浪涌保护器（防雷器）科普知识
浪涌保护器（防雷器）科普知识
发布日期：2023-06-12 10:04
浪涌保护器SPD也称为电涌放电器，所有用于特定目的的电涌保护器实际上都是一种快速开关，并且电涌保护器在一定的电压范围内被激活。激活后，浪涌保护器的抑制元件将从高阻抗状态断开，L极将变为低电阻状态。通过这种方式，可以排出电子设备中的局部能量浪涌电流。在整个雷电过程中，电涌保护器将在极点上保持相对恒定的电压。该电压可确保浪涌保护器始终开启，并且可以安全地将浪涌电流释放到大地。换句话说，电涌保护器可保护敏感的电子设备免受雷电事件、公共电网开关活动、功率因数校正过程以及内部和外部短期活动产生的其他能量的影响。
地凯科技浪涌保护器应用
闪电对人身安全有明显的威胁，对各种设备构成潜在威胁。电涌对设备的损害不仅限于直接交流电涌保护器 T2 SLP40-275-1S+1雷击。近距离雷击对敏感的现代电子设备构成巨大威胁;另一方面，雷云之间的距离和放电中的雷电活动会在电源和信号回路中产生强烈的浪涌电流，使正常流量设备正常。运行并缩短设备的使用寿命。由于接地电阻的存在，雷电流流过大地，从而产生高电压。这种高电压不仅危及电子设备，而且由于步进电压而危及人的生命。
浪涌，顾名思义是超过正常工作电压的瞬态过电压。从本质上讲，电涌保护器是一种在短短几百万分之一秒内发生的猛脉冲，并可能导致浪涌：重型设备、短路、电源开关或大型发动机。含有避雷器的产品可以有效吸收突然爆发的能量，以保护连接的设备免受损坏。
电涌保护器，也称为避雷器，是为各种电子设备、仪器和通信线路提供安全保护的电子设备。当由于外部干扰在电路或通信线路中突然产生电流或电压时，电涌保护器可以在很短的时间内进行分流，从而避免浪涌损坏电路中的其他设备。
基本功能
电涌保护器流量大，残余电压低，响应时间快;
采用最新的灭弧技术，彻底避免火灾;
内置热保护的温控保护电路;
带有电源状态指示，指示电涌保护器的工作状态;
结构严谨，工作稳定可靠。
专业术语
1、空气终端系统
电涌保护器用于直接接受或承受雷击的金属物体和金属结构，例如避雷针，防雷带（线），防雷网等。
2、引下线系统
电涌保护器将闪电接收器的金属导体连接到接地装置。
3、接地终端系统
接地电极和接地导体的总和。
4、接地电极
埋在地下，与大地直接接触的金属导体。也称为接地极。直接接触大地的各种金属构件、金属设施、金属管道、金属设备等也可以作为接地电极，称为天然接地电极。
5、接地导体
将接地装置的连接线或导体从电气设备的接地端子连接到需要等电位接合的金属物体、总接地端子、接地汇总板、总接地条和等电位键合的接地装置的连接线或导体。
6、直接闪电
直接雷击真实物体，如建筑物、地球或防雷装置。
7、背面闪络
雷电流通过接地点或接地系统，导致该区域的地电位发生变化。接地电位反击会导致接地系统电位发生变化，从而可能对电子设备和电气设备造成损坏。
8、防雷系统
电涌保护器可减少雷电对建筑物，设施等造成的损坏，包括外部和内部防雷系统。
8.1 外部防雷系统
建筑物外部或主体的防雷部分。电涌保护器通常由雷电接收器、引下线和接地装置组成，以防止直接雷击。
8.2 内部防雷系统
建筑物（结构）内部的防雷部分，电涌保护器通常由等电位连接系统，公共接地系统，屏蔽系统，合理布线，浪涌保护器等组成，主要用于减少和防止雷电流在保护空间中产生的电磁效应。
雷电灾害是最严重的自然灾害之一。世界上每年都有无数的雷灾造成的人员伤亡和财产损失。随着电子和微电子集成器件的大量应用，雷电过电压和雷电电磁脉冲对系统和设备的损坏正在增加。因此，尽快解决建筑物和电子信息系统的雷电灾害防护问题非常重要。
