电涌保护器

电涌保护器(Surge protection Device)是电子设备电涌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。

电涌保护器如何工作?

电涌保护器像电力海绵一样，能够吸收危险的额外电压，防止大多数这样的电压进入您的敏感设备。

具有电话线保护功能的防涌插座可给您的用电设备提供最完备的保护，以防受到有害电涌侵害。电涌和尖峰电压会通过电话和电源线破坏或降低您贵重电子设备的性能水平。完善的电涌保护功能可随时保护诸如计算机、电话机、调制解调器、电视机及其它家庭电子设备和电器用具。防浪涌插座，可以使您的用电设备及电话设备防雷击、稳定工作、延长电器使用寿命。 特点:

保护电话/DSL/宽带线路

保护高达45,000安的最大尖峰电流

提供高达1780焦耳能级的最大保护

过滤电磁/无线电频率干扰(EMI/RFI)

在1纳秒内响应以保护设备

电涌保护器(SPD)的分类

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:

(一)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。

(二)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。

(三)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。

(四))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

(一)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。

(二)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)

(三)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。

(四)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

(五)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。

(六)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。

电涌保护要分级实施，最终达到对配电系统和电子设备完善保护的目的。分级实施电涌防护的第一步是对电涌环境进行分类。

电涌环境的分类是依据电涌的强度和频度。国际上一般将电涌环境分为3类(如图所示):

(1)C类:指户外以及进线的总开关处，这些部位容易出现较强的雷电电涌，具体位置包括:电表与配电盘之间的连线，建筑物之间的架空线，连接到井下的地下电缆;

(2)B类:指与C类环境之间连线较短的位置，以及大型建筑物中的照明系统，这些位置的电涌既可以由雷电产生，也可以由内部电气开关产生，由雷电产生的电涌经过配电线衰减，已经比C类环境中的电涌衰减了一些;

(3)A类:指房间内的电源插座和较长配电线的终端;较长的含义是离开B级规定的位置10米以上的电源插座，或者离开C级规定的位置20米以上的电源插座，这些位置的电涌主要是内部电气开关产生的电涌电压。

按照电气电子工程师协会(IEEE)的推荐，浪涌保护应该分级实施，分级的方法与浪涌环境分类相对应:

第一级:在入户配电柜处，消除户外雷电产生的浪涌，防止巨大的浪涌能量进入户内;

第二级:在配电系统的配电盘处，其作用有两个，一个是进一步消弱第一级残留的浪涌能量，另一个是消除内部电气开关产生的浪涌;

第三级:安装在敏感电子设备的电源入线处，为电子设备提供完善的保护。

分级防护的目的有两个，一个是逐级衰减雷电浪涌，另一个是消除内部负荷接通和断开时产生的浪涌。

第一级防护主要针对雷电在电源线上感应的浪涌电压，将雷电浪涌进行适度的衰减。这级防护要采用承受电流能量强的浪涌保护器。国外一些厂商推荐使用承受电流能力在200kA以上的产品。实际上，根据大量统计，大部分浪涌电流的幅度在10kA左右，之所以保留这样大的富余量，主要是考虑到延长保护器的寿命。浪涌保护器的寿命是有限的，每承受一次浪涌冲击后，导通电压就会降低一些，当降低到电源电压时，浪涌保护器就宣告寿命结束。浪涌保护器每次电压降低的幅度与其额定电流容量有关。额定电流越大，浪涌保护器的寿命越长。欧美的一些厂商承敢于诺保修20年，就是基于这样大的富余量。第一级浪涌保护器的特点是容量大，不需要正弦波跟踪功能。

第二级防护的主要功能是进一步衰减残留的雷电浪涌，并衰减内部电气负荷产生的浪涌电压。这一级防护可以采用承受电流较小的浪涌保护器。根据后面是否有第三级保护，决定是否采用具有正弦波跟踪功能的保护器。如果有第三级防护，就不需要正弦波跟踪功能;如果没有

第三级防护，并且负荷是电子设备，就需要具有正弦波跟踪功能。

第三级防护的主要功能为用电设备提供没有浪涌的电压，要具有正弦波跟踪功能。遇到以下场合时，第三级防护是必要的:

(1)有基于微处理器的电子设备;

(2)贵重的电子设备或者维修周期很长的电子设备:

(3)雷电多发的地区;

(4)大功率电气负荷较多的地区;

(5)工厂、矿山中的自动化控制设备;

(6)自动化办公设备，电脑、复印机等;

(7)关键医疗设备，特别是生命监护设备。

根据IEEE(电气与电子工程师协会)国际标准，电涌峰值电压所造成的危害程度，可按如下三种进行分级:

