中心議題：

• SPD的功用、選擇和安裝
• SPD的協(xié)調(diào)配合
• SPD的自保護和后保護
• SPD的引線

瞬態(tài)過電壓（電流）的來源是：雷擊事件、靜電放電、操作過電壓等產(chǎn)生的電磁脈沖引起的；其中雷電電磁脈沖的能量最大，危害性最為嚴重。在雷電防護中通常用浪涌保護器（SPD）來抑制瞬態(tài)過電壓（電流）。本文討論浪涌保護器（SPD）應(yīng)用中的SPD有關(guān)參數(shù)的選擇、SPD的安裝、SPD的協(xié)調(diào)配合、SPD的自保護和后保護、SPD的安裝時的引線問題。

1 SPD的功用

在雷電防護中浪涌保護器（SPD）廣泛應(yīng)用于保護電氣電子設(shè)備。通常這些設(shè)備都置于雷電防護區(qū)（LPZ）之內(nèi)(高于LPZ1)，少數(shù)設(shè)備在LPZ0B區(qū)。SPD的功用是限制線路中的浪涌和與屏蔽體配合構(gòu)筑低電磁場的防護空間。

1.1 SPD分流浪涌電流抑制浪涌電壓
SPD的作用是將電氣、電子系統(tǒng)中的不能直接用導(dǎo)體進行等電位連接的帶電導(dǎo)體通過SPD進行瞬態(tài)等電位連接，利用SPD的非線性特性限制瞬態(tài)浪涌過電壓并分流浪涌電流，達到保護電氣、電子系統(tǒng)的目的。

1.2 SPD與屏蔽體構(gòu)筑雷電防護區(qū)（LPZ）
把進出屏蔽體的帶電導(dǎo)體（電源線、信號線）用SPD進行瞬態(tài)等電位連接。SPD與三維屏蔽體共同構(gòu)筑了LPZ，SPD是LPZ劃界的重要部件。LPZ的導(dǎo)體中的浪涌在邊界得到分流，LPZ空間中的電磁場得到衰減。

2 SPD的選擇

2.1 SPD的電壓保護水平Up
SPD的保護水平Up是規(guī)定標稱放電電流（In）時的SPD兩端的殘壓。要求SPD的Up必須小于或等于被保護設(shè)備的定額沖擊耐受電壓Uw.通常為1.2Up≤Uw.實際上SPD的有效保護電壓Upf＝Up+ΔU，ΔU為線路壓降。

UW適用于低壓供電系統(tǒng)，表征了設(shè)備耐受沖擊過電壓的絕緣性能。但不適合于通信線路及其他微電子器件。對通信線路和微電子器件，沖擊耐受電壓與低壓線路的Uw不同，而是與電子電路的抗擾度和工作電壓相關(guān)聯(lián)，實驗證明沖擊耐受電壓通常為工作電壓Uo的3倍左右。一般對通信線路和微電子電路Up為工作電壓Uo的2.5～3倍。表1所示為某些集成電路的沖擊耐受電壓值。

表1 集成電路的沖擊耐受電壓

2.2 SPD的放電電流（Iimp、In）
當直擊雷擊中實體和線路（低壓系統(tǒng)、通信線路）都應(yīng)選用Iimp(10/350μS)測試的SPD，例如LPS中的雷電等電位連接的SPD和在LPZ0A區(qū)的架空線路使用的SPD。

在LPZ0B（LPZ1或更高的防護區(qū)）之內(nèi)的各種線路浪涌主要來自LEMP感應(yīng)產(chǎn)生的，就應(yīng)選用In（8/20μS）測試的SPD或用組合波（1.2/50μS, 8/20μS）測試的SPD。

不同條件下低壓系統(tǒng)和通信線纜雷電流浪涌預(yù)計值如表2、表3所示（來源于IEC62305-1.表E.2）。LPL為雷電防護等級。

表2 低壓系統(tǒng)雷電流浪涌的預(yù)計值[page]