电涌保护器雷电放电可能发生在云或云之间，或云与地面之间;除了使用许多大容量电气设备造成的内部浪涌外，供电系统（我国低压供电系统标准：AC 50Hz 220/380V）和电气设备的影响以及防雷电和电涌的防护已成为人们关注的焦点。
电涌保护器的云和地面之间的雷击由一个或多个单独的闪电组成，每个闪电都携带许多持续时间非常短的非常高的电流。典型的雷电放电将包括两次或三次雷击，每次雷击之间大约是二十分之一秒。大多数雷电流落在 10，000 到 100，000 安培之间，持续时间通常小于 100 微秒。
在电涌保护器电源系统中使用大容量设备和逆变器设备带来了日益严重的内部浪涌问题。我们将其归因于瞬态过电压（TVS）的影响。任何用电设备的电源电压允许范围都存在。有时，即使是非常窄的过电压冲击也会导致电源或设备损坏。瞬态过压 （TVS） 损坏就是这种情况。特别是对于一些敏感的微电子器件，有时一个小浪涌会造成致命的伤害。
随着相关设备对防雷的要求越来越严格，安装浪涌保护装置（SPD）来抑制线路上的浪涌和瞬态过电压以及泄放线上的过电流已成为现代防雷技术的重要组成部分。
1、雷击特性
防雷包括外部防雷和内部防雷。外部防雷主要用于避雷接收器（避雷针、防雷网、防雷带、防雷线）、引下线、接地装置。电涌保护器的主要功能是确保建筑物主体免受直接雷击。可能击中建筑物的闪电通过避雷针（皮带、网、电线）、引下线等排放到地下。内部防雷包括防雷、线路浪涌、地电位反击、雷波入侵以及电磁和静电感应。该方法基于等电位键合，包括通过SPD直接连接和间接连接，使金属体，设备线和接地形成条件等电位体，内部设施被雷电和其他浪涌分流和诱导。雷电流或浪涌电流排放到大地，以保护建筑物内人员和设备的安全。
闪电的特点是电压上升非常快（10μs以内），峰值电压高（几万到几百万伏），电流大（几万到几十万安培），持续时间短（几十到几百微秒），传输速度快（以光速传输），能量非常巨大，是浪涌电压中最具破坏性的一种。
2、电涌保护器的分类
SPD是电子设备防雷不可缺少的装置。其功能是将电源线和信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统可以承受的电压范围内，或将强大的雷电流释放到地面。保护受保护的设备或系统免受冲击。
2，1 按工作原理分类
SPD根据其工作原理分类，可分为电压开关型，电压限制型和组合型。
（1） 电压开关型SPD。在没有瞬态过电压的情况下，它表现出高阻抗。一旦它响应雷电瞬态过电压，其阻抗就会突变为低阻抗，允许雷电流通过，也称为“短路开关型SPD”。
（2）限压SPD。当没有瞬态过电压时，它是高阻抗的，但随着浪涌电流和电压的增加，其阻抗会不断降低，其电流和电压特性具有很强的非线性，有时称为“钳位式SPD”。
（3）组合SPD。它是电压开关型元件和限压型元件的组合，根据所施加电压的特性，可以显示为电压开关型或限压型或两者兼而有之。
2.2 按目的分类
根据其用途，SPD可分为电力线SPD和信号线SPD。
2.2.1 电力线防雷器
由于雷击的能量非常大，因此需要通过分级放电的方式逐渐将雷击能量释放到地面。在直接防雷区（LPZ0A）或直接防雷区（LPZ0B）与第一保护区（LPZ1）的交界处安装通过I类分类测试的电涌保护器或限压电涌保护器。一级保护，当输电线路受到直接雷击时，释放直接雷电流或释放大量传导能量。在第一保护区后面的每个区域（包括LPZ1区域）的交界处安装限压电涌保护器，作为第二，第三或更高级别的保护。二级保护器是用于前级保护器的残余电压和该区域感应雷击的保护装置。当前级的雷电能量吸收较大时，有些部件对于设备或三级保护器来说还是相当大的。传输的能量将需要二级保护者进一步吸收。同时，第一级避雷器的传输线也会感应出雷电电磁脉冲辐射。当线路足够长时，感应雷电的能量变得足够大，需要二级保护器来进一步释放雷电能量。第三级保护器通过第二级保护器保护剩余的雷电能量。根据被保护设备的耐压等级，如果两级防雷能达到设备电压等级以下的电压限制，则只需要两级保护;如果设备承受电压水平较低，则可能需要四级甚至更多级别的保护。
