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來源：互聯網

浪涌保護器(Surge Protective Devices,SPD)又稱為電涌保護器，是通過抑制瞬態過電壓以及旁路浪涌電流來保護設備的裝置，可為各種電子設備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護。浪涌保護器的類型和結構會因用途的不同而有所差異，但它至少應包含一個非線性電壓限制元件。這種設備的基本元器件包括放電間隙、充氣放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線圈等。浪涌保護器的功能是將竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入地，以保護設備或系統免受沖擊而損壞。

浪涌保護器按工作原理可以分為開關型（間隙型）浪涌保護器、限壓型浪涌保護器、混合型浪涌保護器。開關型具有在無浪涌時呈現高阻狀態，而在浪涌響應時突變為低阻特點。限壓型則在無浪涌時呈高阻狀態，但隨著浪涌的增大，其阻抗不斷降低。

最原始的電涌保護器羊角形間隙，出現于19世紀末期，用于架空輸電線路，防止雷擊損壞設備絕緣而造成停電。20世紀20年代，出現了鋁浪涌保護器，氧化膜浪涌保護器和丸式浪涌保護器。30年代出現了管式浪涌保護器。50年代出現了防雷器。70年代又出現了金屬氧化物浪涌保護器。浪涌保護器在消防行業、電力行業、安防監控行業、新能源行業等領域都有應用，具有保護通流量大，殘壓極低，響應時間快，結構嚴謹，工作穩定可靠等多種優點。

發展歷史

最原始的電涌保護器羊角形間隙，出現于19世紀末期，用于架空輸電線路，防止雷擊損壞設備絕緣而造成停電。20世紀20年代，出現了鋁浪涌保護器，氧化膜浪涌保護器和丸式浪涌保護器。20世紀30年代出現了管式浪涌保護器。20世紀50年代出現了防雷器。20世紀70年代又出現了金屬氧化物浪涌保護器。現代高壓浪涌保護器，不僅用于限制電力系統中因雷電引起的過電壓，也用于限制因系統操作產生的過電壓。1992年以來，以德、法為代表的工控標準35mm導軌卡接式可拔插SPD防雷模塊，開始大規模引進到中國，稍后以美、英為代表的一體化箱式電源防雷組合也進入了中國。

IECSC 37a負責起草和規定SPD（浪涌保護器）相關的技術要求和試驗方法。在1998年，IECSC 37a發布了第一版的e61643系列流保護器標準，參與起草的國家主要包括德國、法國、奧地利和美國等發達國家，而中國當時并未參與相關的工作。

根據這一版本的標準，中國于2002年頒布了相應的國家標準，此后，中國的浪涌保護器強制生產國家標準等同于或由EC標準修改。因此，IEC標準已基本成為中國浪涌防護器研發、生產、測試和認證的主要技術依據。

在全國避雷器標準化技術委員會的領導下，上海市防雷中心主辦了SC 37a第35工作組會議。隨后，上海市防雷中心、上海電器研究院、四川中光防技術有限公司等科研機構和企業的專家開始參與SC 37a W/G3和WG5的工作。2008年11月，上海市防雷中心、上海電器研究院、施德公司、深圳屏蔽公司派出人員組成中國代表團前往奧地利參加SC 37a工作組會議和活動，這是有史以來中國代表團參加SC 37a海外工作組會議最有力的一次。在此之后，中國代表團先后赴瑞典、瑞士、葡萄牙、羅馬尼亞、意大利、希臘、日本、美國、捷克、韓國等國參加工作組會議。

在2007年的上海市會議后，2011年和2017年，中國分別在深圳市和成都市舉辦了兩次SC 37a工作組會議。參與ECSC 37a工作的初期，對中國SPD行業的發展趨勢和了解EC標準發揮了重要作用。中方代表主要學習了IEC標準制定的規則和程序，以及會議溝通技巧。隨著代表對規則的掌握程度和相應技術水平的提高，中國代表參與IEC SC 37a工作的程度不斷加深。

