辽宁创拓建设工程管理有限公司 赵海猛

1 引言

浪涌又被称作突波，可以在极短时间内产生剧烈脉冲，引发电阻烧断、PN结电容击穿等故障问题，短路、电源切换等均是浪涌现象常见诱因，其中雷击导致的浪涌危害最大、牵涉范围最广，过电压影响半径可达到1.5～2km，电压涨幅、传输距离均相当可观，对用电设备安全性能、使用寿命等均造成了较大威胁，有必要从实践角度出发，对民用建筑浪涌保护器设计、应用渠道进行优化探究。

2 浪涌保护器工作原理

浪涌保护器是民用建筑中极为关键的防雷安全装置，保护对象主要为电力线、信号传输线等，能够在科学的运行机制下，对窜入的瞬时过电压进行处理，并将其限制在设备能够承受的范围内，或者将其泄流入大地，防止过度冲击之下，设备受损或加速老化。其内部元件主要有以下几种。

一是放电间隙，通常暴露在空气之中，具体形式为两根间隔开来的金属棒，分别连接保护对象、接地线（PE），若电路中出现瞬时过电压，间隙会直接被击穿，并将部分电荷送入大地，避免线路电压升高。该种放电间隙装置中，金属棒的距离是可以自由调节的，灵活性好且结构简单，但灭弧性能稍弱。

二是气体放电管，常见材质为玻璃或陶瓷管，内部充有一定体积的惰性气体，并且装有一对冷阴板，为提升触发效率，部分放电管中还加入了助触发剂，二极型、三极型均是常见种类，选择时需要综合考察直流放电电压Udc、极间电容等参数。

三是压敏电阻，本质是一个金属氧化物半导体，以ZnO为主要成分，当其两端电压发生改变，达到预设数值之后，电阻对电压的敏感性会直线上升[1]。其优点在于非线性特征较好，残压低且通流容量较大，在选择时要综合考虑被保护设备耐受电压。

四是抑制二极管，具备箝位限压功能，相应速度较快，通常被用于多级保护电路的最末几级保护元件。

3 浪涌保护器类别及功能分析

3.1 开关型SPD

开关型SPD属于间隙放电型器件，正常情况下呈现高阻状态，当电涌电压出现时，阻抗会瞬间降低，对浪涌电流进行分流，达成设备防护目标。从原理上看，开关型SPD又可细分为两种。首先是空气间隙SPD，放电通道内涂有产气物质，当过电压作用于线路，产生过电流并经过该通道时，电弧产生的高温会影响产气物质，生成大量未电离气体，并沿着放电通道形成气流，熄灭等离子电弧。近年来，伴随科技手段的进步，磁吹灭弧空气间隙SPD、多间隙串联空气间隙SPD等装置也逐渐进入市场，为开关型SPD的发展提供了强大助力。其次是气体放电管SPD，主要利用放电间隙原理，借助局部产生的气体膨胀形成对流结构，促进带电粒子的螺旋运动，有单间隙、多间隙串联之分。整体上讲，开关型SPD的雷电泄放能力较强，在泄放能量方面有着较高的适用性，电流、电压呈现出不连续特征。

3.2 限压型SPD

限压型SPD在电子、电气设备中应用相对广泛，装置整体以ZnO压敏电阻为核心，并配备脱离器提升安全性能，在无电涌状态下，SPD表现出高阻抗状态，当电涌电流上升时，其内部阻抗会连续变小，与开关型SPD相比，其泄放雷电能量的能力相对较弱，但对过电压有着较好的抑制效果。由于综合性能优良，限压型SPD的使用频率要相对较高，但同时也要谨防短路、爆炸以及自燃等事故。导致SPD故障的因素较多，最为常见的主要有以下两种：首先是部件老化失效，多体现在压敏电阻老化，在长期、高负荷运行过程中，压敏电阻的漏电流会逐渐增加，并且集中流入薄弱点，病害发展到一定程度之后，薄弱点短路孔出现，最终在热崩溃作用下，发生击穿损坏。其次是暂态过电压破坏，主要出现于电网故障、电源波动场景之中，当过电压长时间作用于SPD时，流经的工频电流会在瞬间增大，使压敏电阻面临击穿风险，进而导致更大的工频电流进入，导致局部高热、起弧问题[2]，设计时要多加关注和分析。

