电涌保护器（SPD）工作原理和结构
电涌保护器（Surge protection Device）是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，过去常称为“避雷器”或“过电压保护器”英文简写为SPD.电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。
电涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同，但它至少应包含一个非线性电压限制元件。用于电涌保护器的基本元器件有：放电间隙、充气放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流线圈等。
一、SPD的分类
1、按工作原理分：
1.开关型：其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗，但一旦响应雷电瞬时过电压时，其阻抗就突变为低值，允许雷电流通过。用作此类装置时器件有：放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。
2.限压型：其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰，但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有：氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等。
3.分流型或扼流型
分流型：与被保护的设备并联，对雷电脉冲呈现为低阻抗，而对正常工作频率呈现为高阻抗。
扼流型：与被保护的设备串联，对雷电脉冲呈现为高阻抗，而对正常的工作频率呈现为低阻抗。
用作此类装置的器件有：扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。
按用途分：（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。
（2）信号保护器：低频信号保护器、高频信号保护器、天馈保护器等。
二、SPD的基本元器件及其工作原理
1.放电间隙（又称保护间隙）：
它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需保护设备的电源相线L1或零线（N）相连，另一根金属棒与接地线（PE）相连接，当瞬时过电压袭来时，间隙被击穿，把一部分过电压的电荷引入大地，避免了被保护设备上的电压升高。这种放电间隙的两金属棒之间的距离可按需要调整，结构较简单，其缺点时灭弧性能差。改进型的放电间隙为角型间隙，它的灭弧功能较前者为好，它是靠回路的电动力F作用以及热气流的上升作用而使电弧熄灭的。
2.气体放电管：
它是由相互离开的一对冷阴板封装在充有一定的惰性气体（Ar）的玻璃管或陶瓷管内组成的。为了提高放电管的触发概率，在放电管内还有助触发剂。这种充气放电管有二极型的，也有三极型的，
气体放电管的技术参数主要有：直流放电电压Udc；冲击放电电压Up（一般情况下Up≈（2～3）Udc；工频而授电流In；冲击而授电流Ip；绝缘电阻R（>109Ω）；极间电容（1-5PF）
气体放电管可在直流和交流条件下使用，其所选用的直流放电电压Udc分别如下：在直流条件下使用：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 dc≥1.44Un（Un为线路正常工作的交流电压有效值）
3.压敏电阻：
它是以ZnO为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压达到一定数值后，电阻对电压十分敏感。它的工作原理相当于多个半导体P-N的串并联。压敏电阻的特点是非线性特性好（I=CUα中的非线性系数α），通流容量大（～2KA/cm2），常态泄漏电流小（10-7～10-6A），残压低（取决于压敏电阻的工作电压和通流容量），对瞬时过电压响应时间快（～10-8s），无续流。
压敏电阻的技术参数主要有：压敏电压（即开关电压）UN，参考电压Ulma；残压Ures；残压比K（K=Ures/UN）；最大通流容量Imax；泄漏电流；响应时间。
压敏电阻的使用条件有：压敏电压：UN≥[（√2×1.2）/0.7]U0（U0为工频电源额定电压）
最小参考电压：Ulma≥（1.8～2）Uac （直流条件下使用）
Ulma≥（2.2～2.5）Uac（在交流条件下使用，Uac为交流工作电压）
压敏电阻的最大参考电压应由被保护电子设备的耐受电压来确定，应使压敏电阻的残压低于被保护电子设备的而损电压水平，即（Ulma）max≤Ub/K，上式中K为残压比，Ub为被保护设备的而损电压。
4.抑制二极管：
抑制二极管具有箝位限压功能，它是工作在反向击穿区，由于它具有箝位电压低和动作响应快的优点，特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件。抑制二极管在击穿区内的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α为非线性系数，对于齐纳二极管α=7～9，在雪崩二极管α=5～7.