工作原理

如圖下圖所示為常用浪涌保護器的原理示意圖，由一個金屬氧化物變阻器(MOV)將相線和地線連接在一起。當電路回路中產生浪涌時，浪涌保護器會將大部分電流轉移到地線。當線路電壓正常時，MOV的電阻很大，浪涌保護器不起分壓作用；當電壓超過指定值時，MOV電阻急劇減小，迅速分擔多余的電壓。

基本構造

浪涌保護器的類型和結構會因用途的不同而有所差異，但它至少應包含一個作為核心部件的非線性電壓限制元件。這種設備的基本元器件包括放電間隙、氣體放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線圈等。

放電間隙

放電間隙主要由兩根金屬棒組成，它們在空氣中相隔一定的距離，這個距離可以根據需要進行調整。其中一根金屬棒與所需保護設備的電源相線L或零線N相連，另一根金屬棒與接地線PE相連接。當過電壓來襲時，間隙被擊穿，將一部分過電壓的電荷引入大地，從而避免了被保護設備上的電壓升高。這種放電間隙的結構較為簡單，但其缺點是滅弧性能較差。為了改進這一缺點，角形間隙被研發出來，它的滅弧功能比前者更好，主要依靠回路的電動力和熱氣流的上升作用來熄滅電弧。

氣體放電管

氣體放電管是由相互離開的一對冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體(Ar)的玻璃管或陶瓷管內組成的。為了提高放電管的觸發概率，放電管內還有助觸發劑。這種充氣放電管有二極型和三極型兩種。

壓敏電阻

壓敏電阻是一種以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻。壓敏電阻的技術參數主要有：壓敏電壓（即開關電壓）UN，參考電壓Ulma；殘壓Ures；殘壓比K(K=Ures/UN)；最大通流容量Imax；泄漏電流；響應時間。當加在兩端的電壓低于標稱額定電壓值時，壓敏電阻的電阻接近無窮大，內部幾乎無電流流過。而當兩端所加電壓略高于標稱額定電壓值時，壓敏電阻會迅速擊穿導通，并由高阻狀態變為低阻狀態，工作電流也急劇增大。當兩端所加電壓低于標稱額定電壓值時，壓敏電阻又恢復為高阻狀態；而當兩端所加電壓超過最大限制電壓值時，壓敏電阻將完全擊穿損壞，無法再自行恢復。

抑制二極管

抑制二極管具有鉗位限壓功能，它工作在反向擊穿區。由于具有鉗位電壓低和動作響應快的優點，它特別適合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件。

扼流線圈

扼流線圈是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件。它由兩個尺寸相同、匝數相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環形磁芯上，形成一個四端器件。繞制在線圈磁芯上的導線要相互絕緣，以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發生擊穿短路。對于共模信號，扼流線圈呈現出大電感具有抑制作用；而對于差模信號，它呈現出很小的漏電感幾乎不起作用。扼流線圈使用在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號（如雷電干擾），而對線路正常傳輸的差模信號無影響。

短路器

1/4波長短路器是一種微波信號浪涌保護器。其工作原理是基于雷電波的頻譜分析和天饋線的駐波理論。這種保護器中的金屬短路棒長度是根據工作信號額率的1/4波長來確定的。對于雷電波來說，由于主要能量分布在30kHz以下，此短路棒相當于短路，雷電能量級被泄放入地。由于1/4波長短路棒的直徑一般為幾毫米，因此其耐沖擊電流性能好，可達到30kA以上且殘壓很小。但其工頻帶較窄，帶寬為2%~20%，且不能對天饋設施加直流偏置，使某些應用受到限制。