3.3 组合型SPD

组合型SPD融合了上述两种装置的组件，一级保护器主要泄放雷电流，二级保护器进一步处理，降低线路电压，对敏感设备具有较好的防护效果。应用环节要注意分析以下几个要点。

一是气体放电管、压敏电阻之间的配合程度，可以在复合波发生器的帮助下，开展系统冲击试验，过程中要遵循高低配合规律，探寻最适用参数组。

二是线路中的退耦元件，在一、二级器件之间加入该种元件，可以延缓雷电波传输速率，为防护争取更多时间，在电流一定的前提下，线路波阻抗提高，还能影响线路内部电压，加速一级SPD的开启。

三是组合型SPD过电压幅值，在该种设备装置中，气体放电管泄放能力直接影响总体效率，而该能力与过电压幅值息息相关，在过电压幅值较小时，仅有压敏电阻进入工作状态，但伴随幅值的提升，放电管泄放能量也会随之增加，可以通过试验确定最佳过电压幅值。

4 浪涌保护器在民用建筑中的设计要点

4.1 雷击保护区划分

合理的防雷区划分是浪涌保护器设计的前提所在，其基本思路是对过电压进行逐级处理，防止其损伤终端设备，划分过程中主要面对整个建筑内部空间，将空间细分为几个防雷分区（LPZs），在分区界限上放置防雷器。根据国际标准，防雷分区主要有以下几种。

一是LPZ0A区，通常位于建筑外部，并且不在保护装置作用范围之内，受到直击雷灾害的概率较大，雷电脉冲也不会受到削减。

二是LPZ0B区，同样位于建筑外部，受到专用装置庇护，雷电脉冲未削弱，但不会遭受大于设计滚球半径的直接雷击。

三是LPZ1区，区内不存在直接雷击风险，进入线路的电流明显减小，电磁场强度也相应下降，但降幅受到屏蔽措施的制约。

四是LPZ2～n区，该类防雷区又被称为后续防雷区，其设定应以实践状况为准，可以满足进一步降低窜入电流、电磁场强度的需求。需要注意的是，防雷分区仅为理论参考，实践环节需要配套安装等电位联结系统[3]，装设防雷器等，为分区理论的生效奠定稳固基础。

4.2 SPD选择

4.2.1 持续运行电压选择

最大持续运行电压简称UC，是浪涌保护器设计阶段应当重点关注的参数，这主要是由于SPD只能限制瞬态过电压，该种电压尽管峰值较高，但持续时间较短，通常以微秒、毫秒计量，相应的能量也极为有限，发生的概率并不算大。但与此同时，电网中还存在暂态过电压，这种情况多由电网故障、运行异常等引发，与瞬态过电压相比，其电压值相对较低，但持续时间可达几秒，容易给SPD带来负担，限压型SPD对该种问题反应尤为敏感，严重时甚至会带来短路、爆炸风险，对于间隙电压开关型SPD来说，虽然不存在老化问题，但暂态过电压仍旧会导致线路击穿等问题，SPD无法自动熄弧，最终可能导致爆炸。

由于暂态过电压UT在主要受到最大持续运行电压UCS限制，因此实践设计环节，要结合UCS具体数值进行分析，UC可以适当大于UCS，以TT交流供电系统为例，设备相线对地线最高持续故障电压为220V×1.55，即340V，那么在电流不稳定的情况下，OVR电源防雷器UC应当选择385V模块。UC过低时可能加速SPD老化，甚至引发爆炸事故，但需要注意的是，该参数过高也会带来一定的安全风险，导致保护元件瞬态动作电压抬高，降低SPD保护性能，因此要结合实际情况分析，将UC值控制在最佳范围之内。

