电涌保护器工作原理

1、电涌保护器 （Surge protection Device） 是电子设备雷电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、 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，或将强大的雷电流泄流入地，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： 1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

2、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。2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。3分流型或扼流型而对正常工作频率呈现为高分流型： 与被保护的设备并联， 对雷电脉冲呈现为低阻抗，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， 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、 按用途分： （1 ）电源保护器：交流电源保护器、直流电源保护器、（2

3、）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： 1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 与所需保护设备的电源相线 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， 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， 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， 作用以及热气流的上升作用而使电弧熄灭的。2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 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。 也有三极型的，气体放电管的技术参数

4、主要有：直流放电电压Ude;冲击放电电压 Up（般情况下 Up- （23）Udc;工频而授电流In;冲击而授电流Ip;绝缘电阻R（>109 Q）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Ude 分别如下：在直流条件下使用：UdO 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 > 1.44U n（Un为线路正常工作的交流电压有效值 ） 3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 电阻的特点是非线性特性好（

5、I=CUa中的非线性系数 a）,通流容量大（2KA/cm2 ），常而对正常的工作频率呈现为1/4 波长短路器等。开关电源保护器等。（如图15a），其中一根金属棒L1或零线（N）相连，另一根金属棒与接地线（PE）相连接，当避免了被保护设备上的 结构较简单， 其缺点时灭弧它是 * 回路的电动力 F（Ar） 的玻璃管或陶瓷管内组 这种充气放电管有二极型的，P-N 的串并联。压敏态泄漏电流小（10-710-6A ），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

6、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> （22X 1）/0.7U0 （ U0为工频电源额定电压）最小参考电压：Ulma（1.82） Uac （直流条件下使用）Ulma >（ 2.22.5） 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）maxw Ub/K，上式中K为残压比，Ub为被保护设备的而损电压。4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（图19），由于它具有箝

7、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=CUa，上式中a为非线性系数，对于齐纳二极管a =9，在雪崩二极管 a =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 2.9V4.7V 范围内，而雪崩二极管的额定击穿电压常在 5.6V200V 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 10/1000s下，管子两端的最大箝位电 压与管子

8、中电流等值之积。也即（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， 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： 10-11s15e5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，如图 所示，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

9、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。6 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，其结构如图 21 所示。这种保护器中的金属短路棒长度是根据工作信号频率（如

10、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（如图22所示），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 （8/20卩）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。三、SPD的基本电路电涌保护器的电路根据不

11、同需要，有不同的形式，其基本元器件就是上面介绍的几种， 一个技术精通的防雷产品研究工作者，可设计出五花八门的电路，好似一盒积木可搭出不同的结构图案。研制出既有效又性能价格比好的产品，是防雷工作者的重任。 下面仅列出一些电路供设计者参考。通讯线路提敏压分流？浪涌保护器，也叫防雷器，是一种为各种电子设备、仪器仪表、 供安全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时，浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。f 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，或将强大的雷电流泄流入地，保护

12、被保护的设备或系统不受冲击而 损坏。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。”是在正常情况下的不同电位点间， 由于阻抗可忽例如相线和中性线间产生金属性短路所产生的由绝缘损坏而产生的电流称为故障电流，流入大地的故障电流称且其绝缘损坏，相线与金属外壳接触时称为接地的概念一、“地”和“接地”的概念1地（1）电气地 大地是一个电阻非常低、电容量非常大的物体，拥有吸收无限电荷的 能力，而且在吸收大量电荷后仍能保持电位不变， 因此适合作为电气系统中的参考电位体。 这种“地”是

13、“电气地”，并不等干“地理地”，但却包含在“地理地”之中。 “电气地”的范围随 着大地结构的组成和大地与带电体接触的情况而定。（2）地电位 与大地紧密接触并形成电气接触的一个或一组导电体称为接地极，通 常采用圆钢或角钢，也可采用铜棒或铜板。图 1 示出圆钢接地极。当流入地中的电流 通过接地极向大地作半球形散开时，由于这半球形的球面，在距接地极越近的地方越小， 越远的地方越大，所以在距接地极越近的地方电阻越大，而在距接地极越远的地方电阻越 小。试验证明：在距单根接地极或碰地处 20m 以外的地方，呈半球形的球面已经很大， 实际已没有什么电阻存在，不再有什么电压降。换句话说，该处的电位已近于零。这

