浪涌保護(hù)器選型

spd是surge protective device的簡寫，中文名稱有：電涌保護(hù)器、浪涌保護(hù)器、防雷柵、雷電浪涌防護(hù)器、防雷器等。
spd浪涌保護(hù)器其內(nèi)部包含至少一個非線性元件。當(dāng)電涌出現(xiàn)時，spd能在極短的時間導(dǎo)通，將電流泄放到地，其響應(yīng)時間為ns級（10-9s），而電涌的上升速度一般為μs級（10-6s），因此spd可以把電壓限制在安全的水平，起到保護(hù)設(shè)備的作用。
spd浪涌保護(hù)器可以理解為一個“瞬時接地設(shè)備”，對于不帶電的物體如設(shè)備外殼、管道等，一般可以直接接地，而對于帶電的線路，通過spd來“瞬時接地”。
spd浪涌保護(hù)器內(nèi)部常用的非線性元器件有tvs（瞬態(tài)抑制二極管）、壓敏電阻（mov）和氣體放電管（gdt）。
圖1
這幾種元件中，tvs響應(yīng)快，但放電電流較小，gdt放電能力大，但是響應(yīng)較慢，mov的放電能力和響應(yīng)速度均居中。
spd種類繁多，從應(yīng)用的角度，我們可以把spd分為電源spd和信號網(wǎng)絡(luò)spd。兩者主要的區(qū)別在于：
1） 電源回路工作電流大，而信號網(wǎng)絡(luò)回路工作電流較小。
2） 電源spd要求的放電電流較大，而信號網(wǎng)絡(luò)回路要求的放電電流較小。
在實際應(yīng)用中，電源spd一般并聯(lián)安裝，采用mov單級保護(hù)。
采用并聯(lián)安裝，是因為電源回路工作電流大，如采用串聯(lián)安裝，則spd需要承受很大的回路工作電流。
采用mov，是因為tvs放電能力不足，而gdt存在工頻續(xù)流問題。采用單級保護(hù)（且不同級之間要求間隔一定的距離），是為了滿足能量協(xié)調(diào)要求（后附工頻續(xù)流和能量協(xié)調(diào)概念解釋）。
地凱科技信號spd浪涌保護(hù)器一般采用串聯(lián)安裝方式，采用gdt和tvs兩級保護(hù)。spd可以用串聯(lián)安裝方式。
采用串聯(lián)安裝方式，首先是因為信號回路電流小，另外串聯(lián)安裝可以做到多級保護(hù)，并且滿足能量協(xié)調(diào)。
采用gdt（和tvs）而不采用mov，是因為mov結(jié)電容較高，且放電能力相同的情況下，其尺寸比gdt大很多。另外，信號回路由于電流（電壓）較小，使用gdt時也一般不需要擔(dān)心工頻續(xù)流問題。
補(bǔ)充知識1：什么是工頻續(xù)流？
gdt（氣體放電管），屬于開關(guān)型元件，其開關(guān)狀態(tài)取決于其內(nèi)部空氣是否被擊穿。使用開關(guān)型元件的spd稱作開關(guān)型spd。開關(guān)型，顧名思義，就是工作在“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)。
當(dāng)電力線上的電壓低于其開啟電壓時，其工作在“開”（高阻）的狀態(tài)，當(dāng)電力線電壓高于其開啟電壓時（如電涌產(chǎn)生），其工作在“關(guān)”（導(dǎo)通）的狀態(tài)，可以泄放很大的電流。開關(guān)型元件的導(dǎo)通狀態(tài)通常是氣體弧光放電的過程，因為維持弧光放電的電壓只需要幾十伏（通常低于電力線的額定工作電壓），所以在電涌消失后，施加在spd上的電力線電壓使得弧光放電得以維持，這就是工頻續(xù)流。工頻續(xù)流會使得在電涌消失后，spd無法返回到開路（高阻）狀態(tài)，造成spd發(fā)熱甚至炸裂，引發(fā)火災(zāi)事故。所以開關(guān)型spd一般只用于電源系統(tǒng)n-pe之間（或低壓低流的信號系統(tǒng)中），如果要應(yīng)用在電力線上，其必須具備續(xù)流遮斷能力。
