浪涌电压保护机理

浪涌电压保护的基本要求是：在电路没有干扰时，不影响设备的正常运行;工作电路中一旦有浪电压侵入时，将浪涌电压抑制在设备可接受的阈值范围内，保证设备有受到浪涌干扰时的正常运行，并且防止电路元器件和系统的损坏。从电路联接关系的角度来看，保护的方式有两种，一是将设备从受干扰的工作电路中断开，二是给浪涌电压提供泄放通道，最终使浪涌电压不作用到被保护的设备上。由于保护器件在系统正常工作和浪涌干扰时所表现出的电气性能完全不同，保护器件的伏安特性必须具有强烈的非线性特征。而对于一般的元器件，其电阻基本不随运行工况的改变而变化，其伏安特性表现出良好的线性特征。

有一类元件，当其两端电压差在正常范围内时，电阻很大，几乎没有电流通过;一旦元件两端电压差增大到一定的门槛值时，电阻迅速减少，几乎为零。利用这类元件可以做成并联型浪涌保护器，从而保护了设备。实际上，浪涌侵入时保护器不可能完全呈短路状态，两端电压也不可能达到零，只能达到一个较小的值，称作箝位电压，只要这个箝位电压小于被保护设备的安全电压，就能有效地保护设备。

另外有一类元件则具有相反的非线性特征，在正常工作电压下，电阻几乎完全为零，当控制电压(信号电压或电源电压)达到一定的门槛值时，元件马上呈现出很大的电阻值，利用这类元件可以做成串联型浪涌保护器。由于其呈现出高阻态，电路相当于断开，使被保护设备免遭浪涌电压的侵入。

根据IEC组织提出的DBSG的基本方法，电子信息系统雷电及浪涌的防护应当采取以下六大技术措施：(1)直击雷防护、(2)屏蔽和隔离、(3)合理布线、(4)等电位连接、(5)共用接地、(6)安装使用浪涌保护器。 在一个完善的电子信息系统防雷工程中，这六个防护措施都应当考虑。但是目前最薄弱的就是安装使用浪涌保护器(SPD)

一、浪涌保护器发生故障的成因分析：

1.浪涌损伤积累到一定程度造成故障(老化)

2.超过浪涌抑制元件所能承受的电流额度(瞬时过流)

3.短时过压超过浪涌抑制元件所能承受的最大持续工作电压：MCOV(暂态过电压)

二、为什么必须对浪涌保护器实行故障保护

当浪涌保护器中的抑制元件(MOV)被击穿，该故障元件所在线路为短路状态，这时将会对配电系统造成严重影响。短路电流由配电系统流向失效的浪涌保护器，会使该元件迅速发热，并燃烧起火、甚至炸裂为碎片。因此，必须配备合适的分离装置使失效的元件和配电系统相分离。

三、实现浪涌保护器的故障保护的分离装置的分类

1.按照性能分类：过流保护、过热保护

2.按照装置性质分类：熔丝、断路器

3.按照设置的位置分类：内置、外置

4.内置熔丝的数量级别分类：产品级、元件组级、元件级

(只有多元件保护器才有此种分级)

四、浪涌保护器的故障保护实际应用

1.在上游加空气开关/断路器

能实现过流保护，但空开的响应时间慢、还存在耦合问题，是最简单但远不是理想选择;

2.在上游加带熔丝的断路器

能实现过流保护，效果比空气开关好;断路器的位置不应离保护器太远;

3.使用带内置熔丝的保护器：(单元件产品)能实现过流保护

具体应用：单相产品的L-N上设置一个熔丝;三相产品L1/L2/L3-N上分别设置一个熔丝

某些国产欧洲品牌产品有此种设置，也是单元件产品目前在市场上能见到最好的故障保护方式。(单元件保护器：每个模式上的浪涌抑制元件只有一个)

4.使用带内置熔丝的保护器：熔丝数量级为产品级(仅就多元件产品而言)

能实现过流保护，产品具有一定的稳定性

对某个特定的保护模式(如L-N)上并联的多个元件(比如6个)，并在每一组上设置一个熔丝;某些IEEE标准的进口产品采用了这种方式

5.使用带内置熔丝的保护器：熔丝数量级为元件组级(仅就多元件产品而言)

能实现过流保护，产品具有较好的稳定性(具体要看元件多少和分组比例)

对某个特定的保护模式(如L-N)上并联的多个元件(比如6个)，将这些元件分组(比如分成2组)，并在每一组上设置一个熔丝;

某些IEEE标准的进口产品采用了这种方式

6.使用带内置熔丝的保护器：熔丝数量级为元件级(仅就多元件产品而言)

能实现过流保护，产品具有很高的稳定性

对某个特定的保护模式(如L-N)上并联的多个元件，为这个模式上的每一个元件都设计独立的熔丝。

目前只有高端的IEEE标准的进口产品采用了这种方式

7.使用带内置熔丝的保护器：熔丝数量级为元件级双重故障保护(仅就多元件产品而言)

能同时实现过流和过热保护：在确保安全的条件下，产品具有极高的稳定性，能适应各种可能出现的故障问题，是迄今为止存在的故障保护级别最高一种方式。对某个特定的保护模式(如L-N)上并联的多个元件，为这个模式上的每一个元件的前面串联2个熔丝，分别实现过流保护和过热保护;其中过热保护能很好地避免抑制元件在故障时发生炸裂。