14、电位 等于零的“电气地”称为”地电位”。若接地极不是单根而为多根组成时，屏蔽系数增大，上 述 20m 的距离可能会增大。图 1中的流散区是指电流通过接地极向大地流散时产生明显 电位梯度的土壤范围。地电位是指流散区以外的土壤区域。在接地极分布很密的地方，很 难存在电位等于零的电气地。（3）逻辑地 电子设备中各级电路电流的传输、信息转换要求有一个参考的电位，这 个电位还可防止外界电磁场信号的侵入， 常称这个电位为“逻辑地”。这个“地”不一定是 理地”，可能是电子设备的金属机壳、底座、印刷电路板上的地线或建筑物内的总接地端 子、接地干线等；逻辑地可与大地接触，也可不接触，而 “电气地”必须与大地接触

15、。2接地 将电力系统或电气装置的某一部分经接地线连接到接地极称为“接地”。 “电气装置一定空间中若干相互连接的电气设备的组合。 “电气设备”是发电、变电、输电、配电或用 电的任何设备，例如电机、变压器、电器、测量仪表、保护装置、布线材料等。电力系统 中接地的一点一般是中性点， 也可能是相线上某一点。 电气装置的接地部分则为外露导电 部分。“外露导电部分”为电气装置中能被触及的导电部分，它在正常时不带电，但在故障 情况下可能带电，一般指金属外壳。有时为了安全保护的需要，将装置外导电部分与接地 线相连进行接地。 “装置外导电部分”也可称为外部导电部分， 不属于电气装置，一般是水、 暖、煤气、空调的

16、金属管道以及建筑物的金属结构。外部导电部分可能引入电位，一般是 地电位。接地线是连接到接地极的导线。接地装置是接地极与接地线的总称。超过额定电流的任何电流称为过电流。 略不计的故障产生的过电流称为短路电流， 电流称为单相短路电流。为接地故障电流。当电气设备的外壳接地， 壳”，所产生的电流称为 “碰壳电流”。3接触电压流经接地极的短路电流为 Id 。如接地极的接地Ud = Id Rd ,通常称 Ud为故障电压，相应M 上所呈由曲线C可知人所处的地电位为U0。此时如的电位分布曲线为图 2 中的曲线 C 。一般情况下，接地线的阻抗可不计，则 现的电位即为 Ud 。当人在流散区内时，当电气装置 M 绝

17、缘损坏碰壳短路时， 电阻力 Rd ，则在接地极处产生的对地电压人接触M,由接触所产生的故障电压Ut = Ud -UO。人站立在地上，而一只脚的鞋、袜和地面电阻为 Rp，当人接触M时.两只脚为并联，其综合电阻为Rp/2。在Ut的作用下，Rp/2与人体电阻RB串联，则流经人体的电流IB = Uf/( RB+Rp /2),人体所承受的电压 Ut = IB RB = Uf RB/( RB+Rp /2)。这种当电气装置绝缘损坏时，触 及电气装置的手和触及地面的双脚之间所出现的接触电压Ut 与 M 和接地极间的距离有关。由图2可见，当 M越*近接地极，U0越大，贝U Uf越小，相应地 Ut也越小。当 人在

18、流散区范围以外，则U0 = 0，此时 Uf = Ud , Ut = Ud-RB/( RB+Rp /2), Ut为最大值。由于在流散区内人所站立的位置与U0有关，通常以站立在离电气装置水平方向 0.8m 和手接触电气装置垂直方向 1.8m 的条件计算接触电压。如电气装置在流散区 以外，计算接触电压 Ut 时就不必考虑上述水平和垂直距离。4跨步电压0.8m，因此跨步电压 Uk以地面上人行走在流散区内，由图 2 的曲线 C 可见，一只脚的电位为 UO1 ，另一只脚的电 位为 UO2 ，则由于跨步所产生的故障电压 Uk = UO1 - UO2 。在 Uk 的作用下，人体 电流 IB 从人体的一只脚的电

