动工业化的引导下，各类信息设备、计算机、精密仪器等的应用越来越广泛。而此类精密电子产品具有工作电压低、耐压性差、高敏感性、抗干扰能力差等特点，因而在受到外界电流脉冲，尤其是雷电产生的影响下，极易受到损害。因此，防雷电保护在现代建设项目中显得尤为重要。

SPD全称是Surge Protective Device，也称为电涌保护器，是限制雷电反击、雷电感应和过压而产生顺势电压并释放电流的重要器件。作为雷电保护设备体系中的重要组成部分，SPD已经广泛应用在电力、交通、机场等各个行业。

2　电涌保护器的工作原理及分类

电涌保护器是电子设备防止雷电保护中重要的组成部分，是用于限制瞬态过电压和泄放浪涌电流的装置，它至少应包含一个非线性元件。电涌保护器并联在被保护设备两端。泄放浪涌电流、限制浪涌电压都是通过其非线性元件完成的。

2.1　工作原理

电涌保护器的类型可以根据其包含的非线性基本元器件的不同分类，通常电涌保护器的基本元件有放电间隙、气体放电管、压敏电阻和抑制二极管等。

2.1.1　放电间隙。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保护设备的电源线相连接，另一根金属棒与接地线相连接。当瞬时过电压进入线路后，两根金属棒之间产生高电位差，使间隙被击穿。从而把过电压的电荷引入接地线，达到了保护设备的作用。这种放电间隙的金属棒之间的距离可以根据需要调节且结构简单。

2.1.2　气体放电管。由相互离开的一对冷阴极板封装在充有惰性气体的玻璃管或陶瓷管内组成。通常为了提高放电管的敏感度，也可在放电管内充入助触发剂。

2.1.3　压敏电阻。主要成分是以金属氧化物半导体非线性电阻为主，当作用在两端的电压达到触发电压数值后，电阻对电压变得十分敏感。其特点是通留容量大，对瞬时过电压响应时间快。

2.1.4　抑制二极管。抑制二极管主要是钳制限压功能，工作在反向击穿区。由于抑制二极管的钳制电压低并且反应速度快，所以经常应用在多级保护电路的末端保护元件。

2.2　分类和特性

SPD从工作原理和性能上可以分为电压限制型、电压开关型、组合型。

2.2.1　电压限制型。电压限制型SPD的核心保护元件为各种非线性电阻性元件，具有连续的伏安特性，随着电流增加电阻连续地减小。在无电涌出现时SPD表现为高阻抗，随着电涌电流和电压的增加，阻抗连续减小，使其两端电压基本保持不变。此类SPD通常采用压敏电阻、抑制二极管为主要组件。

2.2.2　电压开关型。电压开关型SPD的核心保护元件为各种开关型器件，如开放的空气间隙、气体放电管、晶闸管等。开关器件也是非线性元件，但其伏安特性不连续，在电压较小时基本为开路状态，当电压达到一定数值时，电阻突然降低，两端成为导通状态。

2.2.3　组合型。组合型SPD是由电压开关型元件和电压限制型元件组合而成的，串联或者并联共同发挥作用。组合型SPD也具有非线性特性，但是不连续，有时候表现为电压开关特性，有时是电压限制型特性。

电压限制型SPD具有反应速度快的特点，但其电压保护水平不高，有延缓老化现象。电压开关型SPD电压保护水平高且不会老化。组合型SPD由于串并联方式和结构的差异，会表现出不同的特点。

3　电涌保护器的应用

3.1　过电压成因

通常将超过设计规定的正常工作电压的上限值电压称为“异常过电压”，又称“过电压”。电涌保护器就是防止过电压对电气线路和电子设备中的电路、元件造成破坏。

过电压可能来自外部，也可能来自内部设备和装置。外部侵入的过电压可以通过导线、线路、管路传导进入，也可以通过线路之间的电磁感应、静电感应产生；内部过电压则可能由电路异常、开关动作产生。根据过电压的产生原因，可以将过电压大致分为雷电过电压、操作过电压、暂态过电压、静电等。

