雷电防护中浪涌保护器的应用

瞬态过电压（电流）的来源是：雷击事件、静电放电、操作过电压等产生的电磁脉冲引起的；其中雷电电磁脉冲的能量最大，危害性最为严重。在雷电防护中通常用浪涌保护器（SPD）来抑制瞬态过电压（电流）。本文讨论浪涌保护器（SPD）应用中的SPD有关参数的选择、SPD的安装、SPD的协调配合、SPD的自保护和后保护、SPD的安装时的引线问题。

1 SPD的功用

在雷电防护中浪涌保护器（SPD）广泛应用于保护电气电子设备。通常这些设备都置于雷电防护区（LPZ）之内(高于LPZ1)，少数设备在LPZ0B区。SPD的功用是限制线路中的浪涌和与屏蔽体配合构筑低电磁场的防护空间。

1.1 SPD分流浪涌电流抑制浪涌电压

SPD的作用是将电气、电子系统中的不能直接用导体进行等电位连接的带电导体通过SPD 进行瞬态等电位连接，利用SPD的非线性特性限制瞬态浪涌过电压并分流浪涌电流，达到保护电气、电子系统的目的。

1.2 SPD与屏蔽体构筑雷电防护区（LPZ）

把进出屏蔽体的带电导体（电源线、信号线）用SPD进行瞬态等电位连接。SPD与三维屏蔽体共同构筑了LPZ，SPD是LPZ划界的重要部件。LPZ的导体中的浪涌在边界得到分流，LPZ空间中的电磁场得到衰减。

2 SPD的选择

2.1 SPD的电压保护水平Up

SPD的保护水平Up是规定标称放电电流（In）时的SPD两端的残压。要求SPD的Up必须小于或等于被保护设备的定额冲击耐受电压Uw.通常为1.2Up≤Uw.实际上SPD的有效保护电压Upf＝Up+ΔU，ΔU为线路压降。

UW适用于低压供电系统，表征了设备耐受冲击过电压的绝缘性能。但不适合于通信线路及其他微电子器件。对通信线路和微电子器件，冲击耐受电压与低压线路的Uw不同，而是与电子电路的抗扰度和工作电压相关联，实验证明冲击耐受电压通常为工作电压Uo的3倍左右。一般对通信线路和微电子电路Up为工作电压Uo的2.5～3倍。表1所示为某些集成电路的冲击耐受电压值。

表1 集成电路的冲击耐受电压

2.2 SPD的放电电流（Iimp、In）

当直击雷击中实体和线路（低压系统、通信线路）都应选用Iimp(10/350μS)测试的SPD，例如LPS中的雷电等电位连接的SPD和在LPZ0A区的架空线路使用的SPD。

在LPZ0B（LPZ1或更高的防护区）之内的各种线路浪涌主要来自LEMP感应产生的，就应选用In（8/20μS）测试的SPD或用组合波（1.2/50μS, 8/20μS）测试的SPD。

不同条件下低压系统和通信线缆雷电流浪涌预计值如表2、表3所示（来源于IEC62305-1.表E.2）。LPL为雷电防护等级。

表2 低压系统雷电流浪涌的预计值

表3 通信系统雷电流浪涌的预计值

对屏蔽线路，假设屏蔽层的阻抗与线缆导体并联阻抗近似相等，那么，表中给出的浪涌值减小一半。如线路穿入铁管，在线路中引起的过电流会更小。

从表2可见，当LPL－Ⅰ峰值电流200KA（10/350μS）时，在低压系统中的架空线上最大的浪涌电流为10KA（10/350μS）。如有架空地线保护或铠装线埋地其浪涌电流还要小。

为了构筑LPZ，在建筑物的低压系统进线入口(LPZ0A/LPZ1边界，供电线主配电盘MB上)应安装用Iimp测试的SPD（10/350μS）。当线路完全在LPZ0B进入建筑物入口处（LPZ0B/LPZ1边界MB上）则应安装用In测试的SPD（8/20μS）。

