孟 昆
浪涌就是指电气设备和电气系统中瞬间过电压极高，超出电气系统正常的工作电压，或者说，浪涌就是在瞬间发生的一种剧烈高能量脉冲。发生浪涌时会对电气设备和电气系统造成严重损伤，为保护电气设备和系统，必须针对浪涌进行防护。浪涌保护器（SPD）是为解决此问题的专用设备。SPD 的原型最早出现于19 世纪末，当时主要用于架空输电线路，是为了防止雷击损坏设备绝缘导致停电而发明的最原始的电涌保护器—羊角形间隙。20 世纪20 ～70 年代分别出现了铝浪涌保护器，氧化膜浪涌保护器、丸式浪涌保护器、管式浪涌保护器、碳化硅防雷器及金属氧化物浪涌保护器。现代高压浪涌保护器不仅用于限制电力系统中因雷电引起的过电压，也用于限制因系统操作产生的过电压。1992 年以来，以德、法为代表的工控标准35 mm 导轨卡接式可拔插SPD 防雷模块开始大规模引入中国，随后以美、英为代表的一体化箱式电源防雷组合也进入中国[1-2]。
雷电的破坏力极大，且会通过多种途径侵入建筑物内。建筑物防雷的核心本质是防治雷电直接或间接导致的浪涌破坏，传统建筑物仅靠外部的避雷针、避雷带是不够的。雷电波直接或间接侵入各电气通道和金属通道引起的过压和过电流将对电气设备和系统，特别是对微电子设备产生极大危害，轻则毁坏线路和设备，重则使整个系统瘫痪，甚至引发爆炸等灾害，对室内人员的安全产生极大威胁。
现代建筑防雷的突出特点是综合性强，强调整体规划、内外部相结合、多重保护和综合治理。现代防雷技术主要两个原则：第1，将雷电能量通过预先设置的路径向大地释放；
第2，通过采取技术措施将建筑物内人员、设备周围的雷电能量抑制到所容许的安全范围之内。SPD 在防雷系统中的应用能满足防雷需求，能实现高效防雷，在建筑工程防雷中具有极高的应用价值。
目前建筑工程防雷技术按照防治类型主要分为防止雷电直击建筑物产生的巨大雷电流入侵，防治非直击雷电产生的感应电流和雷电脉冲的损害，减小跨步由于雷电流产生巨大电压的危害，在电气设备和电气系统的关键线路上采取措施对雷电瞬间巨大的电流能量进行限制4 种。
其中，防止雷电直击建筑物产生的巨大雷电流入侵的主要技术措施为安装避雷针、避雷带、避雷网等，主要作用为将雷电流直接导入大地，但会使导入大地的导线流出现巨大电流，产生电磁场，也可能损害设备。防治非直击雷电产生的感应电流和雷电脉冲的损害的主要技术措施为设置金属网、金属壳等封闭/半封闭保护层对电气设备和电气系统进行屏蔽，主要作用为限制某一区域内部的电磁能量向外传播，防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。减小跨步由于雷电流产生巨大电压的危害采用的主要技术措施为进行等电位连接，主要作用包括为电流提供低阻抗的连续通道，引导电流进入大地；
使系统各部分不产生足以致损的电位差，达到保护设备和人身安全的目的。在电气设备和电气系统的关键线路上对雷电瞬间产生的巨大电流能量进行限制，主要采用的技术措施为安装浪涌保护器等分流型保护元器件，主要作用为按照所划分的防雷保护区对雷电能量分级泄放，尽可能将多余能量在引入电子设备或电气系统之前排入地下。
浪涌是超出正常工作电压的瞬间过电压，是一种发生在微秒或纳秒时间内的剧烈脉冲。重型设备、电源切换或大型发动机都可以引起浪涌，但雷电产生的电磁脉冲引起瞬态过电压产生浪涌的危害性最为严重。SPD 的作用如下：
1）抑制浪涌电压。SPD 的作用是利用非线性特性将回路中的瞬态过电压幅值限制在能够承受的范围，这种回路包括供电系统的有源线路和信号传输线，可以达到保护电子设备的目的。
2）构筑雷电防护区。SPD 能实现与屏蔽体的带电导体瞬态等电位连接功能，与屏蔽体共同构筑了雷电防护区，雷电防护区导体中的浪涌在边界得到分流，雷电防护区空间中的电磁场得到衰减，使设备能大部分置于雷电防护较强区域内，极少设备可能在雷电防护较弱区域，有效降低雷电的危害。