補(bǔ)充知識2：什么是能量協(xié)調(diào)？
所謂能量協(xié)調(diào)，就是多級spd或保護(hù)元件，其放電能力大小不一，在一起使用時，必須使雷電流合理分配，以保證放電能力較小的spd或元件不會損壞。
如下圖，spd1放電能力大，殘壓高，spd2放電能力小，殘壓低。為了達(dá)到較好的保護(hù)效果（放電能力大，而且殘壓低），同時使用spd1和spd2。但實際情況下，雷電流并不一定按你預(yù)想的那樣，大部分經(jīng)spd1泄放，少部分經(jīng)spd2泄放。如果做不到能量協(xié)調(diào)，spd2會因為分擔(dān)過大的雷電流而損壞。
圖二
同樣，對于信號spd，也存在能量協(xié)調(diào)問題。如果能量不能協(xié)調(diào)，tvs就容易損壞。
圖三
電源spd在安裝時要求兩級之間間隔5-10m的距離，就是為了實現(xiàn)能量的協(xié)調(diào)；信號spd一般會在gdt和tvs之間加上一個耦合電阻，其目的也是為了實現(xiàn)能量協(xié)調(diào)。因為電阻會消耗功率，所以只適合在電流較小的信號回路加。
以上了解了spd的基本工作原理，接下來我們了解一下spd的主要技術(shù)參數(shù)、spd選擇。
電源spd的主要技術(shù)參數(shù)和選擇：
1.大持續(xù)工作電壓uc
2.放電能力
標(biāo)稱放電電流in（8/20us）： spd能承受該波形沖擊10次以上。
大放電電流imax（8/20us）：spd能承受該波形沖擊至少1次。
沖擊放電電流iimp（10/350us）：spd能承受該波形沖擊至少1次
3.電壓保護(hù)水平up
4.spd的組合模式
spd是一個“瞬時等電位連接”設(shè)備，在系統(tǒng)正常工作的情況下，其呈現(xiàn)“開”（高阻）的狀態(tài)，因此spd的uc值必須高于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的大持續(xù)工作電壓，否則spd安裝后，還沒等浪涌產(chǎn)生，spd就已經(jīng)損壞，甚至可能引起火災(zāi)事故。
對于uc的選擇，標(biāo)準(zhǔn)中g(shù)b 50343建議如下：
圖4圖5
在這里需要注意相電壓和線電壓的區(qū)別。比如220/380vac電壓系統(tǒng)中，相電壓是220vac，線電壓（兩相之間）是380vac。電源spd一般是安裝在相與零或相與地之間，所以uc值應(yīng)該和相電壓220vac比較。
在實際的應(yīng)用中，uc值一般都會多留一些余量。不同國家，電網(wǎng)質(zhì)量情況不同。歐洲發(fā)達(dá)國家，電網(wǎng)較穩(wěn)定，uc的余量會小一點。我國電網(wǎng)質(zhì)量一般，uc余量要大一點。而在一些東南亞國家，電網(wǎng)質(zhì)量可能較惡劣，uc值需要更高一些。
spd的放電能力是spd的核心性能指標(biāo)，理論上越大越好。其選擇可以參考gb 50343標(biāo)準(zhǔn)。
圖6
這個表格，是根據(jù)被保護(hù)系統(tǒng)的重要性（abcd等級）和spd的安裝位置（防雷分區(qū)），來選擇spd合適的放電電流。系統(tǒng)的重要性等級越高，spd安裝位置越“靠外”，選擇的spd放電電流應(yīng)越大。
需要理解的幾個概念：
1.雷電防護(hù)等級