基本特點

1.保護通流量大，殘壓極低，響應時間快；

2.采用最新滅弧技術，徹底避免火災；

3.采用溫控保護電路，內置熱保護；

4.帶有電源狀態指示，指示浪涌保護器工作狀態；

5.結構嚴謹，工作穩定可靠；

基本分類

工作原理分類

2.限壓型浪涌保護器：這種SPD在無浪涌時呈高阻狀態，但隨著浪涌的增大，其阻抗不斷降低。常用器件有氧化鋅壓敏電阻、瞬態抑制二極管等。氧化鋅壓敏電阻是一種以氧化鋅（ZnO）為主要成分的金屬化物半導體過電壓抑制器件，是典型的限壓型浪涌保護器。壓敏電阻具有非線性特性好、通流容量大、常態泄漏電流小、殘壓水平低、動作響應快（一般為幾十納秒）和無后續電流等諸多優點。目前已被廣泛應用于電氣電子設備的雷電防護，是通信電源設備中采用的主要防雷器件。其缺點是長期運行后會老化，使標稱導通電壓降低。另外，壓敏電阻泄放雷電流時，雖然允許通過的電流脈沖幅值很大（kA級），但持續時間很短（數十至數百微秒）。在電源設備中，假如并未遭受雷電侵襲而壓敏電阻燒壞，可能是電網電壓太高或存在尖峰電壓，或者壓敏電阻劣化，使得交流電壓每周期中都有部分時間的瞬時值超過壓敏電阻的標稱導通電壓，導致壓敏電阻長期有電流通過而發熱損壞。

3.混合型浪涌保護器：這種SPD是由開關型和限壓型器件混合組成的。它能同時具備開關型和限壓型器件的特性。

工作用途分類

一般來說，交流電進入數據中心首先要解決的是防雷問題。由于雷電沖擊能量巨大，因此對信息系統的電源保護，從外部總配電室到內部對計算機系統供電，要分多級進行，才能將雷電的能量降到設備所能承受的水平（220/380V電源系統各種設備絕緣耐沖擊過電壓額定值可分為4類，分別為6kV、4kV、2.5kV和1.5kV）。所以，交流電進入數據中心后在進入UPS之前，一定在配電柜之前完成三級防雷，第一級防雷要把7000V以上的雷電浪涌電壓降低到4000V以下，第二級防雷再降到2500V以下，第三級防雷降到1500V以下，再經過UPS輸入電路的濾波器降到1000V，這時UPS本身就可以利用了。

2.信號線路SPD：就是信號避雷器，安裝在信號傳輸線路中，一般在設備前端，用來保護后續設備，防止雷電波從信號線路涌入損傷設備。在選擇時須注意其電壓保護水平（UP）、標稱放電電流In、最大放電電流Imx的選擇。

技術參數

標稱導通電壓

氧化鋅壓敏電阻的啟動電壓，也稱為壓敏電壓，通常用Un或U1mA來表示。在施加恒定1mA直流電流的情況下，這個電壓值是標稱導通電壓。對于低壓交流供電系統中的限壓型SPD，其標稱導通電壓U應該根據最大運行工作電壓有效值來選取，計算公式為：Un=2.2U。

標稱放電電流

標稱放電電流In是表明SPD通流能力的指對應于8/20μs模擬雷電波的電流峰值。In的優選值系列為:2、3、5、10,15、20、25、30、40、50、60、80kA。

最大通流容量Imx

最大通流容量(又稱沖擊通流容量)Imx是SPD不發生實質性破壞，每線(或單模塊)能通過規定次數、規定波形(8/20μs)模擬雷電波的最大電流峰值。最大通流容量一般大于標稱放電電流的2.5倍。Imx的優選值系列為:5、10、15、20、30、40、50、60、80、100、120、150、200kA。選擇較大通流容量的SPD可以獲得較長的使用壽命，根據中國有關通信行業標準,SPD按沖擊測試電流等級分類分為T型(特高通流容量)H型(高通流容量)M型(中等通流容量)和L型(低通流容量)。

SPD殘壓Ures

殘壓Ures是雷電電流通過SPD時其端子間呈現的電壓峰值。

限制電壓

限制電壓是施加規定波形、幅值和次數的沖擊時,在SPD端子間測得的殘壓的最大值。電源用限壓型SPD的限制電壓，B級防雷SPD不宜大于2kV，C級防SPD宜不大于1.3kV，D級防雷SPD不宜大于1kV。