1、电涌电压的峰值达到20KV数量级以上时:

(1)会对用户的设备立即造成灾害，导致不可恢复的直接经济损失;

(2)整个系统停顿，如信号通讯中止、广播电视停播等间接经济损失;

2、电涌电压处于1.2KV~2.1KV数量级时:

(1)造成设备中的某些部件被损坏或致使其性能提前老化;

(2)电子设备的线路及元件烧毁;

3、电涌电压达到700~800V数量级的电涌过多过频出现时:

(1)传输或存储的讯号或数量错乱或丢失;

(2)服务器或电脑死机;

电路烧毁、数据错失、卡机重启、性能衰退…电涌的危害远不止于此。随着城市化、生活水平的提高，人们生活中接入电涌的电器越来越多、开关越来越频发、用电环境越来越复杂，导致第三级电涌发生的概率迅速上升，即使是很小的电涌或峰值电压也可以最终摧毁或影响昂贵的电子设备的性能，如电脑、电话、传真、电视、音频/视频设备和其它家用电器和工具。电脑芯片的普遍使用越发需要电涌保护，因为这些芯片往往对电压波动都十分敏感。

有很多原因会造成屏幕抖动等显示故障，其中一种情况便是电流、电压瞬变导致电源过滤电容损坏，打开机箱，如果看到电源电涌(电路板上个头最大的那个电容)顶部鼓起，那便说明电容坏了。

屏幕抖动是由电源故障引起的，更换电容之后，即可解决问题。此外，如音箱只要通电就有噪音，及时把音箱和电脑的接头拔下来也没用，原因之一是电流、电压瞬变导致电源过滤电容损坏…

现在智能数码设备越来越多，大多采用锂电池，根据中国锂电池行业研究分析发现，锂电池在充放电过程中的过充电、过放电、电流过大、电流电压瞬变、温度过高等现象会加剧电池间特性的差异，引起锂电池内部化学元素、电压等性能的不平衡。最终导致电池寿命急剧衰退和损坏。

造成电涌(瞬变脉冲)的原因包括闪电、接地不良、感性负载切换、市电故障排除以及静电放电(ESD)，其结果可能会造成数据丢失(或损坏)甚至设备的损毁。而其中以闪电破坏性最强。闪电击中以及触点开关产生的瞬间放电或电弧放电引起的电涌，从现象上看有:

飞弧:在被损的部件上留下明显的电弧痕迹;

电晕:在绝缘体表面上，有明显的电蚀痕迹，被蚀部位绝缘下降;

控制电路的IC等元件损坏;一般电子设备、家用电器的整流元件、稳压元件损坏;

接地故障成设备带电(单相接地):造成设备相间短路(电机相间短路)。

电涌的危害主要分成两种:灾难性的危害和积累性的危害。

灾难性危害:一个电涌电压超过设备的承受能力，则这个设备完全被破坏或寿命大大降低。如下图所示:

电机通常的绝缘电压为正常工作电压的2倍加1000V左右，故220V电机的绝缘电压一般为1500V。电涌不断地冲击电机的绝缘层，导致绝缘层被击穿。

积累性危害:多个小电涌累积效应造成半导体器件性能的衰退、设备发故障和寿命的缩短，最后导致停产或是生产力的下降。

上图是一个实际的例子，这是从美国空军计算机 上取下的芯片，圆圈处的凹陷造成IC芯片的永久损坏导致停机和器件更换，上下部的裂痕造成停机、出错和复位。需要指出的是，该芯片在安装了昂贵的UPS系统中工作。

电涌普遍的存在于配电系统中，也就是说电涌无处不在。

电涌在配电系统主要表现有:

电压波动;

在正常工作情况下，机器设备会自动停止或启动;

用电设备中有空调、压缩机、电梯、泵或电机，电脑控制系统经常出现无理由复位;

电机经常要更换或重绕;

电气设备由于故障、复位或电压问题而缩短使用寿命。

电涌对敏感电子电器设备的影响有以下类型:

破坏

电压击穿半导体器件;

破坏元器件金属化表层;

破坏印刷电路板印刷线路或接触点;

破坏三端双可控硅元件/晶闸管。

干扰

锁死、晶闸管或三端双向可控硅元件失控;

数据文件部分破坏;

数据处理程序出错;

接收、传输数据的错误和失败;

原因不明的故障。

过早老化

零部件提前老化、电器寿命大大缩短;