目前，SPD 一般分为开关型、限压型、分流和扼流型3 类。其中，用作开关型SPD 装置的器件主要有气体放电管（GDT）、放电间隙、闸流晶体管等，其工作原理：无雷电瞬时过电压时呈现为高阻抗，雷电瞬时过电压突变为低值，快速引导电流通过。用作限压型SPD 装置的器件主要有压敏电阻、抑制二极（TVS）管、雪崩二极管等，其工作原理：无雷电瞬时过电压时呈现为高阻抗，但随浪涌电流和电压的增加，其阻抗会不断减小，电流电压特性为强烈非线性。用作分流和扼流型SPD 装置的器件主要有扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4 波长短路器等，其工作原理：分流型对雷电脉冲呈现为低阻抗，而对正常工作频率呈现为高阻抗；
扼流型对雷电脉冲呈现为高阻抗，而对正常的工作频率呈现为低阻抗。实践应用中典型的SPD 装置器件有：GDT、压敏电阻、TVS 管等[3]。
3.1 开关型SPD中气体放电管器件的特性
气体放电管封装外壳一般为绝缘陶瓷的中空密封结构，充满惰性气体，电极数量常见2 个、3 个和5 个电极这3 类。当极间有一定电压时，惰性气体开始游离，当电压达到并超过惰性气体的击穿强度时，就会立即发生“负阻”特性，转为导电状态，从而限制了极间电压，气体放电管抑制波形图见图1。
图1 气体放电管抑制波形图（来源：网络）
气体放电管具有载流能力大、响应时间快、体积小、成本低、性能稳定及寿命长等特点，特别适用于易遭受直接雷击部位的雷电过电压保护，一般用于防雷工程的第一级或第二级的保护上；
其极间绝缘电阻大，寄生电容很小，所以用于对高频电子线路的保护有着明显的优势。然而，气体放电管由于其本身在放电时的延时性较大和动作灵敏性不够理想，所以气体放电管一般在防雷工程的应用上大多与限压型SPD 综合应用。
3.2 限压型SPD中氧化锌压敏电阻器原理特性
常见的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件以氧化锌为主，加入三氧化二铋、氧化钴、碳酸锰等金属氧化物，经过高温烧结、焊接和包封等工序共同构成。氧化锌陶瓷由氧化锌晶粒及晶界物质组成，其中氧化锌晶粒中掺有杂质而呈N 型半导体，晶界物质中含有大量金属氧化物形成大量界面态，许多颗粒物相互挤压成型三维结构，任何2 个颗粒之间都形成一个半导体结（PN 结），半导体结的数量决定了整体器件的耐压等级，而整体器件的尺寸决定其通流量。图2是压敏电阻器等效电路。
图2 压敏电阻器等效电路（来源：网络）
根据氧化锌压敏电阻器的导电机理，当电路中出现雷电过电压时，氧化锌压敏电阻器以纳秒级时间内呈现非线性导电特性，使两端电压迅速下降到远小于过压的程度，保护电气设备[4]。氧化锌压敏电阻的伏安特性如图3。
图3 氧化锌压敏电阻的伏安特性图（来源：网络）
氧化锌压敏电阻限制电压低、响应速度快、无续流，一般适用于户内，国际电工委员会标准要求将它们安装在各雷电防护区的交界处。但氧化锌压敏电阻是一次性使用的，因为受到过压（过流）冲击以后，其内部结构发生不可逆变化，可靠性差且易老化。
3.3 限压型SPD中TVS管器件特性
TVS 管又叫钳位型二极管或稳压管，会在可设定的准确值电压值时被击穿，低于设定电压值无法击穿使TVS 管可以用作限制或保护的原件，属于目前采用最普遍的高效能电路保护器件，能吸收高达数千瓦的浪涌功率[5]。TVS 管是由加大了半导体结（PN 结）而构成的加强型齐纳管，其工作曲线非常接近理想值。但由于其承受的电流相对较小，所以一般用做电子设备内部的保护器件。抑制二极管特性曲线如图4。其中，曲线1 是TVS 管中的电流波形，其表明：当雷电、过压等浪涌冲击时突然上升到峰值，然后按指数规律下降。曲线2 是TVS 管两端的电压波形，其表明：在受到雷电、过压等浪涌冲击电流突然上升时，TVS 两端电压也随电流快速上升到达UC值，UC仅略大于UBR，从而实现保护作用。
