2.0 电气件---浪涌保护器（SPD）

1、简介

浪涌保护器也叫防雷器，是一种为各类电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。当电器回路或者通信线路中因为外界的干扰突然产生剑锋电流或者电压时，浪涌保护器能在极端的时间内导通分流，从而避免浪涌对回路中其他设备的损害。
主要可以分为两类：电压开关型浪涌保护器和限压型浪涌保护器

2、原理

浪涌保护器基本原理是快速响应并将过高的电压引导到地线或通过电流限制器吸收多余的能量。具体可以分为以下几个步骤：

（1）浪涌电压发生

• 当外部电网或电气设备产生瞬时过电压时（例如雷电、设备开关操作或电气设备故障），这是的电压瞬间远远高于正常电压，形成浪涌电压。
• 浪涌电压可以在极短的时间内达到几千伏甚至更高，而这种电压通常持续几微秒到几毫秒。

（2）浪涌保护器的响应

• 浪涌保护器通过一组具有特定电压楚发特性的元件（如压敏电阻、气体放电管、瞬态抑制二极管等）来响应浪涌电压。

（3） 浪涌电流的分流与吸收

• 一旦浪涌电流进入浪涌保护器，压敏电阻、气体放电管和瞬态抑制二极管等元件会迅速将多余的电流导向地线，从而降低浪涌电压的强度。
• 浪涌保护器会将浪涌电流分流或吸收，是电压回复到正常水平，并避免设备因过电压损坏。

（4）浪涌电压消散

• 经过浪涌保护器的吸收与分流，浪涌电压的幅度被抑制到设备能够承受的范围，保护设备免受进一步的损害。
• 浪涌保护器通常会将这种多余的能量转换成热能，并通过散热方式将其消散到环境中。

（5） 恢复到正常工作状态

• 当浪涌电压结束后，浪涌保护器的保护元件（如压敏电阻等）会恢复到其正常工作状态，准备应对下一次浪涌电压。

3、结构组成

浪涌保护器通常由以下元件组成：
压敏电阻（MOV）：通过改变阻值吸收浪涌电压；

• 压敏电阻是一种常见的浪涌保护元件，它在正常电压下表现为高阻抗，不会影响电流的流动。当浪涌电压到来时，压敏电阻的阻值会显著降低，迅速导通浪涌电流，将其分流到接地线路，从而降低电压峰值。

气体放电室（GDT）：通过气体放电引导浪涌电流；

• 气体放电管是一种常见的浪涌保护元件。当电压超出其设定的击穿电压时，气体放电管会导通，将浪涌电流导入接地。
• 气体放电管内部含有惰性气体，当电压超过一定值时，电气放电会穿过气体，从而将浪涌电流接到底线。气体放电管唔够在瞬时高压下提供很好的保护，但它的响应时间较慢，通常与压敏电阻联合使用以提高响应速度。

瞬态抑制二极管（TVS Diode）:通过快速导通分流浪涌电流；

• 瞬态电压抑制二极管是一种能够快速响应的电子器件，它可以在非常短的时间内抑制浪涌电压。
• 当瞬时高电压超过TVS二极管的击穿电压时，他会迅速导通并将过高的电流分流到电线，从而限制浪涌电压的幅度，保护设备不受损害。

保险丝（Fuse）：防止浪涌保护器元件发生过载时损坏；

这几种元器件中，TVS响应最快，但放电电流较小，GDT放电能力大，但是响应较慢，MOV的放电能力和响应速度均剧中。

4、主要参数

序号	参数	名称	解释
1	Un	标称电压	通常与被保护系统的额定电压相匹配，它是选择保护器类型的关键，标明交流或直流电压的有效值。
2	Uc	持续工作电压	可长时间施加在保护器上而不会改变其特性和激活保护元件的电压峰值。
3	In/Isn	标称放电电流	指在8/20μs标准雷电波冲击10次时，保护器能承受的最大冲击电流峰值。
4	Imax	最大放电电流	在单次8/20μs标准雷电波冲击下的最大冲击电流峰值。
5	Iimp	雷电冲击电流	在单次10/350μs标准雷电波冲击下的最大冲击电流峰值。
6	Up	电压保护	SPD在放电时两端产生的剩余电压的最大值，与残压密切相关
7	Isc	短路电流额定值
8	tA	响应时间	主要反应在保护器里的特殊保护元件的动作灵敏度、击穿时间，在一定时间内变化取决于du/dt或di/dt的斜率。
9	Tu	工作温度范围	指其在正常工作条件下能够可靠运行的环境温度范围。

5、应用

SPD种类繁多，从应用的角度，我们可以把SPD分为电源SPD和信号SPD。

（1）电源SPD：
电源回路中，工作电流比较大，所以电源SPD的放电电流要求比较大；
由于电源回路工作电流比较大，一般电源SPD采用并联安装，采用压敏电阻（MOV）单极保护；之所以采用MOV，是因为TVS放电能力不足，GDT存在工频续流¹的问题。采用单极保护（且不同级之间妖气间隔一定的距离），是为了满足能量协调要求²。

（2）信号网络回路SPD：
工作电流比较小，所以信号SPD的放电电流要求比较小；
信号回路电流比较小，SPD一般采用串联安装方式，采用GDT和TVS两级保护。另外串联安装可以做到多级保护，并且满足能量协调。使用GDT和TVS而不采用MOV，是因为MOV结电容较高，且放电额能力相同的情况下，其尺寸比GDT大很多。另外，信号回路由于电流和电压都比较小，使用GDT时也一般不需要担心工频续流问题。

6、选型
可根据最大持续工作电压、放电能力、电压保护水品、工作温度进行选型。

解释：
_{1.工频续流：气体放电管（GDT）属于开关型元件，其开关状态取决于其内部空气是否被击穿。当电力线上的电压低于其闭合的电压时，SPD工作在“开”（高阻）的状态，当电力线电压高于其闭合电压时，其工作在“关”（导通）状态，可以泄放很大的电流；导通的过程通常是气体弧光放电的过程，虽然触发其导通的电压很高，但持续弧光放电的电压往往只需要十几伏，远低于其工作电压，所以就会导致该元器件一直处于“关”的状态，即使电涌消失后仍然会持续流过电流，无法回到“开”（高阻）的状态，造成SPD发热甚至炸裂，引发事故。}

_{2.能量协调：能量协调就是在多级保护时，不同的元器件放电能力不一样，在一起使用时，需要合理分配放电电流，保证放电能力较小的元器件不损坏。如果一条电源回路上有两个SPD，SPD1放电电流大但残压高，SPD2放电电流小但残压低，理想的防护效果是放电流大，残压小；但是电流不会按照预想的那样分配，SPD1流过较大的电流，SPD2流过较小的电流，如果没有能量协调，就会出现流过SPD2的电流比较大损坏SPD2。}