电涌保护器工作原理.docx

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电涌保护器工作原理

电涌保护器工作原理

电涌保护器（SurgeprotectionDevice）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、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。

　　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P-N的串并联。

压敏电阻的特点是非线性特性好（I=CUα中的非线性系数α），通流容量大（～2KA/cm2），常态泄漏电流小（10-7～10-6A），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≥[（√2×1.2）/0.7]U0（U0为工频电源额定电压）

最小参考电压：

Ulma≥（1.8～2）Uac（直流条件下使用）

Ulma≥（2.2～2.5）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）max≤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=CUα，上式中α为非线性系数，对于齐纳二极管α=7～9，在雪崩二极管α=5～7。

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2.9V～4.7V范围内，而雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6V～200V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10/1000μs）下，管子两端的最大箝位电压与管子中电流等值之积。

　　（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，也即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：

10-11s

　　5．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15e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（8/20μs）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。

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、通讯线路提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。

 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。

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“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I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“地理地”，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。

　　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”是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。

在正常情况下的不同电位点间，由于阻抗可忽略不计的故障产生的过电流称为短路电流，例如相线和中性线间产生金属性短路所产生的电流称为单相短路电流。

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为接地故障电流。

当电气设备的外壳接地，且其绝缘损坏，相线与金属外壳接触时称为“碰壳”，所产生的电流称为“碰壳电流”。

　　3．接触电压

　　当电气装置M绝缘损坏碰壳短路时，流经接地极的短路电流为Id。

如接地极的接地电阻力Rd，则在接地极处产生的对地电压Ud=Id·Rd，通常称Ud为故障电压，相应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M上所呈现的电位即为Ud。

当人在流散区内时，由曲线C可知人所处的地电位为Uφ。

此时如人接触M，由接触所产生的故障电压Ut=Ud-Uφ。

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，Uφ越大，则Uf越小，相应地Ut也越小。

当人在流散区范围以外，则Uφ=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Uφ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

　　人行走在流散区内，由图2的曲线C可见，一只脚的电位为Uφ1，另一只脚的电位为Uφ2，则由于跨步所产生的故障电压Uk=Uφ1-Uφ2。

在Uk 的作用下，人体电流IB从人体的一只脚的电阻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，Uφ1越大。

当一只脚在接地极上时Uφ1=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，则跨步电压越小。

当人在流散区以外时，Uφ1和Uφ2 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·η）　　　

（1）

式中：

Rd1──单一接地极的流散电阻

　　　n──单一接地极的根数

　　η──接地极的利用系数，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

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《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○○○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。

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，负责组织管理本行政区域内的防雷减灾工作。

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，应当接受同级气象主管机构的行业管理，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，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、预警系统的研究和开发。

第八条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，组建全国雷电监测网，编制雷电灾害防御规划，避免重复建设。

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，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置的检测工作。

第十五条防雷装置实行定期检测制度。

防雷装置检测为每年一次，对爆炸危险环境的防雷装置可以每半年检测一次。

第十六条具有防雷检测资质的检测单位对防雷装置检测后，应当出具检测报告，检测项目全部合格后颁发合格证书。

不合格的，应当限期整改。

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。

禁止无证或者超出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

第二十四条防雷产品应当符合国务院气象主管机构规定的使用要求。

第二十五条防雷产品应当通过正式鉴定，并由国务院气象主管机构委托的检验机构测试合格，经国务院气象主管机构认可，方可投入使用。

对社会提供公正数据的防雷产品质量检验机构，应当按照国家有关规定通过计量认证或者获得资格认可。

第二十六条防雷产品的使用，应当接受省、自治区、直辖市气象主管机构的监督检查。

禁止使用未经认可的防雷产品。

第七章　雷电灾害调查、鉴定

第二十七条各级气象主管机构负责组织雷电灾害调查、统计和鉴定工作。

其他有关部门和单位应当配合当地气象主管机构做好雷电灾害调查与鉴定工作。

第二十八条遭受雷电灾害的组织和个人，应当及时向当地气象主管机构报告，并协助当地气象主管机构对雷电灾害进行调查与鉴定。

第二十九条地方各级气象主管机构应当及时向当地人民政府和上级气象主管机构上报本行政区域内的重大雷电灾情和年度雷电灾害情况。

第八章　罚则

第三十条违反本办法规定，有下列行为之一的，按照《中华人民共和国气象法》的有关规定，由各级气象主管机构责令改正，给予警告；《中华人民共和国气象法》未明确规定的，可以根据地方性法规或者地方政府规章的有关规定给予处罚；给他人造成损失的，依法承担赔偿责任：

（一）不具备防雷检测、防雷工程专业设计或者施工资质和资格，擅自从事防雷检测、防雷工程专业设计或者施工的；

（二）防雷工程专业设计未经当地气象主管机构授权的单位审核同意，擅自施工的；

（三）新建、扩建、改建的防雷装置未经当地气象主管机构委托的单位验收或者未取得合格证书，擅自投入使用的；

（四）应当安装防雷装置而拒不安装的；

（五）安装和使用不符合使用要求的防雷装置的；

（六）已有防雷装置，拒绝进行检测或者经检测不合格又拒不整改的；

（七）对重大雷电灾害事故隐瞒不报的。

第三十一条违反本办法规定，导致雷击造成火灾、爆炸、人员伤亡以及国家财产重大损失的，由主管部门给予直接责任人行政处分；构成犯罪的，依法追究刑事责任。

第三十二条防雷工作人员由于玩忽职守，导致重大雷电灾害事故的，由所在单位依法给予行政处分；致使国家利益和人民生命财产遭到重大损失，构成犯罪的，依法追究刑事责任。

第九章　附则

第三十三条省、自治区、直辖市气象主管机构可以依据本办法制定实施细则。

第三十四条本办法由国务院气象主管机构负责解释。

第三十五条本办法自公布之日起施行。