抑制二极管的技术参数主要有
（1）额定击穿电压，它是指在指定反向击穿电流（常为lma）下的击穿电压，这于齐纳二极管额定击穿电压一般在2.9V～4.7V范围内，而雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6V～200V范围内。
（2）最大箝位电压：它是指管子在通过规定波形的大电流时，其两端出现的最高电压。
（3）脉冲功率：它是指在规定的电流波形（如10/1000μs）下，管子两端的最大箝位电压与管子中电流等值之积。
（4）反向变位电压：它是指管子在反向泄漏区，其两端所能施加的最大电压，在此电压下管子不应击穿。此反向变位电压应明显高于被保护电子系统的最高运行电压峰值，也即不能在系统正常运行时处于弱导通状态。
（5）最大泄漏电流：它是指在反向变位电压作用下，管子中流过的最大反向电流。
（6）响应时间：10-11s
5.扼流线圈：扼流线圈是一个以铁氧体为磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同，匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环形磁芯上，形成一个四端器件，要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作用。扼流线圈使用在平衡线路中能有效地抑制共模干扰信号（如雷电干扰），而对线路正常传输的差模信号无影响。
这种扼流线圈在制作时应满足以下要求：
1）绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘，以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生击穿短路。
2）当线圈流过瞬时大电流时，磁芯不要出现饱和。
3）线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿。
4）线圈应尽可能绕制单层，这样做可减小线圈的寄生电容，增强线圈对瞬时过电压的而授能力。
6. 1/4波长短路器
1/4波长短路器是根据雷电波的频谱分析和天馈线的驻波理论所制作的微波信号电涌保护器，这种保护器中的金属短路棒长度是根据工作信号频率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波长的大小来确定的。此并联的短路棒长度对于该工作信号频率来说，其阻抗无穷大，相当于开路，不影响该信号的传输，但对于雷电波来说，由于雷电能量主要分布在n+KHZ以下，此短路棒对于雷电波阻抗很小，相当于短路，雷电能量级被泄放入地。
由于1/4波长短路棒的直径一般为几毫米，因此耐冲击电流性能好，可达到30KA（8/20μs）以上，而且残压很小，此残压主要是由短路棒的自身电感所引起的，其不足之处是工频带较窄，带宽约为2％～20％左右，另一个缺点是不能对天馈设施加直流偏置，使某些应用受到限制。
三、SPD的基本电路
电涌保护器的电路根据不同需要，有不同的形式，其基本元器件就是上面介绍的几种，一个技术精通的防雷产品研究工作者，可设计出五花八门的电路，好似一盒积木可搭出不同的结构图案。研制出既有效又性能价格比好的产品，是防雷工作者的重任。
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低压配电系统中电涌保护器的选择及安装
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深圳市艾尔特通讯技术有限公司西班牙PDC系列提前放电避雷针
北京建筑设计研究院方 磊
近年来，随着现代化水平的不断提高，民用建筑物内安装的电子信息设备和计算机设备越来越多，电子信息设备一般工作电压较低，耐压水平也很低，极易受到雷电电磁脉冲的危害，因此设有信息系统设备的民用建筑物，除应考虑防直击雷措施外，还应考虑雷电电磁脉冲的防护措施。建立完善的雷电浪涌过电压保护措施是电气工程设计的重要组成部分，为此本文提出了在实际工程中，如何根据被保护建筑物的特点选择电涌保护器，如何根据低压电源系统的不同形式安装电涌保护器及有关的注意事项。可供工程设计人员实际应用中参考。
1、电涌保护器（英文缩写为SPD，以下简称SPD）的分类
（1）开关型SPD，又称雷电流避雷器，这种SPD在没有电涌时为高阻抗，但一旦响应电压电涌时其阻抗就突变为低值，用作这种非线性装置的常见例子有放电间隙，气体放电管，闸流晶体管（可控硅）及三端双向可控硅开关。这类SPD有时称为克罗巴型SPD。