输出音质、画面质量下降。

1、雷电电涌过电压

以雷击引起的电涌危害最大，在雷击放电时，以雷击为中心1.5~2KM范围内，都可能产生危险的过电压。雷击引起(外部)电涌的特点是单相脉冲型，能量巨大。外部电涌的电压在几微秒内可从几百伏快速升高至20000V，可以传输相当长的距离。按ANSI/IEEEC62.41-1991说明，瞬间电涌可高达20000V，瞬间电流可达10000A。根据统计，系统外的电涌主要来自于雷电和其它系统的冲击，大约占20%。

雷击引起的电涌可分为:

(1)感应雷击电涌过电压:雷击闪电产生的高速变化的电磁场 ，闪电辐射的电场作用于导体，感应很高的过电压，这类过电压具有很陡的前沿并快速衰减。

(2)直接雷击电涌过电压:直接落雷在电网上，由于瞬间能量巨大，破坏力极强，目前还没有一种设备能对直接落雷进行保护。

(3)雷击传导电涌过电压:由远处的架空线传导而来，由于接于电力网的设备对过电压有不同的抑制能力，因此传导过电压能量随线路的延长而减弱。

(4)振荡电涌过电压:动力线等效一个电感，并于大地及临近金属物体间存在分布电容，构成并联谐振回路，在TT、TN供电系统，当出现单相接地故障的瞬间，由于高频率的成分出现谐振，在线路上产生很高过电压，主要损坏二次仪表。

2、操作电涌过电压

在电力系统内部，由于断路器的操作、负荷的投入和切除或系统故障等 系统内部的状态变化，而使系统参数发生变化，从而引起的电力内部电磁能量转换或传输过渡过程，将在系统内部出现过电压。系统内的电涌主要来自于系统内部用电负荷的冲击，大约占80%。在电力系统引起的内部过电压的原因大致可分为:

(1)电力大负荷的投入和切除;

(2)感性负荷的投入和切除;

(3)功率因素补偿电容器的投入和切除

(4)短路故障

内部产生的电涌特点主要是震荡型，在供电系统中的变压器、感性负载和电容器之间震荡且高次谐波成分含量高。IEEE中指出，内部电涌的电压值在几微秒至几纳秒从几百伏升高至6000V。在繁忙的工厂或城市商业用电环境中，每小时的瞬间电涌可达到180000~432000次。

载流和重燃电涌过电压:由接通和分断控制设备时产生，特别是电动机或变压器负载，在起动阶段或故障时分断，出现载流和重燃过电压，常使电动机绕组或变压器击穿损坏(如国内一钢铁企业发电厂，在一个月内因接通和分断过电压造成两台3000KW电动机相间南穿穿短路损坏)。

3、静电放电

干燥的绝缘体(如毛制品)，在干燥的环境通过摩控产生静电，能量较小，主要损坏集成电路。

OVR 包括三种电涌保护器， 并用作供电网络保护 :

Type 1 电涌保护器

为了泄放到地， 主要的能量由电流电涌经供电线路或经外置雷击保护系统进入， 输配电站应装配带Type 1 的电涌保护器。

Type 1 电涌保护器适用于抑制由过电压产生的流经电流， 这种电流相当于直击雷产生的电流。 此产品已成功通过10/350波形的标准检测(I 级测试)。

ABB的MOV技术OVR Type 1 电涌保护器， 冲击电流能力 15 kA (在10/350 µs 波形)， 适用于单极或多极， 并可抵挡直击雷。 它的保护级别低 (高达 = 1.2 kV) 和无需去耦线圈。

Type 2 电涌保护器

Type 2 电涌保护器可进一步减低电压， 因为配电柜的下游即Type 2 电涌保护器安装处， 电压依然可进入电力系统。

Type 2 电涌保护器适用于抑制由过电压产生的流经电流， 这种电流相当于间接雷或操作过电压产生的电流。 此产品已成功通过8/20波形的标准检测(II 级测试)。

它的技术主要包括非线性电阻， 并采用各种不同网络 (IT, TT, TNC, TNS) ， 而全部网络电压均由57至 600 V。 此外，它们可提供高能泄放能力 (高达 100 kA ，在 8/20 µs 波形)

两种选择 :

安全地保留预防性检修

产品已集成遥控指示器或带光监测盒

Type 3 电涌保护器

Type 3 电涌保护器对于一些非常敏感或昂贵的设备(如:音响系统、电脑、电视机)可提供额外保护， 并将剩余过压转到地。

Type 3 电涌保护器为设备提供一个终端保护， 并可在TT和TN网的多极调适至 230/400V电压 。

数据传输线路电涌保护器

OVR TC 传输线路电涌保护器, 用于保护电话线、电脑通信线路或小电流回路相连接的设备。(如电压 : 6V, 12V, 24V, 48V 或 200V)