2.2.2 信号线防雷器
信号线SPD实际上是安装在信号传输线中的信号避雷器，一般在设备的前端，以保护后续设备并防止雷波从信号线影响损坏的设备。
1）电压保护等级的选择
Up值不应超过受保护设备的额定电压。UP要求SPD与被保护设备的绝缘良好匹配。
在低压供配电系统中，设备应具有一定的承受浪涌的能力，即承受冲击和过电压的能力。当无法获得220/380V三相系统各种设备的冲击过电压值时，可根据IEC 60664-1的给定指标进行选择。
2）额定放电电流的选择 In（冲击流量）
流过SPD的峰值电流，8/20 μs电流波。它用于SPD的II类分类测试，也用于I类和II类分类测试的SPD预处理。
实际上，In是浪涌电流的最大峰值，可以通过指定的次数（通常为20次）和指定的波形（8/20 μs），而不会对SPD造成实质性损坏。
3）最大放电电流Imax的选择（极限冲击流量）
流过SPD的峰值电流，8/20 μs电流波，用于II类分类测试。Imax与In有许多相似之处，In使用8/20μs的峰值电流波对SPD进行II类分类测试。区别也很明显。IMAX只对SPD进行冲击测试，SPD在测试后不会造成实质性的损坏，In可以做20次这样的测试，测试后SPD不能被实质性破坏。因此，Imax是冲击的电流极限，因此最大放电电流也称为极限脉冲流量。显然，Imax>In。
工作原理
电涌保护器是电子设备防雷不可缺少的装置。它曾经被称为“避雷器”或“过电压保护器”。英语缩写为SPD。浪涌保护器的作用是将瞬态过电压进入电源线和信号传输线限制在设备或系统可以承受的电压范围内，或者将强大的雷电流释放到地面，以保护被保护的设备或系统免受冲击和损坏。
电涌保护器的类型和结构因应用而异，但它应至少包含一个非线性限压组件。浪涌保护器使用的基本元件是放电间隙、充气放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈。
基本组件
1.放电间隙（也称为保护间隙）：
它通常由两根金属棒组成，由暴露在空气中的一定间隙隔开，其中一根连接到所需保护装置的电源相线L或中性线（N），另一根金属棒与接地线（PE）连接。当瞬态过电压袭来时，间隙被打破，并将一部分过电压电荷引入大地，从而避免了被保护器件上的电压上升。放电间隙的两根金属棒之间的距离可以根据需要进行调整，结构相对简单，缺点是灭弧性能差。改进后的放电间隙为角间隙，其灭弧功能优于前者。它是由电路的功率F的作用和热气流的上升来熄灭电弧引起的。
2.气体放电管：
它由一对彼此分离并封闭在充满某种惰性气体（Ar）的玻璃管或陶瓷管中。为了增加放电管的触发概率，放电管中还设置了触发剂。这种类型的充气放电管有两极型和三极型。
气体放电管的技术参数为：直流放电电压Udc;冲击放电电压上（一般为上≈（2~3）Udc;工频耐受电流In;冲击耐受电流Ip;绝缘电阻R（>109Ω））;电极间电容 （1-5PF）
气体放电管可在直流和交流条件下使用。所选直流放电电压Udc如下： 直流条件下使用：Udc≥1.8U0（U0为线路正常工作的直流电压）
在交流条件下使用：U 直流≥ 1.44Un（Un 是线路正常运行时交流电压的均方根值）
3.压敏电阻：