最大持續運行電壓Ue

最大持續運行電壓Ue是SPD在運行中能持久耐受的最大直流電壓或工頻電壓有效值。

Ue的優選值系列為:45、52、75、85、150、175、275、320、385、420、460、510、600V

應用領域

2.電力行業：浪涌保護器在電力電氣系統中的應用場合最多。建筑物電氣系統有強制要求安裝浪涌保護器，因此國內超過50%的浪涌保護器用于電源配電系統。浪涌侵入的主要途徑是通過電源線，因此電力行業對浪涌保護器的需求很大。

3.安防監控行業：在安防監控項目中，如平安城市、雪亮工程等，浪涌保護器也得到了重點應用。由于大部分攝像機安裝在戶外，項目通常會要求安裝二合一浪涌保護器，以防止浪涌侵害造成監控器端口損壞。因此，安防監控系統是浪涌保護器的重要應用場合。

4.石油石化行業：石油化工行業因其重要性、特殊性和易燃易爆的高風險情況，對安全的要求極高。雷電災害作為嚴重的自然災害之一，石油行業對浪涌保護器的要求非常嚴格。例如，加油站對電源系統和信號系統都有要求安裝浪涌保護器，因此石油石化行業也是浪涌保護器的一大應用行業。

5.通信行業：通信行業應用浪涌保護器的歷史非常久遠。電信、移動和聯通等通信公司的戶外通信基站應用浪涌保護器非常多。這些公司在年度招標中通常將浪涌保護器作為主要元器件進行招標，且用量很大。

6.軌道交通行業：軌道交通行業對浪涌保護器的應用量較大。由于軌道交通的重要性不言而喻，其各通信子系統均有要求加裝浪涌保護器。

7.新能源行業：浪涌保護器在新能源行業中的應用主要涉及光伏太陽能發電和風力發電行業。光伏系統中，如光伏匯流箱和逆變器等設備均會加裝浪涌保護器。風力發電機組對浪涌保護器的要求也很全面，包括電源線和信號線等各個端口都要進行浪涌保護。

發展趨勢

隨著電子技術的進步，新型設備的內部結構越來越集中化，元件也變得越來越精細化。然而，這種發展趨勢也使得設備耐受過電壓和過電流的能力不斷下降，更容易遭受雷電破壞。因此，未來防雷產品的殘壓要更低，保護要更精細。

2.由單一防護向集成防護方向發展

隨著系統集成技術的應用，各類電子設備的設計越來越小型化，對電涌保護器的集成化提出了新要求。因此，需要SPD（電涌保護器）具有多種功能，如附帶濾波功能的電涌保護器。

3.被動防護發展為主動防護趨勢

目前，大多數雷電防護工程的設計主要依賴于設計人員的經驗積累。然而，隨著雷電監測產品的大力推廣和廣泛應用，設計人員可以根據對當地雷電頻率、幅度和方向的監測結果，變被動為主動，設計出最優的雷電防護工程。這標志著雷電防護工程的設計趨勢正由被動向主動發展。

標準規范

1.國家標準GB50057-94《建筑物防雷設計規范》,并于1999年11月局部修改條文征求意見稿中,對信息系統及微電子設備較多的建筑物，提出了應采取防雷電電磁脈沖(LEMP)的規定，即增補了第六章防雷擊電磁脈沖。