3.1.1　雷电过电压。由直击雷产生，通过导线或线路传导到电子设备；由于雷电对地面放电，对附近1.5km范围内的导线和导体产生电磁感应，从而传导到电子设备。雷电过电压的特点是持续时间短、峰值高。

3.1.2　操作过电压。操作过电压是由于在电路中存在大量能储存能量的元器件，如电容中的静电场能量和电感中的磁能等，在电路状态突变时产生能量转换，进而引起振荡而出现的过电压现象。通常，电路中的断路器、隔离开关、继电器、可控硅开关等在进行通断动作时，都可以对开关两端产生过电压。操作过电压的持续时间比雷电过电压长且衰减快。

3.1.3　暂态过电压。暂态过电压是当电力系统发生故障时，切断负荷或谐振时所产生的电压过高现象。其特点是持续时间长。

3.1.4　静电。在天气干燥的季节，人体与衣服间摩擦会使人带电，当带电的人体与电子设备接触时，就会对电子设备放电产生过电压。静电放电的特点是电压高，时间很短。

3.2　SPD选择与应用

针对不同原因产生的过电压，其电涌保护器SPD的选用也不同。在实际应用中，要考虑一下几方面选择使用：

3.2.1　电涌保护器SPD通常安装在电源线、信号线上对其进行保护。对于安装在电源线的SPD，要根据被保护对象的电气参数选择SPD的通流量、负载能力、残压和响应速度等，以便与被保护设备配合使用。对于信号线上安装的SPD，要根据信号线传输的信号电压选取。由于信号传输一般都为低电压，在不影响信号的传输前提下，通常采用限制线路上传输的最高电压从而保护线路。

3.2.2　电涌保护器的电压保护电压值应小于被保护设备的冲击耐压值，这是基本原则。当线路电压超过被保护设备冲击耐压值时，被保护设备将受到损坏。当进线端电涌保护器保护电压与被保护设备耐压值之比过高时，可以加装二级电压保护器。采样逐级降压引流的方式可以达到保护效果。

3.2.3　采样多级SPD保护时，其流通量应是逐级减小的。第一级应选用大通流量SPD，第二、三级选择通流量小的SPD。需要注意的是，当采用多级SPD保护时，要避免SPD残压过高和响应速度慢的原因，从而使被保护电路受损。

3.2.4　尽量减小电涌保护器和被保护设备两端引接线的长度，每只并联SPD引接线总长度不宜超过0.5m，以减少引线的电感产生的压降对设备的影响。

3.2.5　当进线端电涌保护器与被保护设备电气间的距离大于30m时，应在离被保护设备尽可能近的位置加装另一个电涌保护器。

3.2.6　在实际应用中应选较大通流量或者热备份SPD。雷击过程往往是多次瞬间产生，通流量大的SPD使用寿命较长，有利于设备的保护。

3.2.7　对于SPD引入和引出线应用扎带或胶布将其紧密捆扎在一起，这样能有效地消除感应磁场，降低压降。

3.2.8　要防止交叉耦合对设备线路的影响。雷电或其他脉冲信号线路在未通过SPD前，可以认为是一个强电磁场辐射源；当通过SPD后将可以视为稳定的线路，此线路不可再与已通过SPD的线路靠近，这样容易产生“二次辐射”。

4　结语

电涌保护器在现代化建设领域中的作用越来越重要，选择并使用好电涌保护器是防雷保护中的重要环节。SPD的使用必须考虑建筑物具体情况、被保护设备的具体对象以及合理正确的技术参数和接入方式，只有这样才能使系统安全的运行，电子设备受到可靠的保护。

参考文献

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作者简介：曹兴华（1981-），男，北京人，供职于北京中企建发监理咨询有限公司，硕士，研究方向：电工理论与新技术。