建筑物浪涌保护器（SPD）结构设计

罗禄全

摘  要：建筑物浪涌保护器常被用于建筑电气系统中抑制过电压。随着电气设备的微型化发展，结构设计不仅要满足其安装要求，同时还要满足其结构和电气性能要求。文章从建筑物浪涌保护器结构设计角度出发，首先分析其结构组成和原理，然后以绝缘设计和灭弧设计为例进行分析，包括其电极和灭弧运动机构的设计。以此来提高建筑物浪涌保护器的性能。

关键词：浪涌保护器;建筑物;结构;灭弧

中图分类号：TU895         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）09-0093-02

Abstract： Surge protectors of the building are often used to suppress overvoltage in building electrical systems. With the development of miniaturization of electrical equipment， structural design should not only meet its installation requirements， but also meet its structural and electrical performance requirements. From the point of view of the structural design of the building surge protector， this paper first analyzes its structural composition and principle， and then takes the insulation design and arc extinguishing design as an example， including the design of its electrode and arc extinguishing mechanism，  in order to improve the performance of the surge protector.

Keywords： surge protector; building; structure; arc suppression

引言

近年来气候的异常变化，极大的增加了雷电灾害的发生率。电子设备的集成化应用，提高了建筑物的智能化水平，但是其耐压性能却在逐渐降低。雷电影响是引起建筑物供电系统中浪涌的主要来源。雷电引入到电子设备的暂态过电压极易破坏电子设备。因此，在建筑物供电系统中除了采取一定的避雷措施外，还应装设浪涌保护器。浪涌保护器可以在极短的时间内，将较大电流接地，可以避免建筑物火灾。因此，浪涌保护器对于稳定性和可靠性要求较高，基于此，本文对建筑物浪涌保护器的结构进行设计分析。

1 浪涌保护器的分类

浪涌保护器用途比较广泛，内部结构不同其使用场合也不尽相同。从用途来看，可以将浪涌保护器分为电源保护器和信号保护器。而从其工作原理来看，可以将其分为开关型、限压型和分流型。

（1）开关型SPD。根据电流的通断状态呈现出开关特性。当电路中没有瞬态过电压时，SPD对外呈现高阻抗，阻断电路电流流过。一旦电路中出现瞬时过电压，其内部阻抗陡然降低，呈現导通状态，当过电压消失，恢复高阻抗状态。该类型的SPD内部结构主要包括：放电间隙、气体放电管和晶闸管等。

（2）限压型SPD。当电路中没有过电压时，其状态相当于开关型SPD。该SPD的特点在于，其内部阻抗与电涌电流非线性负相关，电涌电流越大其阻抗越小。通过限制流过的电流来保证电路电压的稳定。该类型的SPD内部结构包括氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等。

（3）分流型或扼流型。分流型或扼流型其本质还是为了保证电气设备的不受外部脉冲电压或电流的冲击。通过分流或者阻断电路来实现。分流型在正常频率下表现为高阻状态，扼流型正常频率下表现为低阻状态。

2 浪涌保护器的基本机构及原理

浪涌保护器的主要作用在于限压，因此限压元件为核心部件，另外还包括放电间隙、放电管、电阻和线圈等辅助元件组成。常见建筑浪涌保护器外形结构如图1所示。

（1）放电间隙。放电间隙是指浪涌保护器裸露在大气中的金属物体间隙。两根金属棒分别接电源和大地，在正常情况下呈现断开状态。一旦电路中有瞬时的过电压，该放电间隙即被击穿，把一部分过电压电荷导入大地，避免被保护设备上因电压突然升高而损坏。

（2）气体放电管。气体放电管是由相对的金属导体，中间留有一定的放电间隙，放电间隙被惰性气体（Ar）填充，然后进行封装而成。当施加在气体放电管两端的电压超过一定值时，放电间隙被击穿导电。为了提高可靠性，还可以配置触发剂。

（3）压敏电阻。压敏电阻的主要成分为氧化锌，其对电压非常敏感，当施加在两端的电压超过导通阈值时，会自动导通电路。其工作特性类似于多个PN结串并联，可以在极短的时间内响应瞬时过电压。在浪涌保护器的结构设计中，压敏电阻的选用及结构对其性能的影响较大。