4.2.2 保护水平选择

对于浪涌保护器来说，保护水平的高低与残压UP息息相关，而UP与UC之间又存在一定相关性，选择环节要准确把握，比如在压敏电阻防雷器中，二者应当呈现正相关关系，选用设备的残压越低，那么最大持续工作电压也要越低，实践中可开展雷电流冲击试验，借助较小电流残压值，间接推算大电流残压值。同时，考虑到SPD主要功能为设备防护，因此其保护水平还应当低于冲击耐压Ush，而高于线路最大电压Usmax，即满足不等式Usmax＜UP＜Ush。实践中发现，Usmax＜UP的条件一般比较好满足，但UP＜Ush的条件却会受多重因素影响，比如配电设备种类、用电设备规格等，灵活性较高且实现难度较大，这里列举集中较为常见的设备类型。

首先是Ⅰ类耐冲击过电压设备，其保护水平相对较低，耐冲击电压额定值通常在1.5V以下，民用建筑中电视、计算机等均属于该种类别，要加强关注和分析；其次是Ⅱ类耐冲击过电压设备，通常由固定式配电装置供电，常见的有洗衣机、电冰箱等，其保护水平一般，耐冲击电压额定参考值可取2.5V；Ⅲ类则主要位于配电线路、最后分支线路上，保护水平相对较高，比如插头、配电柜等，设计环节耐冲击电压额定参考值可设置为4V；最后是Ⅳ类设备，通常位于电源端，整体的保护水平很高，过流保护电器等均属于该种类别，设计时Ush可取6V的参考值。

4.2.3 通流容量选择

通流容量是SPD设备关键参数之一，主要描述设备可重复施加规定波形脉冲电流的额定最大值，在该值范围之内避雷器不会发生失效问题。设计环节可选的SPD规格较为多样，通流容量也存在较大差异，但本质上是有规律可循的，一般来说供配电系统中，靠近电源侧的SPD通流容量应当适当提升，保证大于负荷侧SPD，对于安装在LPZ1及LPZ0交界处的SPD来说，则要尽量选择Ⅰ级分类产品[4]，提升设备实用性和安全性。同时，该参数的选择与雷击侵入方式也有较大关联，设计环节推荐采用最严重条件开展试验。

在第一级SPD通流容量确定过程中，要注意区分原始雷电流，其主要经由接地装置分泄，总占比可达50%左右，其余50%则通过三种管线入地，电源线作为其中关键部分，至少装设三条相线，原始雷电流被分割，每相SPD电流仅占1/18。在民用建筑物中，还应适当减少分流到SPD的雷电流量，比如在屏蔽电缆首端芯线部位做处理，科学并联SPD，当SPD进入工作环节后，芯线与屏蔽近似等电位联结，并在集肤作用影响下，使大量雷电流进入屏蔽层，SPD芯线分流可减少30%以上，起到延长使用寿命的目的。

4.2.4 报警功能选择

作为降低雷电灾害损失、保护用电设备安全的重要装置，防雷器的稳定性直接影响民用建筑运行情况，因此在实际设计环节，通常会增设监测、报警装置进行全天候、实时化的数据采集，从而提升检修维护效率，保障SPD的正常运行。报警功能的选择要立足于建筑实际需求，对于有人值守环境，可以采用声光报警装置，当SPD出现异常时及时通过灯光闪烁、发出声响引起值守者注意，加快检修速度；遥信报警装置则更适用于无人值守环境，可以实时采集SPD设备温度等信息，并通过通信系统上传至控制终端，方便管理者查看；遥信带电压检测报警装置同样可适应无人值守环境，监测对象主要为SPD电源、线路等，可及时报告失电、缺相情况。当前，伴随科技手段的进步，SPD装置还可与云计算技术相结合，将电磁、电涌等参数上传到微信小程序、网页等平台，即装即用较为便捷，同时还能够依据参数内容适当调节SPD保护等级，通过动作次数的累加等，判断设备老化程度，做到全寿命期管理，使用安全性更有保障。

