开路保护器(电涌保护器（SPD）的工作原理及选型要点)

Posted 2023-05-25

篇首语：枕上从妨一夜睡，灯前读尽十年诗。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了开路保护器(电涌保护器（SPD）的工作原理及选型要点)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

开路保护器(电涌保护器（SPD）的工作原理及选型要点)

SPD是Surge Protective Device的简写；

中文名称有：电涌保护器、浪涌保护器、防雷栅、雷电浪涌防护器、防雷器等。

SPD其内部包含至少一个非线性元件。当电涌出现时，SPD能在极短的时间导通，将电流泄放到地，其响应时间为ns级（10-9S），而电涌的上升速度一般为μs级（10-6S），因此SPD可以把电压限制在安全的水平，起到保护设备的作用。

SPD可以理解为一个“瞬时接地设备”，对于不带电的物体如设备外壳、管道等，一般可以直接接地，而对于带电的线路，通过SPD来“瞬时接地”。

SPD内部常用的非线性元器件有TVS（瞬态抑制二极管）、压敏电阻（MOV）和气体放电管（GDT）。

这几种元件中，TVS响应最快，但放电电流较小，GDT放电能力大，但是响应较慢，MOV的放电能力和响应速度均居中。

SPD种类繁多，从应用的角度，我们可以把SPD分为电源SPD和信号网络SPD。两者最主要的区别在于：

1、电源回路工作电流大，而信号网络回路工作电流较小。

2、电源SPD要求的放电电流较大，而信号网络回路要求的放电电流较小。

实际应用中，电源SPD一般并联安装，采用MOV单级保护。

采用并联安装，是因为电源回路工作电流大，如采用串联安装，则SPD需要承受很大的回路工作电流。

采用MOV，是因为TVS放电能力不足，而GDT存在工频续流问题。采用单级保护（且不同级之间要求间隔一定的距离），是为了满足能量协调要求（后附工频续流和能量协调概念解释）。

信号SPD一般采用串联安装方式，采用GDT和TVS两级保护。SPD可以用串联安装方式。

采用串联安装方式，首先是因为信号回路电流小，另外串联安装可以做到多级保护，并且满足能量协调。

采用GDT（和TVS）而不采用MOV，是因为MOV结电容较高，且放电能力相同的情况下，其尺寸比GDT大很多。另外，信号回路由于电流（电压）较小，使用GDT时也一般不需要担心工频续流问题。

补充知识1：什么是工频续流？

GDT（气体放电管），属于开关型元件，其开关状态取决于其内部空气是否被击穿。使用开关型元件的SPD称作开关型SPD。开关型，顾名思义，就是工作在“开”和“关”两种状态。

当电力线上的电压低于其开启电压时，其工作在“开”（高阻）的状态，当电力线电压高于其开启电压时（如电涌产生），其工作在“关”（导通）的状态，可以泄放很大的电流。

开关型元件的导通状态通常是气体弧光放电的过程，因为维持弧光放电的电压只需要几十伏（通常低于电力线的额定工作电压），所以在电涌消失后，施加在SPD上的电力线电压使得弧光放电得以维持，这就是工频续流。

工频续流会使得在电涌消失后，SPD无法返回到开路（高阻）状态，造成SPD发热甚至炸裂，引发火灾事故。所以开关型SPD一般只用于电源系统N-PE之间（或低压低流的信号系统中），如果要应用在电力线上，其必须具备续流遮断能力。

补充知识2：什么是能量协调？

所谓能量协调，就是多级SPD或保护元件，其放电能力大小不一，在一起使用时，必须使雷电流合理分配，以保证放电能力较小的SPD或元件不会损坏。

如下图，SPD1放电能力大，残压高，SPD2放电能力小，残压低。为了达到较好的保护效果（放电能力大，而且残压低），同时使用SPD1和SPD2。但实际情况下，雷电流并不一定按你预想的那样，大部分经SPD1泄放，少部分经SPD2泄放。如果做不到能量协调，SPD2会因为分担过大的雷电流而损坏。

同样，对于信号SPD，也存在能量协调问题。如果能量不能协调，TVS就容易损坏。

电源SPD在安装时要求两级之间间隔5-10m的距离，就是为了实现能量的协调；信号SPD一般会在GDT和TVS之间加上一个耦合电阻，其目的也是为了实现能量协调。因为电阻会消耗功率，所以只适合在电流较小的信号回路加。

了解了SPD的基本工作原理，接下来我们了解一下SPD的主要技术参数、SPD选择。

电源SPD的主要技术参数和选择：

1. 最大持续工作电压Uc

2. 放电能力

① 标称放电电流In（8/20us）：SPD能承受该波形冲击10次以上。

② 最大放电电流Imax（8/20us）：SPD能承受该波形冲击至少1次。

③ 冲击放电电流Iimp（10/350us）：SPD能承受该波形冲击至少1次。

3. 电压保护水平Up

4. SPD的组合模式

SPD是一个“瞬时等电位连接”设备，在系统正常工作的情况下，其呈现“开”（高阻）的状态，因此SPD的Uc值必须高于系统可能出现的最大持续工作电压，否则SPD安装后，还没等浪涌产生，SPD就已经损坏，甚至可能引起火灾事故。