根據(jù)防雷裝置的攔截效率e來確定，a級為98%，b級為90%，c級為80%，d級為80%以下，越重要的建筑，要求的攔截效率越高。由于攔截效率e理論上定量計算比較復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)中還給出了定性的劃分參考。在此不做深入介紹，可參考gb 50343第4章，雷電防護(hù)等級劃分和雷擊風(fēng)險評估。
2.雷電防護(hù)分區(qū)：
圖7
lpz0a（lpz：lightning protection zone），表示該區(qū)域無任何防護(hù)，受直接雷擊和全部雷電電磁脈沖威脅的區(qū)域。
lpz0b，表示受直擊雷保護(hù)，但是受到全部雷電電磁脈沖威脅。
lpz1，表示受直擊雷保護(hù)，且內(nèi)部雷電電磁脈沖經(jīng)屏蔽后已經(jīng)衰減。
lpz2~n，表示受直擊雷保護(hù)，且內(nèi)部雷電電磁脈沖經(jīng)進(jìn)再次屏蔽后繼續(xù)衰減。
電壓保護(hù)水平up：up值是“表征spd 限制接線端子間電壓的性能參數(shù)”，是一個“門檻”值，也就是說，在規(guī)定的波形下測得的spd的限制電壓，都不會超過這個值。
從單一維度講，up越小越好。但實際上，up值和uc、測試波形相關(guān)。uc越小，測試波形的峰值電壓、電壓上升速率或電流越小，up越小。標(biāo)準(zhǔn)中，建議up≤0.8uw，uw為設(shè)備耐壓值。一般情況下，這個條件并不難滿足，所以在選擇spd時，應(yīng)重點確認(rèn)產(chǎn)品的uc和放電能力。
圖8
*實際應(yīng)用中，有可能up大的spd，實際殘壓反而更小。
假設(shè)一個場景，兩臺基于mov的電源spd，uc相同，第1臺spd，in=20ka，up=1.5kv；第2臺spd，in=10ka，up=1.3kv。第1臺spd的up=1.5kv是在20ka下測得的，而第2臺spd的up=1.3kv是在10ka下測得的。在實際應(yīng)用中，面對同樣的沖擊電流，第1臺spd的殘壓理論上會低于第2臺spd的殘壓，盡管第1臺spd的up高于第2臺。
后是電源spd的組合模式。它需要根據(jù)電源系統(tǒng)的類型來選擇。
圖9
同的電源系統(tǒng)，的spd組合模式如下：
tn-s：4p（3p+1）
tn-c，it：3p
tt：3p+1
單相tn：2p
單相tt：1p+1
關(guān)于電源系統(tǒng)的類型的區(qū)別和為什么選擇對應(yīng)spd組合模式，在此就不深入介紹了。
信號spd的主要技術(shù)參數(shù)和選擇：
1.大持續(xù)工作電壓uc
2.額定工作電流il
3.放電能力
4.電壓保護(hù)水平
5.其他要求
1.uc：原理上與電源spd一樣，uc應(yīng)大于回路的大工作電壓，且留有一定的余量。不過相比電源spd，信號spd的uc余量可以小一些，因為信號回路電源相對穩(wěn)定。
2.il：由于信號spd一般采用串聯(lián)安裝方式，il不得小于工作回路的持續(xù)工作電流。如果是采用并聯(lián)安裝方式，則不需要考慮該參數(shù)。
3.放電能力：由于信號、信號相關(guān)設(shè)備的多樣性，實際應(yīng)用中的需求也不盡相同。在工控行業(yè)，一般要求in≥5ka，不少品牌已經(jīng)可以做到in=10ka。
4.電壓保護(hù)水平，原理上與電源spd近似。實際應(yīng)該中需要考慮被保護(hù)產(chǎn)品的耐壓性能。一般來說，如果被保護(hù)產(chǎn)品符合基本的emc要求，up值一般都滿足要求。如果被保護(hù)產(chǎn)品耐壓水平很低，另做考慮。
5.其他要求，如產(chǎn)品的接口類型、保護(hù)線數(shù)、安裝方式、帶寬（高頻信號時需要考慮spd引起的信號衰減）、防爆要求等等。