它是一种以ZnO为主要成分的金属氧化物半导体压敏电阻。当施加到两端的电压达到一定值时，电阻对电压非常敏感。其工作原理相当于多个半导体P-N的串联和并联。压敏电阻的特点是非线性特性好（I=CUα，α为非线性系数），大流量（~2KA/cm2），低正常漏电流（10-7~10-6A），低残余电压（取决于压敏电阻工作电压和流量），对瞬态过电压的响应时间快（~10-8s），无续流。
压敏电阻的技术参数为压敏电阻电压（即开关电压）UN、基准电压Ulma;残余电压尿素;残余电压比 K （K=尿素/UN）;最大流量Imax;漏电流;响应时间。
压敏电阻在以下条件下使用： 压敏电阻电压：UN ≥ [（√ 2 × 1.2） / 0.7] U0 （U0 是工频电源的额定电压）
最小基准电压：乌尔玛≥（1.8~2）UAC（在直流条件下使用）
乌尔玛≥（2.2~2.5）UAC（在交流条件下使用，Uac为交流工作电压）
压敏电阻的最大基准电压应由受保护电子设备的耐压决定。压敏电阻的残余电压应低于被保护电子设备的电压电平，即（Ulma）max≤Ub/K。其中K是残余电压比，Ub是被保护器件的损坏电压。
4. 抑制二极管：
抑制二极管具有箝位限制功能。它在反向击穿区域运行。由于其低钳位电压和快速响应，它特别适合用作多级保护电路中的最后一级保护元件。抑制二极管在击穿区域的伏安特性可以用以下公式表示：I=CUα，其中α是非线性系数，齐纳二极管α=7~9，雪崩二极管α=5~7。
抑制二极管技术参数
（1）击穿电压，指齐纳二极管在规定的反向击穿电流（通常为1mA）下的击穿电压，通常在2.9V至4.7V范围内，以及雪崩二极管的额定击穿。磨损电压通常在5.6V至200V范围内。
（2）最大钳位电压：指管子通过规定波形的大电流时，两端出现的最高电压。
（3）脉冲功率：指在规定的电流波形（如10/1000μs）下，管内两端最大钳位电压与管内电流当量乘积的乘积。
（4）反向排量电压：是指在反向漏电区可施加到管子两端的最大电压，在该电压下管子不应击穿。该反向位移电压应明显高于受保护电子系统的最高工作电压峰值，即在系统正常运行期间不能处于弱导通状态。
（5）最大漏电流：指在反向位移电压经管子的最大反向电流。
（6）响应时间：10-11秒
5.扼流线圈：
扼流线圈是以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件。它通过两个相同尺寸和相同匝数的线圈对称地缠绕在同一铁氧体环形磁芯上。要形成四端器件，需要抑制共模信号的大电感，对差模信号的差分电感影响不大。扼流线圈可以有效抑制平衡线路中的共模干扰信号（如雷电干扰），但对线路正常传输的差模信号没有影响。
扼流线圈在生产时应符合以下要求：
1）缠绕在线圈铁芯上的导线应相互绝缘，以确保在瞬态过电压下线圈匝间不会发生击穿短路。
2）当线圈流过大的瞬时电流时，磁芯似乎没有饱和。
3）线圈中的铁芯应与线圈绝缘，以防止两者在瞬态过电压下击穿。
4）线圈应尽可能绕组，这样可以减少线圈的寄生电容，增强线圈瞬时过电压的能力。
6. 1/4波长短路
1/4波长撬棍是基于雷电波光谱分析和天线馈线驻波理论的微波信号浪涌保护器。该保护器中金属短路杆的长度基于工作信号频率（例如 900 MHz 或 1800 MHz）。确定 1/4 波长的大小。平行短杆长度对工作信号频率具有无限阻抗，相当于开路，不影响信号的传输。但是，对于雷电波，由于雷电能量主要分布在n+KHZ以下，因此短路条对于雷电波阻抗较小，相当于短路，雷电能级被释放到地下。
由于1/4波长短棒的直径一般为几毫米，抗冲击电流性好，可以达到30KA（8/20μs）以上，残余电压小。该残余电压主要是由短路棒的自感引起的。缺点是功率带窄，带宽约为2%至20%。另一个缺点是直流偏置不能施加到天线馈线，这限制了某些应用。