图4 抑制二极管特性曲线（来源：网络）
雷击的能量极大，难以一级实现泄放，合理做法是通过先后顺序依次分级泄放，最终将能量导入大地，所以浪涌防护必须分级进行。根据空间内雷电电磁脉冲的强度不同，对建筑物进行分区就是防雷分区。其中，对于有可能发生直接雷击，电磁脉冲强度没有衰减的区域，设定为LPZ0区，LPZ0区通常为建筑物外部。完全暴露不设防区域为LPZ0A区，小机率被直接雷击但本身电磁脉冲强度没有衰减的区域为LPZ0B。建筑物内部受到建筑物的外部防雷系统（避雷针、避雷带等）、建筑物结构内的钢筋、金属结构等，电气设备和电气系统的金属外壳等多层防护属于非暴露区，越往建筑物的内部，电磁脉冲强度越低，危险程度也越低，称之为LPZ1区和LPZ2区。
4.1 第1级保护
第1 级保护的作用为泄放直接雷击电流，该级保护主要防止浪涌电压直接从LPZ0区传导进入LPZ1区，主要安装在用户供电系统入口进线各相和大地之间，如入户电力变压器低压侧安装三相电压开关型电源SPD。第1 级保护后仍然存在残余电压，且只有第2 级保护是无法实现完全保护的。
4.2 第2级防护
第2 级防护是针对残余电压进行泄放且应对区内感应雷击。经过第1 级SPD 的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射，当线路足够长，感应雷的能量就变得足够大，需要第2 级SPD 进一步对雷击能量实施泄放[6]。该级保护主要是对LPZ1—LPZ2实施等电位连接。第2 级SPD主要安装在重要或敏感用电设备供电电源处，如在分配电柜线路输出的电源处安装[7]。
4.3 第3级保护
第3 级保护是对剩余雷击能量进行保护的最后防线，一般可设置在特别重要或特别敏感的电气设备和电气系统的内部，达到完全消除较小的瞬时电压的作用，同时也能防止设备内部产生的瞬态过电压对设备的影响。
第1 级保护的SPD 应安装在低压供电系统并放置建筑物的入口处，多指在变压器的低压侧，第2 级保护的SPD 应尽量靠近被保护设备电源处安装，第3 级保护的SPD 应安装在保护设备内部线路中。SPD 连接导线要尽可能短而直。考虑过电流或接地故障的影响，以及性能退化、寿命终止等原因，应安装过电流保护装置电源SPD、信号SPD 的接地线不能与建筑物避雷针的接地线连接，并且应尽量与之远离，有条件的场合，应设置专用的接地装置，并尽量减小接地电阻。SPD 的3 级保护并非一成不变，应根据被保护电气设备和电气系统的耐压等级确定分级防护。如，当建筑物内有需要重要保护的设备的电源系统，其耐压水平较低，需要进行4 级甚至更多级别的防护工作；
同理当建筑物内没有需要重要保护的电源系统并且耐压水平较高时，2 级防护也能保证防护效果。
通过了解和掌握SPD 功能原理，本文提出SPD 的几点特性：保护通流量大，残压极低，响应时间快；
采用最新灭弧技术，彻底避免火灾；
采用温控保护电路，内置热保护；
带有电源状态指示，指示浪涌保护器工作状态；
结构严谨，工作稳定可靠。只要合理选用不同型号的SPD，在建筑工程防雷中就能有效降低和防止雷电对建筑物及设备的损害。同时，必须谨慎使用瞬间电压浪涌抑制器（TTSS）技术的浪涌抑制设备。虽然抑制器可以防止大的瞬间高压，如闪电雷击，但是对低到一定程度仍然对电子设备有害的瞬间电压无抑制作用，把瞬间高压引到地下，还可能返回并对其他设备造成损伤。