羅祿全

摘? 要：建筑物浪涌保護器常被用于建筑電氣系統(tǒng)中抑制過電壓。隨著電氣設(shè)備的微型化發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅要滿足其安裝要求，同時還要滿足其結(jié)構(gòu)和電氣性能要求。文章從建筑物浪涌保護器結(jié)構(gòu)設(shè)計角度出發(fā)，首先分析其結(jié)構(gòu)組成和原理，然后以絕緣設(shè)計和滅弧設(shè)計為例進行分析，包括其電極和滅弧運動機構(gòu)的設(shè)計。以此來提高建筑物浪涌保護器的性能。

關(guān)鍵詞：浪涌保護器;建筑物;結(jié)構(gòu);滅弧

中圖分類號：TU895? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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

近年來氣候的異常變化，極大的增加了雷電災(zāi)害的發(fā)生率。電子設(shè)備的集成化應(yīng)用，提高了建筑物的智能化水平，但是其耐壓性能卻在逐漸降低。雷電影響是引起建筑物供電系統(tǒng)中浪涌的主要來源。雷電引入到電子設(shè)備的暫態(tài)過電壓極易破壞電子設(shè)備。因此，在建筑物供電系統(tǒng)中除了采取一定的避雷措施外，還應(yīng)裝設(shè)浪涌保護器。浪涌保護器可以在極短的時間內(nèi)，將較大電流接地，可以避免建筑物火災(zāi)。因此，浪涌保護器對于穩(wěn)定性和可靠性要求較高，基于此，本文對建筑物浪涌保護器的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計分析。

1 浪涌保護器的分類

浪涌保護器用途比較廣泛，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同其使用場合也不盡相同。從用途來看，可以將浪涌保護器分為電源保護器和信號保護器。而從其工作原理來看，可以將其分為開關(guān)型、限壓型和分流型。

（1）開關(guān)型SPD。根據(jù)電流的通斷狀態(tài)呈現(xiàn)出開關(guān)特性。當(dāng)電路中沒有瞬態(tài)過電壓時，SPD對外呈現(xiàn)高阻抗，阻斷電路電流流過。一旦電路中出現(xiàn)瞬時過電壓，其內(nèi)部阻抗陡然降低，呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)過電壓消失，恢復(fù)高阻抗?fàn)顟B(tài)。該類型的SPD內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括：放電間隙、氣體放電管和晶閘管等。

（2）限壓型SPD。當(dāng)電路中沒有過電壓時，其狀態(tài)相當(dāng)于開關(guān)型SPD。該SPD的特點在于，其內(nèi)部阻抗與電涌電流非線性負(fù)相關(guān)，電涌電流越大其阻抗越小。通過限制流過的電流來保證電路電壓的穩(wěn)定。該類型的SPD內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括氧化鋅、壓敏電阻、抑制二極管、雪崩二極管等。

（3）分流型或扼流型。分流型或扼流型其本質(zhì)還是為了保證電氣設(shè)備的不受外部脈沖電壓或電流的沖擊。通過分流或者阻斷電路來實現(xiàn)。分流型在正常頻率下表現(xiàn)為高阻狀態(tài)，扼流型正常頻率下表現(xiàn)為低阻狀態(tài)。

2 浪涌保護器的基本機構(gòu)及原理

浪涌保護器的主要作用在于限壓，因此限壓元件為核心部件，另外還包括放電間隙、放電管、電阻和線圈等輔助元件組成。常見建筑浪涌保護器外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）放電間隙。放電間隙是指浪涌保護器裸露在大氣中的金屬物體間隙。兩根金屬棒分別接電源和大地，在正常情況下呈現(xiàn)斷開狀態(tài)。一旦電路中有瞬時的過電壓，該放電間隙即被擊穿，把一部分過電壓電荷導(dǎo)入大地，避免被保護設(shè)備上因電壓突然升高而損壞。

（2）氣體放電管。氣體放電管是由相對的金屬導(dǎo)體，中間留有一定的放電間隙，放電間隙被惰性氣體（Ar）填充，然后進行封裝而成。當(dāng)施加在氣體放電管兩端的電壓超過一定值時，放電間隙被擊穿導(dǎo)電。為了提高可靠性，還可以配置觸發(fā)劑。

（3）壓敏電阻。壓敏電阻的主要成分為氧化鋅，其對電壓非常敏感，當(dāng)施加在兩端的電壓超過導(dǎo)通閾值時，會自動導(dǎo)通電路。其工作特性類似于多個PN結(jié)串并聯(lián)，可以在極短的時間內(nèi)響應(yīng)瞬時過電壓。在浪涌保護器的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，壓敏電阻的選用及結(jié)構(gòu)對其性能的影響較大。

（4）抑制二極管。浪涌保護器中抑制二極管，主要是由于其可以工作在方向擊穿區(qū)，可以迅速的響應(yīng)并將電壓鉗位在最低。因此，可以作為浪涌保護的最后一級保護。