2.國際和工業發達國家的標準化組織已制定有關的一系列標準和規范如：

IEC1312-1《國際電工技術委員會雷電磁脈沖防護標準》

UL1449《國際保險研究會浪酒保護器標準》

BS6651一1992《英國國家浪涌保護器標準》

IEC61643-1《浪涌保護器標準》1997年11月

IEC61643一2《浪涌保護器的選擇與應用》

UTEC15一443《低壓浪涌保護器的選擇與應用》1996年

NZS/AS1768-1991《澳大利亞和新西蘭浪沛保護器標準》

ANSI/IEEEC6241《美國國家標準協會/國際電氣和電子工程學會浪沛保護器標準》

NFC61740《法國國家低壓浪涌保護標準》1995年7月

VDEO675《德國國家電氣浪涌保護器標準》

3.國標99D562《建筑物防雷設施安裝圖集》

雷電防護區劃分

第一級防雷器可以對直接雷擊電流進行泄放，或者在電源傳輸線路遭受直接雷擊時對傳導的巨大能量進行泄放。在有可能發生直接雷擊的地方，必須進行CLASS-I的防雷保護。第二級防雷器是針對前級防雷器的殘余電壓以及區內感應雷擊的防護設備。當前級防雷器吸收較大雷擊能量后，仍有一部分能量對設備或第三級防雷器來說相當巨大，因此需要第二級防雷器進一步吸收。同時，經過第一級防雷器的傳輸線路也會感應雷擊電磁脈沖輻射LEMP，當線路足夠長時，感應雷的能量就足夠大，需要第二級防雷器進一步對雷擊能量實施泄放。第三級防雷器是對LEMP和通過第二級防雷器的殘余雷擊能量進行保護。

第一級保護

第一級保護的目的是防止浪涌電壓直接從LPZ0區傳導進入LPZ1區，將數萬至數十萬伏的浪涌電壓限制到2500-3000V。入戶電力變壓器低壓側安裝的電源防雷器作為第一級保護時應為三相電壓開關型電源防雷器，其雷電通流量不應低于60KA。該級電源防雷器應連接在用戶供電系統入口進線各相和大地之間的大容量電源防雷器。一般要求該級電源防雷器具備每相100KA以上的最大沖擊容量，要求的限制電壓小于2500V，稱之為CLASS I級電源防雷器。這些電磁防雷器是專為承受雷電和感應雷擊的大電流以及吸引高能量浪涌而設計的，可將大量的浪涌電流分流到大地。它們僅提供限制電壓為中等級別的保護，因為CLASS I級保護器主要是對大浪涌電流進行吸收，僅靠它們是不能完全保護供電系統內部的敏感用電設備的。第一級電源防雷器可防范10/350μs、100KA的雷電波，達到IEC規定的最高防護標準。其技術參考為：雷電通流量大于或等于100KA（10/350μs）；殘壓值不大于2.5KV；響應時間小于或等于100ns。

第二級防護

第二級防護的目的是進一步將通過第一級防雷器的殘余浪涌電壓的值限制到1500-2000V，對LPZ1-LPZ2實施等電位連接。分配電柜線路輸出的電源防雷器作為第二級保護時應為限壓型電源防雷器，其雷電流容量不應低于20KA，應安裝在向重要或敏感用電設備供電的分路配電處。這些電源防雷器對于通過了用戶供電入口處浪涌放電器的剩余浪涌能量進行更完善的吸收，對于瞬態過電壓具有極好的抑制作用。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相45kA以上，要求的限制電壓應小于1200V，稱之為CLASS Ⅱ級電源防雷器。一般用戶供電系統做到第二級保護就可以達到用電設備運行的要求了。第二級電源防雷器采用C類保護器進行相-中、相-地以及中-地的全模式保護，主要技術參數為：雷電通流容量大于或等于40KA（8/20μs）；殘壓峰值不大于1000V；響應時間不大于25ns。

第三級保護

第三級保護的目的是最終保護設備的手段，將殘余浪涌電壓的值降低到1000V以內，使浪涌的能量不致損壞設備。在電子信息設備交流電源進線端安裝的電源防雷器作為第三級保護時應為串聯式限壓型電源防雷器，其雷電通流容量不應低于10KA。最后的防線可在用電設備內部電源部分采用一個內置式的電源防雷器，以達到完全消除微小的瞬態過電壓的目的。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相20KA或更低一些，要求的限制電壓應小于1000V。對于一些特別重要或特別敏感的電子設備具備第三級保護是必要的，同時也可以保護用電設備免受系統內部產生的瞬態過電壓影響。對于微波通信設備、移動基站通信設備及雷達設備等使用的整流電源宜視其工作電壓的保護需要分別選用工作電壓適配的DC電源防雷器作為末級保護。