防雷知識連載(三)| SPD的原理和選型
電涌保護器SPD
防雷知識連載(三)| SPD的原理和選型 2019-10-21 防雷知識連載(三)| SPD的原理和選型 122

SPD是Surge Protective Device的簡寫,中文名稱有:電涌保護器、浪涌保護器、防雷柵、雷電浪涌防護器、防雷器等。


SPD其內部包含至少一個非線性元件。當電涌出現時,SPD能在極短的時間導通,將電流泄放到地,其響應時間為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,起到保護設備的作用。


SPD可以理解為一個“瞬時接地設備”,對于不帶電的物體如設備外殼、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內部常用的非線性元器件有TVS(瞬態抑制二極管)、壓敏電阻(MOV)和氣體放電管(GDT)。


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這幾種元件中,TVS響應最快,但放電電流較小,GDT放電能力大,但是響應較慢,MOV的放電能力和響應速度均居中。


SPD種類繁多,從應用的角度,我們可以把SPD分為電源SPD和信號網絡SPD。兩者最主要的區別在于:

1) 電源回路工作電流大,而信號網絡回路工作電流較小。

2) 電源SPD要求的放電電流較大,而信號網絡回路要求的放電電流較小。

 

在實際應用中,電源SPD一般并聯安裝,采用MOV單級保護。


采用并聯安裝,是因為電源回路工作電流大,如采用串聯安裝,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存在工頻續流問題。采用單級保護(且不同級之間要求間隔一定的距離),是為了滿足能量協調要求(后附工頻續流和能量協調概念解釋)。

 

信號SPD一般采用串聯安裝方式,采用GDT和TVS兩級保護。SPD可以用串聯安裝方式。


采用串聯安裝方式,首先是因為信號回路電流小,另外串聯安裝可以做到多級保護,并且滿足能量協調。


采用GDT(和TVS)而不采用MOV,是因為MOV結電容較高,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時也一般不需要擔心工頻續流問題。


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補充知識1:什么是工頻續流?

GDT(氣體放電管),屬于開關型元件,其開關狀態取決于其內部空氣是否被擊穿。使用開關型元件的SPD稱作開關型SPD。開關型,顧名思義,就是工作在“開”和“關”兩種狀態。


當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,當電力線電壓高于其開啟電壓時(如電涌產生),其工作在“關”(導通)的狀態,可以泄放很大的電流。開關型元件的導通狀態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,這就是工頻續流。工頻續流會使得在電涌消失后,SPD無法返回到開路(高阻)狀態,造成SPD發熱甚至炸裂,引發火災事故。所以開關型SPD一般只用于電源系統N-PE之間(或低壓低流的信號系統中),如果要應用在電力線上,其必須具備續流遮斷能力。

 

補充知識2:什么是能量協調?

所謂能量協調,就是多級SPD或保護元件,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。為了達到較好的保護效果(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想的那樣,大部分經SPD1泄放,少部分經SPD2泄放。如果做不到能量協調,SPD2會因為分擔過大的雷電流而損壞。


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同樣,對于信號SPD,也存在能量協調問題。如果能量不能協調,TVS就容易損壞。


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電源SPD在安裝時要求兩級之間間隔5-10m的距離,就是為了實現能量的協調;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能量協調。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的主要技術參數、SPD選擇。

 

電源SPD的主要技術參數和選擇:

1.最大持續工作電壓Uc

2.放電能力

-標稱放電電流In(8/20us): SPD能承受該波形沖擊10次以上。

-最大放電電流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.電壓保護水平Up

4.SPD的組合模式

 

SPD是一個“瞬時等電位連接”設備,在系統正常工作的情況下,其呈現“開”(高阻)的狀態,因此SPD的Uc值必須高于系統可能出現的最大持續工作電壓,否則SPD安裝后,還沒等浪涌產生,SPD就已經損壞,甚至可能引起火災事故。


對于Uc的選擇,標準中GB 50343建議如下:

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上表參考了IEC61643-12標準。


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在這里需要注意相電壓和線電壓的區別。比如220/380VAC電壓系統中,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值應該和相電壓220VAC比較。


在實際的應用中,Uc值一般都會多留一些余量。不同國家,電網質量情況不同。歐洲發達國家,電網較穩定,Uc的余量會小一點。我國電網質量一般,Uc余量要大一點。而在一些東南亞國家,電網質量可能較惡劣,Uc值需要更高一些。

 

SPD的放電能力是SPD的核心性能指標,理論上越大越好。其選擇可以參考GB 50343標準。


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這個表格,是根據被保護系統的重要性(ABCD等級)和SPD的安裝位置(防雷分區),來選擇SPD合適的放電電流。系統的重要性等級越高,SPD安裝位置越“靠外”,選擇的SPD放電電流應越大。

 

需要理解的幾個概念:


1.雷電防護等級

根據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雜,標準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,雷電防護等級劃分和雷擊風險評估。

 

2.雷電防護分區:

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LPZ0A(LPZ:lightning protection zone),表示該區域無任何防護,受直接雷擊和全部雷電電磁脈沖威脅的區域。


LPZ0B,表示受直擊雷保護,但是受到全部雷電電磁脈沖威脅。


LPZ1,表示受直擊雷保護,且內部雷電電磁脈沖經屏蔽后已經衰減。


LPZ2~n,表示受直擊雷保護,且內部雷電電磁脈沖經進再次屏蔽后繼續衰減。

 

電壓保護水平Up:Up值是“表征SPD 限制接線端子間電壓的性能參數”,是一個“門檻”值,也就是說,在規定的波形下測得的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。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。標準中,建議Up≤0.8Uw,Uw為設備耐壓值。一般情況下,這個條件并不難滿足,所以在選擇SPD時,應重點確認產品的Uc和放電能力。


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*實際應用中,有可能Up大的SPD,實際殘壓反而更小。

假設一個場景,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。

 

最后是電源SPD的組合模式。它需要根據電源系統的類型來選擇。


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不同的電源系統,推薦的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


關于電源系統的類型的區別和為什么選擇對應SPD組合模式,在此就不深入介紹了。

 

信號SPD的主要技術參數和選擇:

1.最大持續工作電壓Uc

2.額定工作電流IL

3.放電能力

4.電壓保護水平

5.其他要求

 

1.Uc:原理上與電源SPD一樣,Uc應大于回路的最大工作電壓,且留有一定的余量。


2.IL:由于信號SPD一般采用串聯安裝方式,IL不得小于工作回路的持續工作電流。如果是采用并聯安裝方式,則不需要考慮該參數。


3.放電能力:通常情況下,信號SPD根據所處的防雷分區來選擇是否安裝,而不必根據防雷分區來選擇其放電能力大小。在工控行業,一般要求In≥5kA,不少品牌已經可以做到In=10kA。


4.電壓保護水平,原理上與電源SPD近似。實際應該中需要考慮被保護產品的耐壓性能。一般來說,如果被保護產品符合基本的EMC要求,Up值一般都滿足要求。如果被保護產品耐壓水平很低,另做考慮。


5.其他要求,如產品的接口類型、保護線數、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。

 

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信號SPD典型應用示意圖



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防雷知識連載(一)| 消除誤解,科學防雷

防雷知識連載(二)| 了解“感應雷”危害,針對性防護

防雷知識連載(四)| 如何選擇高品質SPD

防雷知識連載(五)| 如何配置電源SPD后備保護裝置


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