浪涌保護器的核心部件在于電壓型限流元件，或者擺動脫扣機構(gòu)。擺動脫扣機構(gòu)通過電極與擺桿的配合動作來完成電涌的泄放。電壓限流半導(dǎo)體的電阻可以隨著施加在其上的電壓進行變化。電壓的不同會引起內(nèi)部電子運動的變化，當(dāng)電壓低于閾值時，對外表現(xiàn)出非常高的阻性，當(dāng)電壓超過閾值時，其阻性會迅速的降低，向?qū)w轉(zhuǎn)化。電壓在閾值內(nèi)，限流元件處于高阻狀態(tài)，電路斷開。電壓過高，隨著電壓的升高，電阻降低，通過的電流會增大，從而起到消除過電壓和穩(wěn)壓的作用。此時，限流元件、大地和火線形成一個閉環(huán)的負(fù)反饋電路，火線電壓逐漸回復(fù)正常，從而限流元件再次向高阻抗轉(zhuǎn)化，最后阻斷電流。由此可見，限流元件對于遏制浪涌電流效果明顯。

另外，其他放電管也可以表現(xiàn)出與限流元件相類似的特性。通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導(dǎo)體實現(xiàn)此浪涌防護功能。其原理類似，不再贅述。

3 建筑物浪涌保護器結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 SPD絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

建筑物電涌保護器裝設(shè)在建筑電氣系統(tǒng)中，長時間工作在過電壓狀態(tài)，因此其絕緣容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象。絕緣性能一旦下降，不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，浪涌保護器就會失去抑制電路過電壓的能力，絕緣性能下降，甚至?xí)霈F(xiàn)電力系統(tǒng)異常接地情況，因此，對于浪涌保護器的絕緣設(shè)計是非常重要的。

浪涌保護器的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括兩個方面。其一是內(nèi)部電路與外殼的絕緣設(shè)計，由于浪涌保護器一旦接通將會有大電流通過，為了保證外殼不被擊穿，需要采用特殊耐壓材料制作，對于結(jié)構(gòu)緊湊耐壓要求較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，宜采用絕緣材料灌注的方式，提供其絕緣性能。另一方面是，浪涌保護器在呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)時兩極之間的絕緣性能設(shè)計，宜選用高性能非線性限壓元件。結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，要根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，檢測其爬電距離、阻抗、絕緣耐壓是否滿足設(shè)計要求。

3.2 SPD放電間隙滅弧設(shè)計

當(dāng)流經(jīng)浪涌保護器的電流過大，會引起浪涌保護器溫度的迅速升高，為了避免引發(fā)火災(zāi)，部分浪涌保護器具有過熱保護功能。但是浪涌保護器在導(dǎo)通狀態(tài)下，內(nèi)部有大電流流過，斷開電路會產(chǎn)生電弧，如何滅弧就成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點。

滅弧通常采用的方法有：拉長電弧、滅弧罩、油冷滅弧、氣吹滅弧、柵片滅弧和真空滅弧等，建筑浪涌保護器結(jié)構(gòu)限制，因此優(yōu)先考慮柵片滅弧。柵片滅弧是通過將電弧分隔熄滅的原理，長電弧隔離成為數(shù)個短弧，電弧兩極的電壓下降，不能維持燃弧而熄滅。本設(shè)計中采用橫向的柵片，對電弧進行強行分隔。

如圖2所示。滅弧機構(gòu)可以在電極方向橫向移動，其與錯位桿連接，當(dāng)電極通過電流較大時，會將錯位桿的連接點熔化，然后釋放錯位桿和滅弧機構(gòu)。滅弧機構(gòu)產(chǎn)生橫向的位移，電極會隨著滅弧結(jié)構(gòu)的移動，進入到滅弧機構(gòu)中。通過電極與擺桿的分離，防止電弧產(chǎn)生，或者產(chǎn)生的電弧隨著結(jié)構(gòu)面爬升。該設(shè)計可以從電弧的產(chǎn)生和隔離方面迅速熄滅電弧。

如圖2所示，81為滅弧機構(gòu)，擺桿50會拉動滅弧機構(gòu)向電極移動，將電極完全置于滅弧結(jié)構(gòu)內(nèi)，滅弧蓋板30阻斷電弧爬升通路。滅弧板設(shè)計如圖3所示。

如圖3所示，側(cè)板32與滑動機構(gòu)連接，凸柱與滅弧彈簧連接，中間隔板34將滅弧機構(gòu)隔離出兩個空腔。當(dāng)合扣點熔化后，滅弧室移動將電極嵌入到側(cè)板32與隔板34形成的插槽內(nèi)。從電弧的熄滅原理來看，這一設(shè)計可以有效的將電弧隔斷，然后在空腔中熄滅。

4 結(jié)束語

建筑物浪涌保護器是建筑電氣安全運行不可或缺的設(shè)備。浪涌保護器不僅對于電路中的過電壓有抑制作用，另外，還可以對雷電過電壓進行泄放。隨著設(shè)備向緊湊型發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計成為提升其性能的關(guān)鍵。本文在浪涌保護器結(jié)構(gòu)及原理分析的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度重點分析了放電間隙和滅弧結(jié)構(gòu)，同時考慮了機構(gòu)間的運動配合，從而達(dá)到良好的滅弧性能。

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