試論浪涌保護器的配置與選用

摘要：我們生活和工作的所在，都有浪涌的情況出現。浪涌也叫突波，就是超出正常值的大電流、高電壓波動。浪涌在電路中持續時間通常只有很短，以微妙計，但導致的故障可能會使你長時間的工作成果毀于一旦，造成嚴重損失。良好的保護可以避免這些情況發生。本文主要簡析浪涌保護器在用電系統中的應用。

關鍵詞：浪涌 浪涌保護器 過壓保護 雷電 泄放 響應

1 什么是浪涌

浪涌也叫突波，就是超出正常值的大電流、高電壓波動。浪涌在電路中持續時間通常只有很短，但導致的故障可能會使你長時間的工作成果毀于一旦，造成嚴重損失。即使是很小的電涌或峰值電壓也可以最終摧毀或影響昂貴的電子設備的性能，如電腦、電話、傳真、電視、音頻/視頻設備和其它家用電器和工具。電腦芯片的普遍使用越發需要電涌保護，因為這些芯片往往對電壓波動都十分敏感。因此安裝電源電涌保護器十分必要。浪涌的主要來源：雷電、大電流設備開關動作產生的過電壓、靜電放電、線路故障、以及建筑物內的電氣設備如空調、水泵、電梯等感性負荷的投切引起的。

尤其是雷電造成的傷害是巨大的，后果是嚴重的。雷電由高能的低頻成份與極具滲透性的高頻成份組成。其主要通過兩種形式，一種是通過金屬管線或地線直接傳導雷電致損設備；一種是閃電通道及泄流通道的雷電電磁脈沖以各種耦合方式感應到金屬管線或地線產生浪涌致損設備。對于電子信息設備而言，危害主要來自于由雷電引起的雷電電磁脈沖的耦合能量，通過以下三個通道所產生的瞬態浪涌。金屬管線通道，如自來水管、電源線、天饋線、信號線、航空障礙燈引線等產生的浪涌；地線通道，地電們反擊；空間通道，電磁小組的輻射能量。電氣設備與環境間的接口可能被兩個因素所影響：A互感（無線設備之間的相互干擾），B輸入(有線設備之間的相互干擾)。干擾信號和浪涌對電路的不利影響是不能忽視的問題。在過去繼電器的短時間過載輸入可能是沒有危險的，但是現在是使用半導體電路的時代里，即使是低能量脈沖也能造成損壞（如集成塊就容易被損壞）。[3]

2 浪涌保護器簡介

對那些容易受雷損的設備，采取浪涌保護是必不可少的。浪涌保護器（簡稱SPD）正是針對浪涌的專用保護器。

浪涌保護器原理：在正常情況下SPD與接地系統為斷路，當有雷電流（電涌）產生時，浪涌保護器與接地系統連接的線路接通，從而使雷電流通過接地系統泄放到大地。當今己有不少著名公司生產的浪涌保護器、通信產品及系統的種類越來越多，并得到廣泛使用。其主要產品包括：結構化浪涌保護器系統，浪涌保護器附件，浪涌保護器導管，終端，電源接插件，安裝工具，標識產品和熱收縮產品。根據浪涌的特點：大電流、高電壓、持續時間短，因此要求好的浪涌保護器必須具有的特性：

2.1 響應快、放電（泄放）電流大

浪涌保護器應及時對浪涌作出反應，迅速泄放浪涌電流及時限制瞬態過電壓，將過電壓降到IEC60664-1規定的各類別位置設備耐沖擊過電壓額定值以下。

2.2 殘壓低、恢復時間快。

經過浪涌后，恢復正常狀態的浪涌保護器，應恢復其高阻抗特性，防止或抑制電力線上的續流。

3 浪涌保護器的選配

3.1 浪涌保護器的等級簡述

根據國標以及YD/T5098-2001標準要求，浪涌保護必須是多級的，遵循“多級保護、分級泄放、降低殘壓”的原則。

供電線路過電壓防護分為三級。

第一級浪涌保護：當供電線路通過LPZ0A區（直擊雷非防護區）進入建筑物時，浪涌保護器需選用通過I級直擊雷（即10／350μS模擬波形）測試實驗的浪涌保護器。用于保護直擊雷擊（電源進入處、主分配電盤等）。[1]

第二級浪涌保護：當供電線路通過LPZ0B區（直擊雷防護區）進入建筑物時，可選用通過I級感應雷（即8／20μS模擬波形）試實驗的浪涌保護器。被保護設備處在第一防護區（LPZ1區，此區域為非直擊雷區，流經各類導體的雷電流比在LPZOB減少）。浪涌保護器需選用限壓型的。此類保護器在沒有瞬時過電壓時為高阻抗，但隨電涌電流和電壓的增加其阻抗會不斷減小，具有較大的同流量，最大達到40KA。用于保護間接雷擊，系統內的過電壓（分配電盤等）。[2]

第三級防雷保護，此類保護器用復合波1.2/50μS開路沖擊電壓Uoc和8／20μS短路沖擊電流Isc做的實驗，用于保護極其敏感的用電設備。

（各級保護見下面示意圖）

3.2 浪涌保護器的設置

選配合適的浪涌保護器，可以保護電氣儀表設備和用電設備不受浪涌的損害。反而，若選配不正確，即增加了工程投資，又不一定能防止浪涌的損害。有時，多了一個可有可無的設備，也多了一個不可靠的因素。