表3 通信系統(tǒng)雷電流浪涌的預(yù)計值

對屏蔽線路，假設(shè)屏蔽層的阻抗與線纜導(dǎo)體并聯(lián)阻抗近似相等，那么，表中給出的浪涌值減小一半。如線路穿入鐵管，在線路中引起的過電流會更小。 

從表2可見，當LPL－Ⅰ峰值電流200KA（10/350μS）時，在低壓系統(tǒng)中的架空線上最大的浪涌電流為10KA（10/350μS）。如有架空地線保護或鎧裝線埋地其浪涌電流還要小。

為了構(gòu)筑LPZ，在建筑物的低壓系統(tǒng)進線入口 (LPZ0A/LPZ1邊界，供電線主配電盤MB上)應(yīng)安裝用Iimp測試的SPD（10/350μS）。當線路完全在LPZ0B進入建筑物入口處（LPZ0B/LPZ1邊界MB上）則應(yīng)安裝用In測試的SPD（8/20μS）。

也就是說根據(jù)電磁環(huán)境不同在LPZ1的邊界主配盤（MB）上可安裝開關(guān)型（10/350μS）SPD，也可安裝限壓型（8/20μS）的SPD。

現(xiàn)有標準中低壓系統(tǒng)對SPD沖擊放電電流（Iimp）要求高的不合理，例如對第一級（MB上）的SPD要求不管進線所在的LPZ(LPZ0A還是LPZ0B)、進線類型（架空還是埋地屏蔽線）都要求采用I級分類試驗（10/350μS）的SPD其值為20KA，比表2中的10KA高一倍，高于國際上所有標準的要求。這種高標準的過防護將會帶來兩個問題，一是防護成本提高，二是起不到防護功能，當雷電浪涌較小時，可能啟動不了第一級SPD放電，那么第二級SPD要承受所有的浪涌或加到后邊的設(shè)備上，以致第二級SPD或設(shè)備損壞。在我國昆明、武漢空管雷達站就發(fā)生過此類故障。國際上許多標準中第一級SPD都選用Ⅱ級分類的試驗8/20μS波形的SPD。例如：澳大利亞AS1768-1991，選70KA（8/20μS）。美國FAA-STD-19d-2002，選80 KA（8/20μS）等。在我國實踐也證明了限壓型SPD（8/20μS）器件廣泛用于通信局站、中南地區(qū)空管中心效果很好。因此，在放電電流選擇上要防止過防護。

2.3 SPD的響應(yīng)時間tA
常用的SPD響應(yīng)時間開關(guān)型（SG）的為100nS，限壓型（MOV）為25nS。低壓系統(tǒng)的第一級SPD要保護的大多是電磁型設(shè)備，這些設(shè)備對浪涌不敏感，因此無論是SG、MOV的響應(yīng)時間是可以達到保護的目的。

如貼近設(shè)備安裝的SPD，被保護的設(shè)備是電子設(shè)備或通信系統(tǒng)。例如設(shè)備的半導(dǎo)體組件對浪涌的響應(yīng)時間為10nS或更小，對浪涌非常敏感，雖然SPD的Up滿足要求，而tA太長，SPD還來不急放電，被保護的設(shè)備已被損壞。所以保護電子設(shè)備和通信線路SPD的響應(yīng)時間tA要小于或等于被保護設(shè)備的響應(yīng)時間。通常SG、MOV的SPD只用于低壓供電線路中。貼近電子設(shè)備在信號線路中的SPD應(yīng)選取tA更小的TVS或其他半導(dǎo)體抑制器件（例如雪崩二極管SAS）.