4.3 SPD后备保护

从安全角度考量，任何并联于建筑电气中的设备器件均应当进行短路防护，防护方式主要为装设断路器、熔断器等保护器件，SPD设备同样不能例外。其中，断路器作为后备保护器件时，内部主要为电磁脱扣结构，遭受同等冲击放电电流时，保护水平UP会相对偏高，粗略估算可以高出1.1至1.25倍。其优点在于故障断开后，无需进行额外的器件更换操作，若将断路器与智能设备相连接，还能满足信号远程传送、设备远程控制需求，体现系统自动化优势，但这种结构会在一定程度上增加成本支出，相应的分断能力也并不理想。

而应用熔断器装置时，后备保护系统的分断能力会相应提升，控制成本的同时，还能减小设备体积，为电气布局创造便利，缺点是其熔丝熔断后，很难及时发出动作信号，不利于熔体的及时更换，可能影响到保护可靠性。综合分析二者性能后，本文认为对于民用建筑低压配电系统来说，SPD后备保护应当分情况而定，前级保护采用断路器适用性更佳，后级保护则可搭配熔断器，实践时还应开展必要的试验、调试工作，争取在协调统一的关系之中，增强系统整体稳定性。

4.4 通信线防雷器选择

通信线同样是浪涌保护的重点对象，通常可分为三种类别，首先是基本防护级别，SPD装设在LPZ0至LPZ2区之间、线缆进户处，可以及时泄放雷电电流，起到一级保护的作用；其次是综合保护级别，装设于设备前端，可以适当临近线缆入户处，从理论空间上讲，位于LPZ0至LPZ3区间；最后是精细保护级别，SPD安装于LPZ1至LPZ3区间，可以起到限制浪涌过电压的作用，注意应与基本防护级别之间空出5m及以上的距离，装设在设备侧为佳。

对于通信线来说，防雷器一般以串联方式安装，因此设计环节还要考虑匹配性问题，可从如下三个层面入手：一是电压等级选择，要合理把控SPD最高工作电压，在确定数据线工作电压的基础上开展分析，通常要大于后者1.2倍左右，比如模拟电话线额定电压一般在90V以下，100Mb/s以太网线通常在5V以下，那么防雷器最高工作电压也要据此调整，分别选择180V、6.5V即可，但是现实工作环节由于设备供应商不同，相应的通信线工作电压也可能出现较大差异，要结合实际情况进行考量。

二是速率选择，作为数据传送的主要通道，通信线还涉及到传输速率问题，当SPD串联安装于信号线之上时，其支持速率应当以信号线为标准，不能小于系统本身速率，否则将对通信效果产生较大影响，导致通信中断、误码率提升等问题，影响民用建筑通信使用体验。

三是接口类型的选择，考虑到串联结构对匹配性要求较高，因此为匹配阻抗、保持最小电阻，SPD、通信线路之间，还应选择一致的接口类型，若采用的线路为RJSD类型接口，还应关注线对配合问题，若二者之间为同轴接口关系，则要注意公母配合[5]。

5 结论

综上所述，浪涌保护器综合性能优良，能够在压敏电阻、放电气体管等的配合下，降低瞬时过电压危害，防止雷击导致的设备损坏问题，应用时要加强类别分析，根据实际需求选择适用性较高、经济性能较好的装置，同时提前规划防雷分区，科学选择持续运行电压、通流容量等设备参数，灵活设计报警功能、后备保护装置等，为民用建筑SPD系统的正常、稳定运行奠定扎实基础。