（4）抑制二极管。浪涌保护器中抑制二极管，主要是由于其可以工作在方向击穿区，可以迅速的响应并将电压钳位在最低。因此，可以作为浪涌保护的最后一级保护。

浪涌保护器的核心部件在于电压型限流元件，或者摆动脱扣机构。摆动脱扣机构通过电极与摆杆的配合动作来完成电涌的泄放。电压限流半导体的电阻可以随着施加在其上的电压进行变化。电压的不同会引起内部电子运动的变化，当电压低于阈值时，对外表现出非常高的阻性，当电压超过阈值时，其阻性会迅速的降低，向导体转化。电压在阈值内，限流元件处于高阻状态，电路断开。电压过高，随着电压的升高，电阻降低，通过的电流会增大，从而起到消除过电压和稳压的作用。此时，限流元件、大地和火线形成一个闭环的负反馈电路，火线电压逐渐回复正常，从而限流元件再次向高阻抗转化，最后阻断电流。由此可见，限流元件对于遏制浪涌电流效果明显。

另外，其他放电管也可以表现出与限流元件相类似的特性。通过在两根电线之间使用惰性气体作为导体实现此浪涌防护功能。其原理类似，不再赘述。

3 建筑物浪涌保护器结构设计要点

3.1 SPD绝缘结构设计

建筑物电涌保护器装设在建筑电气系统中，长时间工作在过电压状态，因此其绝缘容易出现老化现象。绝缘性能一旦下降，不能达到标准要求，浪涌保护器就会失去抑制电路过电压的能力，绝缘性能下降，甚至会出现电力系统异常接地情况，因此，对于浪涌保护器的绝缘设计是非常重要的。

浪涌保护器的绝缘结构设计主要包括两个方面。其一是内部电路与外壳的绝缘设计，由于浪涌保护器一旦接通将会有大电流通过，为了保证外壳不被击穿，需要采用特殊耐壓材料制作，对于结构紧凑耐压要求较高的结构设计中，宜采用绝缘材料灌注的方式，提供其绝缘性能。另一方面是，浪涌保护器在呈现高阻抗状态时两极之间的绝缘性能设计，宜选用高性能非线性限压元件。结构设计完成后，要根据设计标准，检测其爬电距离、阻抗、绝缘耐压是否满足设计要求。

3.2 SPD放电间隙灭弧设计

当流经浪涌保护器的电流过大，会引起浪涌保护器温度的迅速升高，为了避免引发火灾，部分浪涌保护器具有过热保护功能。但是浪涌保护器在导通状态下，内部有大电流流过，断开电路会产生电弧，如何灭弧就成为结构设计的要点。

灭弧通常采用的方法有：拉长电弧、灭弧罩、油冷灭弧、气吹灭弧、栅片灭弧和真空灭弧等，建筑浪涌保护器结构限制，因此优先考虑栅片灭弧。栅片灭弧是通过将电弧分隔熄灭的原理，长电弧隔离成为数个短弧，电弧两极的电压下降，不能维持燃弧而熄灭。本设计中采用横向的栅片，对电弧进行强行分隔。

如图2所示。灭弧机构可以在电极方向横向移动，其与错位杆连接，当电极通过电流较大时，会将错位杆的连接点熔化，然后释放错位杆和灭弧机构。灭弧机构产生横向的位移，电极会随着灭弧结构的移动，进入到灭弧机构中。通过电极与摆杆的分离，防止电弧产生，或者产生的电弧随着结构面爬升。该设计可以从电弧的产生和隔离方面迅速熄灭电弧。

如图2所示，81为灭弧机构，摆杆50会拉动灭弧机构向电极移动，将电极完全置于灭弧结构内，灭弧盖板30阻断电弧爬升通路。灭弧板设计如图3所示。

如图3所示，侧板32与滑动机构连接，凸柱与灭弧弹簧连接，中间隔板34将灭弧机构隔离出两个空腔。当合扣点熔化后，灭弧室移动将电极嵌入到侧板32与隔板34形成的插槽内。从电弧的熄灭原理来看，这一设计可以有效的将电弧隔断，然后在空腔中熄灭。

4 结束语

建筑物浪涌保护器是建筑电气安全运行不可或缺的设备。浪涌保护器不仅对于电路中的过电压有抑制作用，另外，还可以对雷电过电压进行泄放。随着设备向紧凑型发展，结构设计成为提升其性能的关键。本文在浪涌保护器结构及原理分析的基础上，从结构设计的角度重点分析了放电间隙和灭弧结构，同时考虑了机构间的运动配合，从而达到良好的灭弧性能。

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