SPD的響應(yīng)時間在級間配合中也很重要，現(xiàn)有很多標準規(guī)定第一級開關(guān)型SPD與第二級限壓型SPD的間距大于10m（其原因取決于浪涌在低壓線路的傳播速度1.5×108m/s兩級tA的時間差75ns）來保證在浪涌傳到第二級之前第一級必須導(dǎo)通放電，否則第二級將承受全部的浪涌。

目前廠商為了降低Up值，生產(chǎn)了電子點火的開關(guān)型SPD，Up可小于1KV，但tA為1μS。也就是說浪涌加至SPD點到SPD響應(yīng)浪涌而開啟的1μS的時間內(nèi)，浪涌已在線路中向下游傳了150m。150m之內(nèi)的第二級SPD等和被保護設(shè)備就要承受這個浪涌。因此，tA是SPD選擇時的一個重要參數(shù)，特別是在信號線路中更為關(guān)鍵。

通信線路中SPD的選擇還應(yīng)考慮工作電壓，最大持續(xù)工作電壓，傳輸速率、插入損耗、駐波比、相移和接口形式等因素。

3 SPD的安裝

為了保護被保護設(shè)備，不但要選擇適當?shù)腟PD還取決于合理的安裝。
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3.1 SPD的安裝位置
第一級SPD應(yīng)安裝在外線進入建筑物的入口處（LPZ的界面）將浪涌電流在界面處泄放入大地，該SPD能保護建筑物內(nèi)的所有設(shè)備，會降低成本。

SPD貼近被保護設(shè)備安裝，這樣保護效果好，每個設(shè)備都裝SPD成本會提高。

在第一級SPD與貼近設(shè)備安裝的SPD之間是否安裝SPD取決于能量配合、線路長度和電磁環(huán)境。

3.2 振蕩保護距離lpo
當SPD與被保護設(shè)備間線路太長，傳播中浪涌會產(chǎn)生振蕩。最嚴酷時設(shè)備終端過電壓為2Up。2Up可能會大于Uw。為了使設(shè)備終端過電壓仍小于Uw就要限制SPD到設(shè)備間線路最大的長度，這個長度就是振蕩保護距離lpo.

當Upf＜Uw/2時,lpo可以無限長；
當Upf＞Uw/2時，lpo＝〔Uw-Upf〕/ K(m)；其中K=25(V/m)

3.3 感應(yīng)保護距離lpi
在雷擊時LEMP的磁場會在SPD與被保護設(shè)備構(gòu)成的回路內(nèi)感應(yīng)過電壓，感應(yīng)的過電壓和Up之和可能會大于Uw。感應(yīng)保護距離lpi是SPD與被保護設(shè)備間的最大長度，保證其感應(yīng)過電壓加上Up小于設(shè)備的Uw。

當建筑物的第一層屏蔽即做LPS的引下線又做LEMP防護的柵格時，建筑物電磁環(huán)境極為嚴酷，必須考慮lpi.

lpi可以用下列公式估算：
lpi＝〔Uw-Upf〕/ h(m)
h=300 K1×K2×K3（V/m）雷擊建筑物附近（S2）；
h=30000 K0×K2×K3（V/m）雷擊中建筑物（S1）；
K1：LPZ0-LPZ1界面LPS或其他空間屏蔽；
K2：LPZ1-LPZ2或更高界面的空間屏蔽；
K3：內(nèi)部布線的特性；
K0：LPZ0-LPZ1界面LPS屏蔽；
K0＝0.5×W0.5，W為柵格寬度；
K0=Kc無柵格時：Kc分流系統(tǒng)。

從上式可知，雷擊建筑物附近時lpi要比雷擊建筑物長的多。因此，建筑物采用分離的外部LPS要比建筑物的LPS與屏蔽柵格共用自然構(gòu)件（如鋼筋）在雷擊時建筑物內(nèi)的電磁環(huán)境要好的多。當建筑物和線路有很好的屏蔽就可以不考慮感應(yīng)保護距離lpi.
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4 SPD的協(xié)調(diào)配合

在一條線路上級聯(lián)安裝兩個以上的SPD時，應(yīng)根據(jù)各個SPD的能量吸收能力共同分擔施加在它們上面的能量。

通常每一級用的SPD都是單端口的，即SPD與被保護設(shè)備并聯(lián)，一個端口將輸入與輸出分開。單端口SPD又稱無串聯(lián)阻抗的SPD。使用單端口SPD系統(tǒng)便于維修。