一级保护
浪涌保护器的目的是防止浪涌电压直接从LPZ0区域传导到LPZ1区域，将数万至数十万伏的浪涌电压限制在2500-3000V。
安装在电力变压器低压侧的电涌保护器是三相电压开关式电源避雷器。雷电通量不应低于60KA。此类电源避雷器应是连接用户供电系统入口相位与大地之间的大容量电源避雷器。一般要求该类电源浪涌保护器每相最大冲击能力在100KA以上，所需极限电压小于1500V，称为I类电源浪涌保护器和浪涌保护器。这些电磁避雷器旨在承受雷击和感应雷击的高电流，并吸引高能量浪涌，将大量浪涌电流分流到地面。它们仅提供限制电压（浪涌电流流过电源避雷器时线路上出现的最大电压称为限制电压）。CLASS I 类保护器主要用于吸收大浪涌电流，只有它们不能完全保护电源系统内部的敏感电气设备。
一级电源浪涌保护器可抵御10/350μs和100KA雷电波，并符合IEC规定的最高保护标准。技术参考如下：雷电通量大于等于100KA（10/350μs）;残余电压不大于2.5KV;响应时间小于或等于100ns。
二级保护
浪涌保护器的目的是进一步将通过第一级避雷器的剩余浪涌电压限制在 1500-2000V，并等电位连接 LPZ1-LPZ2。
配电柜线路输出的电源避雷器应以限压电源防雷装置为二级保护。雷电流容量不得低于20KA。它应安装在重要或敏感电气设备的电源中。道路配送站。这些电涌放电器通过客户电源入口处的电涌放电器更好地吸收剩余浪涌能量，并具有出色的瞬态过电压抑制能力。该区域使用的电涌避雷器要求每相最大冲击能力为45kA以上，所需极限电压应小于1200V，称为CLASS II电源避雷器。一般用户供电系统可以实现秒级保护，满足用电设备运行的要求。
二级电源浪涌保护器采用C类保护器进行相间、相地和中地全模式保护。主要技术参数有：雷电流容量大于等于40KA （8/20μs）;残余电压峰值不大于1000V;响应时间不超过25ns。
三级保护
浪涌保护器的目的是通过将剩余浪涌电压降低到1000V以下来最终保护设备，从而使浪涌能量不会损坏设备。
电子信息设备交流电源进线端安装的电源防雷装置作为三级保护时，应为串联式限压电源防雷装置，其雷电流容量不得低于10KA。
浪涌保护器的最后一道保护线可以与消费者内部电源中的内置电源浪涌保护器一起使用，以完全消除小的瞬态过电压。这里使用的电涌放电器要求每相的最大冲击能力为20KA或更低，所需的限制电压应小于1000V。对于一些特别重要或特别敏感的电子设备，有必要进行第三级保护，并保护电气设备免受系统内产生的瞬态过电压的影响。
对于微波通信设备、移动站通信设备和雷达设备中使用的整流电源，需要根据其工作电压的保护情况，选择工作电压适配的直流电源防雷装置作为最后一级保护。
4级及以上
电涌保护器根据被保护设备的耐压等级，如果两级防雷可以达到设备耐压等级以下的极限电压，则只需要做两级保护，如果设备耐压等级低，则可能需要四级或更多级保护。其雷电流容量的四级保护不应低于5KA。
2、SPD接地线直径选择
数据线：要求大于2.5mm2;当长度超过0.5m时，要求大于4mm2。
电力线：当相线截面积为S≤16mm2时，接地线采用S;当相线截面积为16mm 2≤S≤35mm 2时，地线采用16mm2;当相线截面积为S≥35mm 2时，要求接地线S/2。
主要参数
标称电压Un：被保护系统的额定电压一致。在信息技术系统中，此参数表示应选择的保护器类型，表示交流或直流电压的有效值。
额定电压Uc：可长时间施加在保护器指定端，而不会引起保护器特性的变化，激活保护元件的最大电压有效值。