19、阻 Rp ，流过人体电阻 RB ，再流经另一只脚的电阻 Rp ， 则人体电流IB = Uk/( RB十2Rp)。此时人体所承受的电压 Ut = IB RB = Uk-RB/ (RB+2p)。这种当电气装置绝缘损坏时，在流散区内跨步的条件下，人体所承受的电 压 Uk为跨步电压。一般人的步距约为 0.8m，因此跨步电压 Uk以地面上 0.8m水平距 离间的电位差为条件来计算。由图 2 可见，当人越 *近接地极， UO1 越大。当一只脚在 接地极上时 UO1 = Ud ，此时跨步所产生的故障电压 Uk 为最大值，即图 2 中的 Ukm， 相应地跨步电压值也是最大值。反之，人越远离接地极，则跨步电压越

20、小。当人在流散区 以外时，U0 1和U O2都等于零，则 Uk = 0，不再呈现跨步电压。5流散电阻、接地电阻和冲击接地电阻 接地极的对地电压与经接地极流入地中的接地电流之比，称为流散电阻。 电气设备接地部分的对地电压与接地电流之比，称为接地装置的接地电阻，即等于接地线的电阻与流散电阻之和。一般因为接地线的电阻甚小，可以略去不计，因此，可认为 接地电阻等于流散电阻。为了降低接地电阻，往往用多根的单一接地极以金属体并联连接而组成复合接地极或 接地极组。由于各处单一接地极埋置的距离往往等于单一接地极长度而远小于40m，此时，电流流入各单一接地极时，将受到相互的限制，而妨碍电流的流散。换句话说，即等

21、于增 加各单一接地极的电阻。这种影响电流流散的现象，称为屏蔽作用，如图3 所示。由于屏蔽作用，接地极组的流散电阻，并不等于各单一接地极流散电阻的并联值。此 时，接地极组的流散电阻Rd = Rd1/ (n -耳)(1)式中：Rd1单一接地极的流散电阻n 接地极的根数n 地极的利用系数，它与接地极的形状、单一接地极的根数和位置有关 以上所谈的接地电阻，系指在低频、电流密度不大的情况下测得的，或用稳态公式计 算得出的电阻值。这与雷击时引入雷电流用的接地装置的工作状态是大不相同的。由于雷 电流是个非常强大的冲击波，其幅度往往大到几万甚至几十万安的数值。这样，使流过接 地装置的电流密度增大， 并受到由于

22、电流冲击特性而产生电感的影响，此时接地电阻称为 冲击接地电阻，也可简称冲击电阻 . 由于流过接地装置电流密度的增大， 以致土壤中的 气隙、接地极与土壤间的气层等处发生火花放电现象， 这就使土壤的电阻率变小和土壤与 接地极间的接触面积增大。结果，相当于加大接地极的尺寸，降低了冲击电阻值。 长度较长的带形接地装置， 由干电感的作用， 当超过一定长度时， 冲击电阻不再减少， 这个极限长度称为有效长度、土壤电阻率越小，雷电流波头越短，则有效长度越短。由于各种因素的影响，引入雷电流时接地装置的冲击电阻，乃是时间的函数。接地装 置中雷电流增长至幅值 IM 的时间，是滞后于接地装置的电位达到其最大值 UM

23、的时间 的。但在工程中已知冲击电流的幅值 IM 和冲击电阻 Rds 的条件下， 计算冲击电流通过接 地极流散时的冲击电压幅值UM = IM-Rds。由于实际上电位与电流的最大值发生于不同时间，所以这样计算的幅值常常比实际出现的幅值大一些，是偏于安全的，因此在实际 中还是适用的防雷减灾管理办法来源：中国气象局令第 3 号防雷减灾管理办法已于 2000 年 6 月 16 日经中国气象局局务会议通过，现 予发布，自发布之日起施行。二oo年六月二十六日第一章 总则第一条 为了加强雷电灾害防御工作，保护国家利益和人民生命财产安全，促进经济建设和社会发展，依据中 华人民共和国气象法有关规定，制定本办法。第

24、二条 在中华人民共和国领域和中华人民共和国管辖的其他海域内从事防雷减灾活动的组织和个人，应当遵守 本办法。本办法所称防雷减灾是指防御和减轻雷电灾害的活动，包括雷电灾害的研究、监测、预警、防御等。第三条 防雷减灾工作，实行预防为主、防治结合的方针。第四条 国务院气象主管机构负责组织管理和指导全国防雷减灾工作。负责组织管理本行政区域内的防雷减灾工应当接受同级气象主管机构的行业地方各级气象主管机构在上级气象主管机构和本级人民政府的领导下， 作。国务院其他有关部门和地方各级人民政府其他有关部门所属的防雷减灾机构， 管理，密切合作，共同做好防雷减灾工作。第五条 国家鼓励和支持防雷减灾的科学技术研究和开发