級聯(lián)安裝時級間配合必須根據(jù)各個SPD特性，承受的電荷和位置來確定，這些工作大多基于實際經(jīng)驗、軟件和實驗分析，目前缺乏明了的現(xiàn)場分析和量化估算公式。

采用兩端口多級集成的SPD（IMP）――即SPD有兩組輸入和輸出端子，在這些端子之間有特殊的串聯(lián)阻抗。

多級集成的SPD是級聯(lián)的SPD與串聯(lián)阻抗在內(nèi)部協(xié)調(diào)配合好的，可以保證輸出到被保護設(shè)備的能量最小并且響應(yīng)速度快。多級集成的兩端口SPD緊貼被保護設(shè)備安裝特別適用于重要設(shè)備的保護和信號線路。使兩端口SPD因與負載串聯(lián)連接，所以SPD需要承受滿負荷電流。

5 SPD的自保護和后保護

為了保護設(shè)備，SPD與設(shè)備并聯(lián)組成一個系統(tǒng)，系統(tǒng)中增加了SPD就增加了一個單元。如SPD是開路故障則對系統(tǒng)無影響，如SPD是短路故障，那么，從功能邏輯上SPD是系統(tǒng)中的一個串聯(lián)單元，在串連系統(tǒng)中SPD單元故障系統(tǒng)就故障。所以應(yīng)盡量避免SPD發(fā)生短路故障。

SPD自保護：在低壓系統(tǒng)中為了防止SPD發(fā)生短路故障，SPD器件本身應(yīng)具有熱脫扣裝置。當電壓波動或SPD劣化時，SPD電流增大而發(fā)熱，當達到1200C時，熱脫扣裝置動作，使SPD器件開路保護系統(tǒng)正常運行，這就是自保護。

SPD后保護：在SPD通道串連后保護器件，后保護器件可用熔斷器或斷路器。這些后保護器件在低于SPD標稱放電電流（In）時不動作，只有當通過的浪涌大于Imax或SPD短路后工頻電流通過時才啟動。

后保護器件熔斷器和斷路器不同點是兩端實際限制電壓Upf相差很大。例如：當In＝20KA，Imax＝40KA時——串聯(lián)RT14-63熔斷器，在19.8KA電流（8/20μS）沖擊時，測得Upf為2674V；串聯(lián)DZ47-63熔斷器，在18.29KA（8/20μS）電流沖擊時，測得Upf為5014V。串聯(lián)斷路器之所以限制電壓高是因為斷路器的電感線圈產(chǎn)生的壓降所致。串聯(lián)斷路器限制電壓高于串聯(lián)熔斷器的電壓，這樣就影響了SPD的限壓效果，甚至?xí)p壞被保護設(shè)備。

使用斷路器操作方便，斷路器適用于對瞬態(tài)過電壓不敏感被保護設(shè)備，否則應(yīng)用熔斷器做后保護。

6 SPD的引線

為了進一步減小熔斷器與SPD串聯(lián)的引線感抗的壓降，可將熔斷器與SPD二合一，減少安裝時線路盤繞，使電感量下降，輸出的限制電壓Upf也會下降。例如：設(shè)引線長度減少50cm，di/dt為1KA/μS，導(dǎo)線電感為1μH/m，則壓降就會降低500伏。

為了減小引線產(chǎn)生的壓降，一般要求連接SPD引線總長度小于50cm，減小壓降的辦法可采用凱文(Kelvin)接線法即V字形接線。

SPD輸入端前和SPD接地的導(dǎo)線是通過浪涌電流的線稱為“臟”線，SPD輸出端后的導(dǎo)線稱為“凈”線。安裝時應(yīng)盡量使“凈”線與“臟”線遠離，將“臟”線穿鐵管屏蔽也是很好的辦法。

在雷電防護中，SPD的應(yīng)用是最受關(guān)注的，SPD的選擇和安裝應(yīng)由被保護設(shè)備的使用技術(shù)人員綜合考慮，應(yīng)把SPD當作被保護設(shè)備的一個組件。