额定放电电流Isn：将波形为8/20μs的标准雷波施加到保护器上10次时，保护器承受的最大浪涌电流峰值。
最大放电电流Imax：当对保护器施加波形为8/20 μs的标准雷波时，保护器承受的最大浪涌电流峰值。
电压保护等级Up：保护器在以下测试中的最大值：斜率为1KV/μs的闪络电压;额定放电电流的残余电压。
响应时间tA：特殊保护元件的动作灵敏度和击穿时间主要体现在保护器上，一定时间内的变化取决于du/dt或di/dt的斜率。
数据传输速率Vs：表示一秒传输多少位值，单位为：bps;它是在数据传输系统中正确选择的防雷装置的参考值，防雷装置的数据传输速率取决于系统的传输方式。
插入损耗Ae：在给定频率下插入保护器前后的电压之比。
回波损耗Ar：表示保护器件（反射点）反射的前缘波的比值，是直接衡量保护器件是否与系统阻抗兼容的参数。
最大纵向放电电流：指将波形为8/20μs的标准雷电波施加到每个接地时，保护器承受的最大浪涌电流的峰值。
最大横向放电电流：在线路和线路之间施加波形为8/20μs的标准雷波时，保护器承受的最大浪涌电流峰值。
在线阻抗：指在标称电压Un经保护器的回路阻抗和感抗之和。通常称为“系统阻抗”。
峰值放电电流：有两种类型：额定放电电流Isn和最大放电电流Imax。
漏电流：指在标称电压Un为75或80时流过保护器的直流电流。
按工作原理分类
开关类型：浪涌保护器的工作原理是在没有瞬时过电压时高阻抗，但是一旦响应雷电瞬态过电压，其阻抗就会突然变为低值，允许雷电流通过。当用作此类装置时，该装置具有：放电间隙、气体放电管、晶闸管等。
限压型：浪涌保护器的工作原理是无瞬态过电压时高阻抗，但其阻抗会随着浪涌电流和电压的增加而不断降低，其电流和电压特性具有很强的非线性。用作此类器件的器件有：氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等。
分裂或湍流：
分流类型：与受保护器件并联，对雷电脉冲具有低阻抗，对正常工作频率具有高阻抗。
湍流型：与受保护器件串联时，对雷电脉冲具有高阻抗，对正常工作频率具有低阻抗。
用作此类器件的器件有：扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、四分之一波短路等。
电涌保护器SPD的使用
（1）电源保护器：交流电源保护器、直流电源保护器、开关电源保护器等。
交流电源防雷模块适用于配电室、配电柜、开关柜、交直流配电盘等的电源保护。
楼内有室外投入配电箱和建筑层配电箱;
用于低压（220/380VAC）工业电网和民用电网;
在电力系统中，主要用于自动化机房或变电站主控室供电屏中三相电源的输入或输出。
适用于各种直流电源系统，例如：
直流配电盘;
直流电源设备;
直流配电箱;
电子信息系统柜;
辅助电源的输出。
（2）信号保护器：低频信号保护器、高频信号保护器、天线馈线保护器等。
网络信号防雷装置：
由雷击和雷电电磁脉冲引起的感应过压保护，适用于网络设备，如10/100Mbps交换机，集线器，路由器; ·网房网络交换机保护; ·网络机房服务器保护; ·网房其他网络接口设备保护;
24端口集成防雷箱主要用于集成网络机柜和子交换机柜中多个信号通道的集中保护。
视频信号防雷装置：
浪涌保护器主要用于视频信号设备的点对点保护。它可以保护各种视频传输设备免受来自信号传输线的感应雷击和浪涌电压。它也适用于相同工作电压下的射频传输。集成式多端口视频防雷箱主要用于集成控制柜内硬盘录像机、录像机等控制设备的集中保护。
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