目前只有最高端的IEEE标准的进口产品采用了这种方式，如美制的强士林(JOSLYN)保护器

五、浪涌保护器内部的故障安全保护的含义

1.在运行期间，确保保护器及所有内部元件的安全运行，并在发生故障时使故障部分安全分离;

2.保护器在任何情况下对于周边环境完全无污染，不冒烟，不燃烧，不发生爆炸。

3.故障保护应达到的综合要求应该是：在任何条件下,

不会对其它负载，周边环境及人生安全造成损害。

六、多元件产品实现元件隔离的方式

如果保护器外壳达到一定防护等级，比如IP65，可以认为能够将内部元件故障引发的污染物(烟尘，火焰，爆裂碎片)限制在外壳以内，使周边设备不受影响。但如果要确保内部的元件在故障时不会影响到内部的其它元件和线路，这就要求内部元件之间有很好的隔离，这对于多元件产品尤其如此。

内部元件的隔离需要解决好以下两个问题：

1.一方面起到固定保护器内部结构及元件的作用，提高产品抗震，抗拉伸的能力;

2.另一方面要能够某个元件在故障时有足够的释放空间，并且能将释放时产生的污染物(烟尘，火焰，爆裂碎片)限制在一定的范围之内，从而确保故障元件的周边的部分不受影响。

实际上，要做到以上两个方面不是容易的事情，下面我们介绍一下现实情况下的具体应用：

1.几乎所有的国产保护器，包括欧洲品牌的国产保护器，都回避了这个问题。具体情况一般是：IP20，单元件设计，内部没有采取元件隔离措施;

效果：密封差、产品抗震、抗摔的能力有限，受外部环境的影响大(如：高海拔、尘土、真菌、腐蚀性气体等)，不能适应室外安装;由于外部防护等级只有20，在遭受大电流冲击时可能砸裂。

2.多元件产品内部采用环氧化物密封并完全固定;

优点：

很好地提升了保护器的抗震、抗摔的能力;

可能提升保护器的防护等级，达到IP66;

可以使保护器几乎不受外部影响，全天候工作;

有利于内部元件的发热后的降温;

缺点：

在遭受恶性冲击的时候，可能产生剧烈爆炸;

具体而言，如果保护器的Imax是120kA。此类产品在遭受超出其Imax的冲击时候，多个内部元件会被击穿失效，并出现炸裂。这时候由于元件被坚硬的环氧化物封死，炸裂产生的炙热气体没有空间释放，所以内部的多个故障元件只有同密封的环氧化物一起炸裂，才能完成释放，但这种崩溃性的释放所造成的后果可能不堪设想。

总结：此种隔离方式在产品不遭受超出其Imax的恶性冲击的情况下是非常理想的。但对于可能出现的恶性冲击，此种隔离方式存在着重大安全隐患。

3.多元件产品内部采用填沙隔离：用沙状颗粒(如石英沙)填充内部约80%的空间评价：

避免了“环氧化物密封”存在的安全隐患

能较好地提升保护器的抗震、抗摔的能力，但不如“环氧化物密封”;

能较好地使保护器几乎不受外部影响，全天候工作，但不如“环氧化物密封”;

能有效地帮助内部元件发热后的降温;

能在保护器遭受恶性冲击的时候，可靠地消除故障元件砸裂时的冲击力，消除砸裂时产生的火弧，能够让炙热气体低烈度释放并迅速降温;

4.多元件产品内部采用填充弹性胶体隔离：用弹性胶体填充内部约80%的空间评价：

是目前为止最佳的元件隔离方式

能很好地提升保护器的抗震、抗摔的能力;

能很好地使保护器几乎不受外部影响，全天候工作;

能非常有效地帮助内部元件发热后的降温;

能在保护器遭受恶性冲击的时候，可靠地消除故障元件砸裂时的冲击力，消除砸裂时产生的火弧，能够让炙热气体低烈度释放并迅速降温;

七、元件分离、隔离措施和保护器稳定性之间的关系：多元件产品的难题

1.在某特定模式上并联的元件数量越多，在正常工作情况下越稳定可靠;

2.在某特定模式上设置的熔丝越多，在故障条件下越能够提高保护器在故障情况下的生存能力，越能力使保护器适应存在连续大幅度浪涌电流冲击的恶劣配电环境;

3.元件之间的隔离措施越好，越能够使保护器在某特定模式上并联的数量越多;

4.设置两级熔丝增加过热保护，能很好地避免内部抑制元件在故障时发生炸裂;

5.实施的办法越多，数量等级越高，产品成本也会越高;

结语：在“无故障保护设计”和“元件级双重故障保护加弹性胶体隔离”之间选择最适合的产品从完全没有分离装置、没有内部元件隔离的单元件保护器到采用元件级双重分离装置并且采用弹性胶体隔离的多元件产品之间有非常大的差距，中间可以划分出很多的档次;对于使用浪涌保护器的终端用户或者工程设计人员来说，建议在选择保护器时一方面要了解所选择的保护器采用了何种故障保护设计，另一方也要结合自己的实际需求，了解使用环境的具体情况(湿度、海拔、污染程度、易燃易爆程度、本身配电环境、雷击概率、连接设备对电源的要求、故障率、运维成本、故障停工成本等)综合考虑各方面因素，从而选择出最适合的产品。

防雷浪涌保护器第一级保护。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。防雷浪涌保护器第二级防护。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。防雷浪涌保护器第三级保护。

浪涌保护器原理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。防雷浪涌保护器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。