氣儀表設備特別是信息系統等敏感電氣設備容易受到浪涌危害，如計算機系統，會造成數據亂碼、燒壞芯片、部件提前老化等。具體表現為意外數據錯誤，接受或輸送數據失敗，文檔丟失，原因不明的故障以及硬件問題。

根據需要認真考慮，正確設置浪涌保護器。

計算機、變頻器、PLC、攝像機、工程交換機，這些設備價值不菲，在城市供水、道路橋梁、電話通信系統、工程檢測等領域有著極為重要作用，占有不可或缺的地位。一旦出現故障，后果極為嚴重，必須采取相應保護措施。

而對有些設備對浪涌不敏感，價格不高，在系統的地位不很重要，例如一臺普通型不帶PLC，閥門就地控制箱，價格大約也就1千元，盡管此箱安裝在室外，但控制箱內的元器件以及受其控制的普通閥門，對浪涌并不敏感，非要把一套三四千元的SPD設置在箱里邊，就沒有必要了。

3.3 浪涌保護器的選用：

3.3.1 根據被保護設備所處位置（地理位置及在整個系統中所處位置），確保在浪涌發生時，有足夠的電流泄放能力，選用合適的SPD。

國標規定：在LPZ0A區或LPZ0B區與LPZ1區交界處，在從室外引來的線路上安裝SPD，選用符合I級分類試驗的產品。若保護效果還不足保護距離較遠的被保護設備的情況下，尚需在被保護設備處裝配屬Ⅲ級分類試驗產品的SPD。當這兩級SPD中間設有配電柜時，若第一級SPD保護不了配電柜里的設備，應在配電柜中再裝一級SPD。[1]

有人以為在總配電柜（通常是總電房的低壓配電柜）就選Ⅰ級SPD，在分配電柜（車間工場主配電箱）選Ⅱ級SPD，在設備處（就地控制箱）就選用Ⅲ級SPD。事實上，只有這三者在同一建筑物內，這種選型原則才成立。

有些情況，有很多電氣設備直接安裝在室外，則例外。比如筆者曾參與設計施工的廣州某大型自來水廠的電氣控制工程，在取水泵站就有一臺投加泵控制箱，里邊裝有PLC、變頻器等敏感性強的設備，又戶外安裝，如被浪涌損壞，損失嚴重，應在箱里設置SPD。這時如果簡單套用，就會錯誤選用Ⅲ級SPD。正確的分析：PLC、變頻器位于LPZ1區，電源電纜由LPZ0A區進入LPZ1區，按照GB50057-1994有關規定，應該選用通過Ⅰ級分類實驗的SPD。有些辦公樓里邊設中控室、配電間，有儀表配電箱、配電柜、大量的計算機，按配電級分可能選用Ⅱ級SPD，但連接它們的電源電纜由LPZ0A區進入LPZ1區，正確的選用應該是Ⅰ級SPD。

3.3.2 根據被保護設對浪涌的承受能力，選用合適的SPD。

一方面，SPD的響應速度與設備性能相匹配；另一方面，最大的浪涌電壓，即SPD的最大殘壓（UP）加上兩端引線的感應電壓（△U），應與所屬系統的基本絕緣水平和設備允許的沖擊電壓相一致。即UP +△U≤被保護設備的耐沖擊過電壓Uw（Uw按下表選取）。[1]

由于能夠承受較大電涌沖擊的SPD通常響應速度較慢，很可能SPD還未動作，被保護設備已經損壞，而SPD完好無缺。還有一種情況，SPD先啟動了，但殘壓和感應電壓疊加大于設備的耐沖擊過電壓，設備仍然可能被損壞。一些耐壓水平很低的設備處在直擊雷非防護區（LPZ0A區）內使用時，單采用通過Ⅰ級分類實驗的產品或單采用通過Ⅲ級分類實驗的產品，其保護效果可能都達不到最佳。解決這個問題，就是在必要時采用“多級保護”逐級分流、分級保護，使被保護設受到的浪涌沖擊達到最小。[3]

多級配合時應考慮SPD的能量配合、有續流時應在線路中串接退耦裝置。

3.3.2 特殊場合可以不裝SPD的情況：

防雷規范第6.4.8條有規定“當被保護設備沿線路距電源進戶處要求安裝的SPD不大于10m時，若該SPD的電壓保護水平加上其兩端引線的感應電壓小于被保護設備耐壓水平的80％，一般情況下在被保護設備處可不裝SPD”。

對限壓型SPD：（Up＋△U）≤0.8Uw時，可不裝。[1]

對電壓開關型SPD：Up或△U之一的大者≤0.8Uw時，可不裝。（由于在SPD擊穿導通之前無電流，△U＝0；而擊穿導通之后，其殘壓很小，僅數十伏）。

4 結束語

雷擊、浪涌的損害后果是嚴重的，但只要正確配置選用浪涌保護器，能最大可能的保護供配電設備，尤其是脆弱的電子信息系統的設備、器件。

參考文獻：

[1]GB 50057-1994.《建筑物防雷設計規范》（2000年版）.

[2]GB 18802.1-2002低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第1部分：性能要求和試驗方法.

[3]劉興順.建筑物電子信息系統防雷技術設計手冊.第一版.北京：中國建筑工業出版社，2004.