也就是说根据电磁环境不同在LPZ1的边界主配盘（MB）上可安装开关型（10/350μS）SPD，也可安装限压型（8/20μS）的SPD。

现有标准中低压系统对SPD冲击放电电流（Iimp）要求高的不合理，例如对第一级（MB 上）的SPD要求不管进线所在的LPZ(LPZ0A还是LPZ0B)、进线类型（架空还是埋地屏蔽线）都要求采用I级分类试验（10/350μS）的SPD其值为20KA，比表2中的10KA高一倍，高于国际上所有标准的要求。这种高标准的过防护将会带来两个问题，一是防护成本提高，二是起不到防护功能，当雷电浪涌较小时，可能启动不了第一级SPD放电，那么第二级SPD要承受所有的浪涌或加到后边的设备上，以致第二级SPD或设备损坏。在我国昆明、武汉空管雷达站就发生过此类故障。国际上许多标准中第一级SPD都选用Ⅱ级分类的试验8/20μS波形的SPD。例如：澳大利亚AS1768-1991，选70KA（8/20μS）。美国FAA-STD-19d-2002，选80 KA（8/20μS）等。在我国实践也证明了限压型SPD（8/20μS）

器件广泛用于通信局站、中南地区空管中心效果很好。因此，在放电电流选择上要防止过防护。

2.3 SPD的响应时间tA

常用的SPD响应时间开关型（SG）的为100nS，限压型（MOV）为25nS。低压系统的第一级SPD要保护的大多是电磁型设备，这些设备对浪涌不敏感，因此无论是SG、MOV的响应时间是可以达到保护的目的。

如贴近设备安装的SPD，被保护的设备是电子设备或通信系统。例如设备的半导体组件对浪涌的响应时间为10nS或更小，对浪涌非常敏感，虽然SPD的Up满足要求，而tA太长，SPD还来不急放电，被保护的设备已被损坏。所以保护电子设备和通信线路SPD的响应时间tA要小于或等于被保护设备的响应时间。通常SG、MOV的SPD只用于低压供电线路中。贴近电子设备在信号线路中的SPD应选取tA更小的TVS或其他半导体抑制器件（例如雪崩二极管SAS）.

SPD的响应时间在级间配合中也很重要，现有很多标准规定第一级开关型SPD与第二级限压型SPD的间距大于10m（其原因取决于浪涌在低压线路的传播速度1.5×108m/s两级tA 的时间差75ns）来保证在浪涌传到第二级之前第一级必须导通放电，否则第二级将承受全部的浪涌。

目前厂商为了降低Up值，生产了电子点火的开关型SPD，Up可小于1KV，但tA为1μS。也就是说浪涌加至SPD点到SPD响应浪涌而开启的1μS的时间内，浪涌已在线路中向下游传了150m。150m之内的第二级SPD等和被保护设备就要承受这个浪涌。因此，tA是SPD 选择时的一个重要参数，特别是在信号线路中更为关键。

通信线路中SPD的选择还应考虑工作电压，最大持续工作电压，传输速率、插入损耗、驻波比、相移和接口形式等因素。

3 SPD的安装

为了保护被保护设备，不但要选择适当的SPD还取决于合理的安装。

3.1 SPD的安装位置

第一级SPD应安装在外线进入建筑物的入口处（LPZ的界面）将浪涌电流在界面处泄放入大地，该SPD能保护建筑物内的所有设备，会降低成本。

SPD贴近被保护设备安装，这样保护效果好，每个设备都装SPD成本会提高。

在第一级SPD与贴近设备安装的SPD之间是否安装SPD取决于能量配合、线路长度和电磁环境。

3.2 振荡保护距离lpo

当SPD与被保护设备间线路太长，传播中浪涌会产生振荡。最严酷时设备终端过电压为2Up。2Up可能会大于Uw。为了使设备终端过电压仍小于Uw就要限制SPD到设备间线路最大的