对于Uc的选择，标准中GB 50343建议如下：

上表参考了IEC61643-12标准。

在这里需要注意相电压和线电压的区别。比如220/380VAC电压系统中，相电压是220VAC，线电压（两相之间）是380VAC。电源SPD一般是安装在相与零或相与地之间，所以Uc值应该和相电压220VAC比较。

在实际的应用中，Uc值一般都会多留一些余量。不同国家，电网质量情况不同。欧洲发达国家，电网较稳定，Uc的余量会小一点。我国电网质量一般，Uc余量要大一点。而在一些东南亚国家，电网质量可能较恶劣，Uc值需要更高一些。

SPD的放电能力是SPD的核心性能指标，理论上越大越好。其选择可以参考GB 50343标准。

这个表格，是根据被保护系统的重要性（ABCD等级）和SPD的安装位置（防雷分区），来选择SPD合适的放电电流。系统的重要性等级越高，SPD安装位置越“靠外”，选择的SPD放电电流应越大。

需要理解的几个概念：

1、雷电防护等级

根据防雷装置的拦截效率E来确定，A级为98%，B级为90%，C级为80%，D级为80%以下，越重要的建筑，要求的拦截效率越高。由于拦截效率E理论上定量计算比较复杂，标准中还给出了定性的划分参考。在此不做深入介绍，可参考GB 50343第4章，雷电防护等级划分和雷击风险评估。

2、雷电防护分区

LPZ0A（LPZ：lightning protection zone），表示该区域无任何防护，受直接雷击和全部雷电电磁脉冲威胁的区域。

LPZ0B，表示受直击雷保护，但是受到全部雷电电磁脉冲威胁。

LPZ1，表示受直击雷保护，且内部雷电电磁脉冲经屏蔽后已经衰减。

LPZ2~n，表示受直击雷保护，且内部雷电电磁脉冲经再次屏蔽后继续衰减。

电压保护水平Up

Up值是“表征SPD 限制接线端子间电压的性能参数”，是一个“门槛”值，也就是说，在规定的波形下测得的SPD的限制电压，都不会超过这个值。

从单一维度讲，Up越小越好。但实际上，Up值和Uc、测试波形相关。Uc越小，测试波形的峰值电压、电压上升速率或电流越小，Up越小。标准中，建议Up≤0.8Uw，Uw为设备耐压值。一般情况下，这个条件并不难满足，所以在选择SPD时，应重点确认产品的Uc和放电能力。

*实际应用中，有可能Up大的SPD，实际残压反而更小。

假设一个场景，两台基于MOV的电源SPD，Uc相同，第1台SPD，In=20kA，Up=1.5kV；第2台SPD，In=10kA，Up=1.3kV。第1台SPD的Up=1.5kV是在20kA下测得的，而第2台SPD的Up=1.3kV是在10kA下测得的。在实际应用中，面对同样的冲击电流，第1台SPD的残压理论上会低于第2台SPD的残压，尽管第1台SPD的Up高于第2台。

最后是电源SPD的组合模式。电源SPD的组合模式，需要根据电源系统的类型来选择。

不同的电源系统，推荐的SPD组合模式如下：

TN-S：4P（3P+1）

TN-C，IT：3P

TT：3P+1

单相TN：2P

单相TT：1P+1

关于电源系统的类型的区别和为什么选择对应SPD组合模式，

不深入介绍了。

信号SPD的主要技术参数和选择

最大持续工作电压Uc

原理上与电源SPD一样，Uc应大于回路的最大工作电压，且留有一定的余量。不过相比电源SPD，信号SPD的Uc余量可以小一些，因为信号回路电源相对稳定。

额定工作电流IL

由于信号SPD一般采用串联安装方式，IL不得小于工作回路的持续工作电流。如果是采用并联安装方式，则不需要考虑该参数。

放电能力

由于信号、信号相关设备的多样性，实际应用中的需求也不尽相同。在工控行业，一般要求In≥5kA，不少品牌已经可以做到In=10kA。

电压保护水平

原理上与电源SPD近似。实际应该中需要考虑被保护产品的耐压性能。一般来说，如果被保护产品符合基本的EMC要求，Up值一般都满足要求。如果被保护产品耐压水平很低，另做考虑。

其他要求

如产品的接口类型、保护线数、安装方式、带宽（高频信号时需要考虑SPD引起的信号衰减）、防爆要求等等。

信号SPD典型应用示意图：