（2）限压型SPD，这种SPD在没有电涌时为高阻抗，但随着电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小，用作这类非线性组件的例子是压敏电阻和抑制二极管，这类SPD有时称为箝压型SPD。
（3）联合型SPD，这种SPD由电压开关型部件和限压型部件联合组装在一起，根据二者的联合参数和应用电压特性可组合装成具有电压开关、限压或这两种特性兼有的联合型SPD。
2、SPD的主要性能、指标
（1）最大持续运行电压Uc： 可以持续施加于电涌保护器的最大交流有效值电压或最大直流电压，等于电涌保护器的额定电压。
（2）冲击电流Iimp： 用于电源的第一级保护SPD，反映了SPD的耐直击雷能力（采用10/350μs波形）。包括幅值电流Ipeak和电荷Q，其值可根据建筑物防雷等级和进入建筑物的各种设施（导电物、电力线、通讯线等）进行分流计算。
（3）标称放电电流In： 流过SPD的8/20μs电流波的峰值电流，用于对SPD做Ⅱ级分类实验或做Ⅰ级分类实验的预处理。对于Ⅰ级分类实验In不小于15 KA，对于Ⅱ级分类实验In不小于5KA。
（4）保护电压水平Up:: 在标称放电电流（In）下的残压，又称SPD的最大钳压，对于电源保护器而言，可分为一、二、三、四级保护，保护级别决定其安装位置，在信息系统中保护级别需与被保护系统和设备的耐压能力相匹配。
3、电涌保护器SPD的主要性能、指标的确定
3.1 最大持续运行电压Uc的选择：
选择220/380V三相系统中的电涌保护器时，其最大持续运行电压Uc应符合表1规定：
3.2 SPD的电压保护水平Up的选择：
最大电涌电压，即SPD的最大箝压（Up）加上其两端的引线的感应电压（UL）应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压相一致，即： Up＋UL ≤设备耐冲击过电压水平。无论对远处雷击,直接雷击或操作过电压,均不应大于表2中的Ⅱ类,即对于220/380V电气装置Up值不应大于2.5kV。采用接线形式2（注：见本文第4部分）时,接于相线与PE线之间的SPD的总保护水平也应符合上述要求。
3.3 SPD的雷击冲击电流Imp及标称放电电流I n的确定：
（1）在已具备防雷装置的情况下使用SPD防止直接雷击或在建筑物临近处被雷击引起的瞬态过电压时，应根据雷电防护区分区的原则选用I级试验、Ⅱ级试验、Ⅲ级试验的SPD。
确定SPD的雷击冲击电流Imp一般应进行分流计算（计算方法参见防雷规范条文说明第6.4.7条）。当电流值计算无法确定时，其雷击冲击电流不应小于表3中所列指标。
（2）在建筑物电气装置中使用SPD限制从电源系统传来的大气瞬态过电压（由间接的，远处的雷击引起的）和操作过电压时，可选用Ⅱ级分类试验的SPD及必要时加装Ⅲ级分类试验的SPD。符合Ⅱ级、Ⅲ级分类试验的SPD的标称放电电流I n不应小于表3中所列指标。
4、SPD在低压电源系统中的安装及接线
4.1 装置的电源进线端或其附近装设
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SPD时，应在下面所列的各点之间装设：
（1）当在电源进线端，中性线与PE（保护线）直接相连或没有中性线时，接在每一线与总接地端子或总保护线之间，取其路径最短者。接线参见图1。
（2）当在电源进线端，中性线与PE（保护线）不直接相连时：
接线形式1：接在每一相线与总接地端子或总保护线之间，和接在中性线与总接地端子或总保护线之间，取其路径最短者。接线参见图2。
接线形式2：接在每一相线与中性线之间和接在中性线与总接地端子或总保护线之间，取其路径最短者。接线参见图3。
在低压配电系统的电源进线端或其附近装设SPD的安装要求见表4。
5、低压电源系统中SPD的选择及安装位置
5.1 信息系统雷击电磁脉冲的防护应按其所处的建筑物条件、信息设备的重要程度、发生雷击事故严重程度等进行雷击风险评估，将信息系统雷击电磁脉冲的防护分为A、B、C、D四级，分别采用相应防护措施：
A级：宜在低压系统中采取3—4级SPD进行保护。
B级：宜在低压系统中采取2—3级SPD进行保护。
C级：宜在低压系统中采取2级SPD进行保护。
D级：宜在低压系统中采取1级或以上SPD进行保护。
(说明) 风险评估计算方法参见IEC61662：雷击损害风险的评估。