25、，推广应用防雷科技研究成果，提高防雷技术水平，开 展防雷减灾科普宣传，增强全民防雷减灾意识。第六条 外国组织和个人在中华人民共和国领域和中华人民共和国管辖的其他海域从事防雷减灾活动，必须经国 务院气象主管机构会同有关部门批准。第二章监测与预警第七条开发。各级气象主管机构应当会同有关部门组织对防雷减灾技术、防雷产品以及雷电监测、预警系统的研究和第八条网，编制雷电灾害防御规划，避免重复建设。国务院气象主管机构应当组织有关部门按照合理布局、信息共享、有效利用的原则，组建全国雷电监测第九条 各级气象主管机构应当加强雷电灾害预警系统的建设工作，提高雷电灾害预警和防雷减灾服务能力。第三章防雷工程专业设计与

26、施工第十条 新建、扩建、改建的建筑物、构筑物和其他设施需要安装的雷电灾害防护装置（以下简称防雷装置）， 应当符合国务院气象主管机构规定的使用要求，并由具有相应防雷工程专业设计或者施工资质的单位承担设计或者施 工。本办法所称防雷装置是指接闪器、引下线、接地装置、电涌保护器及其他连接导体等防雷产品和设施的总称。第十一条防雷装置的设计实行审核制度。防雷装置的设计审核由当地气象主管机构授权的单位承担。对新建、扩建、改建的建筑物、构筑物防雷装置的设 计审核，当地气象主管机构授权的单位可以会同建设行政主管部门有关单位进行。未经审核同意的设计方案，不得交 付施工。对不符合防雷标准、规范的防雷工程专业设计方案

27、，防雷工程专业设计单位应当按照审核结论进行修改并重新报批。第十二条防雷工程的施工单位应当按照审核同意的防雷工程专业设计方案进行施工，并接受当地气象主管机构 授权的单位监督管理。在施工中变更和修改防雷工程专业设计方案，应当按照原审批程序重新报批。第十三条 新建、扩建、改建的防雷装置必须经当地气象主管机构委托的单位进行验收。验收合格后，由当地气 象主管机构委托的单位发给合格证书。未取得合格证书的，不得投入使用。第四章防雷检测第十四条 置的检测工作。各级气象主管机构应当会同有关部门指导对可能遭受雷击的建筑物、构筑物和其他设施安装的防雷装第十五条一次。防雷装置实行定期检测制度。防雷装置检测为每年一次，

28、对爆炸危险环境的防雷装置可以每半年检测第十六条证书。不合格的，应当限期整改。具有防雷检测资质的检测单位对防雷装置检测后，应当岀具检测报告，检测项目全部合格后颁发合格防雷检测单位必须执行国家有关标准和规范，保证防雷检测报告的真实性、科学性、公正性。第十七条 防雷装置使用单位必须做好防雷装置的日常维护工作，并指定专人负责。发现问题，由使用单位及时 维修或者报告承担该装置检测的单位进行处理。第十八条 厂矿企业应当加强防雷减灾工作，定期检测、维修防雷装置，并接受当地气象主管机构和当地人民政 府安全生产管理部门的监督检查。第五章资质与资格第十九条对从事防雷装置检测、防雷工程专业设计或者施工的单位实行资质

29、管理制度。对从事防雷活动的专业 技术人员实行资格管理制度。第二十条 省、自治区、直辖市气象主管机构应当会同有关部门组织对本行政区域内从事防雷装置检测的单位进 行资质认证。第二十一条 防雷工程专业设计或者施工的单位，应当在按照有关规定取得相应资质证书后，方可在其资质等级 许可的范围内从事防雷工程专业设计或者施工。第二十二条防雷工程专业设计或者施工的单位，必须按照相应资质等级承担防雷工程专业设计或者施工。禁止 无证或者超岀资质等级承接防雷工程专业设计或者施工。第二十三条 从事防雷装置检测、防雷工程专业设计或者施工等活动的专业技术人员，必须经省、自治区、直辖 市气象主管机构或者其他有关部门资格认可的组织进行专业培训和考核，取得相应的资格证书。第六章防雷产品管理第二十四条防雷产