5.2 SPD在电源系统中的安装位置如下：
（1）在LPZ0A区和 LPZ0B区与LPZ1区交界面处连续穿越的电源线路上应安装符合I级分类试验的SPD，如总电源进线配电柜内、配电变压器的低压侧主配电柜内、引出至本建筑物防直击雷装置保护范围以外的电源线路的配电箱内。
（2）在LPZ0B区与LPZ1区交界面处穿越的电源线路上应安装符合Ⅱ级分类试验的SPD，如引出至本建筑物防直击雷装置的保护范围之内的屋顶风机、屋顶广告照明的电源配电箱内。
（3）当电源进线处安装的电涌保护器的电压保护水平加上其两端引线的感应电压保护不了该配电箱供电的设备时，应在该级配电箱安装符合Ⅱ级分类试验的SPD，其位置一般设在LPZ1区和LPZ2区交界面处。如：楼层配电箱、计算机中心、电信机房、电梯控制室 、有线电视机房、楼宇自控室、保安监控中心、消防中心、工业自控室、变频设备控制室、医院手术室、监护室及装有电子医疗设备的场所的配电箱内。
（4）对于需要将瞬态过电压限制到特定水平的设备（尤其是信息系统设备），应考虑在该设备前安装符合Ⅲ级分类试验的SPD，其位置一般设在LPZ2区和其后续防雷区交界面处。如：计算机设备、信息设备、电子设备及控制设备前或最近的插座箱内。
5.3 SPD在住宅中的安装：
（1）高层住宅应在照明、动力总配电箱内安装符合I级分类试验的SPD，并宜在屋顶风机、电梯等设备的电源配电箱内安装符合Ⅱ级分类试验的SPD。高层住宅在工程档次较高及造价允许的情况下宜在住户配电箱内安装符合Ⅲ级分类试验的SPD。
（2）多层住宅在符合本文第五部分2条1款时，宜在照明总配电箱内安装符合I级分类试验的SPD。符合本文第五部分2条2款时，宜在照明总配电箱内安装符合Ⅱ级分类试验的SPD。分散型小别墅宜将SPD安装在住户配电箱内。
6、电涌保护器安装的注意事项：
SPD的安装应注意如下问题：
（1）第一级保护的SPD应靠近建筑物的入户线的总等电位连接端子处，第二、三级保护的SPD应尽量靠近被保护设备安装。
（2）电涌保护器接至等电位连接的导线要尽可能短而直。
（3）为满足信息系统设备耐受能量要求，SPD的安装可进行多级配合，在进行多级配合时应考虑SPD之间的能量配合，当有续流时应在线路中串接退耦装置。有条件时，宜采用同一厂家的同类产品，并要求厂家提供其各级产品之间的安装距离要求。在无法获得准确数据时，电压开关型与限压型SPD之间的线路长度小于10米时和限压型SPD之间线路长度小于5米时宜串接退耦装置。
（4）在同一电源系统中，当安装在电源装置的起点处的SPD的保护电压水平Up≤末端被保护设备的耐压水平的50％时，可仅安装一级电涌保护器。
（5）必须考虑退化或寿命终止后可能产生的过电流或接地故障对信息系统设备运行的影响，因此在SPD的电源侧应安装过电流保护装置（如熔断器或空气断路器），过电流保护器（设置于内部或外部）与SPD一起承担等于和大于安装处的预期最大短路电流，选择时，应考虑SPD制造厂商规定的其产品应具备的最大过电流保护器。此外,制造厂商所规定的SPD的额定阻断蓄流值不应小于安装处的预期短路电流。在TT系统中还应安装剩余电流保护装置，并宜带有劣化显示功能。
（6）在爆炸危险场所使用的SPD应具有防爆功能。
（7）在考虑各设备之间的过电压保护水平Up时，若线路无屏蔽时尚应计及线路的感应电压，在考虑被保护设备的耐冲击过电压水平时宜按其值的80％考虑。
（8）在供电电压超过所规定的10％及谐波使电压幅值加大的场所，应根据具体情况对氧化锌压敏电阻SPD提高Uc值。
（9）当设有信息系统的建筑物需加装SPD保护时，若该建筑物没有装设防直击雷装置和不处于其他建筑物或物体的保护范围内时，宜按第三类防雷建筑采取防直击雷的措施。在要考虑屏蔽的情况下，防直击雷接闪器宜采用避雷网。
参考文献
B50057—94（2000年版）建筑物防雷设计规范
IEC61024—1：建筑物防雷 第1部分 通则
IEC61312—1：雷击电磁脉冲的防护 第1部分 通则
IEC61312—2：雷击电磁脉冲的防护 第2部分 建筑物的屏蔽、内部等电位连接及接地
IEC61312—3：雷击电磁脉冲的防护 第3部分 浪涌保护器的要求
IEC60364—5—534：建筑物的电气装置 第5部分 电气装置的选择与安装IEC61662： 雷击损害风险的评估
QX3－2000：中华人民共和国气象行业标准 气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范
