6.7 低压浪涌保护器

版本	作者	时间	修订原因
V1.0	电源拾光	2026.08.02	创建文件

声明：本手册仅限学习交流，严禁任何商业用途。内容仅供参考，不保证技术信息完全准确

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一、 基本原理

低压浪涌保护器（Surge Protective Device，简称SPD）是一种用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流的电器设备，它至少包含一个非线性元件。其核心功能是保护电气和电子设备免受雷电、操作过电压等浪涌冲击造成的损坏。

1. 工作原理

SPD在电路中通常与负载并联。在正常电压下，SPD呈现高阻抗状态，对电路运行无影响。当浪涌电压到来，其电压值超过SPD的动作阈值时，SPD迅速转变为低阻抗状态，将浪涌电流通过自身泄放到大地，从而将被保护设备两端的电压钳制在一个安全的水平。浪涌能量释放后，SPD又自动恢复到高阻抗状态，等待下一次动作。

浪涌保护器原理图

2. 主要分类

根据工作原理和所用元件的特性，SPD主要分为以下三类：

• 开关型SPD (电压开关型)：在无浪涌时呈高阻抗，当浪涌电压达到一定值（击穿电压）时，瞬间变为低阻抗（短路状态）。此类SPD通常采用气体放电管（GDT） 或火花间隙。其特点是通流容量大，但响应时间相对较慢，动作后存在续流问题。
• 限压型SPD (电压限制型)：在无浪涌时呈高阻抗，随着浪涌电压的升高，其阻抗连续降低，将电压钳制在某个水平。此类SPD通常采用金属氧化物压敏电阻（MOV） 或瞬态抑制二极管（TVS）。其特点是响应速度快，钳位电压稳定，但通流容量相对较小，且存在老化问题。
• 复合型SPD：内部由开关型和限压型元件组合而成，兼具两者优点，如响应快、通流大。常见的组合如GDT与MOV串联。

3. 核心元件特性

• 金属氧化物压敏电阻 (MOV)：是最常用的SPD元件。它具有非线性伏安特性，响应时间在纳秒级，通流能力较强，但寄生电容较大，不适合高频线路，且存在老化失效（性能衰减）和短路失效的风险。

金属氧化物压敏电阻 (MOV)电路符号

• 气体放电管 (GDT)：通流能力极大，寄生电容极小，但响应时间较慢（微秒级），冲击击穿电压不精确，且在直流或低电压交流系统中存在续流无法熄灭的问题。

气体放电管 (GDT)电路符号

• 瞬态抑制二极管 (TVS)：响应时间极快（皮秒级），钳位电压精确，但通流能力相对较小，结电容较大，适合用于信号线路或电源的末级精细保护。

TVS二极管电路符号

各类过电压保护元件通流量及响应时间

二、 关键特性与参数

参数类别	参数名称	符号	说明
基本电压	最大持续工作电压	$U_c$	允许持久地施加在SPD上的最大交流电压有效值或直流电压。这是选型的首要参数，必须高于系统最高运行电压。 电涌保护器特性曲线
	电压保护水平	$U_p$	表征SPD限制接线端子间电压的性能参数。该值必须小于被保护设备的冲击耐受电压，并建议留有20%的裕量。
	暂时过电压	TOV	SPD能承受的短时工频过电压，分为持续数秒的高压故障和持续200ms的低压故障。
放电能力	冲击电流	$I_{imp}$	I类测试 (T1) 的核心参数，波形为 $10/350 \mu s$，模拟直击雷的能量。用于区分SPD泄放直击雷电流的能力。
	标称放电电流	$I_n$	II类测试 (T2) 的核心参数，波形为 $8/20 \mu s$，SPD能承受15次该电流冲击。
	最大放电电流	$I_{max}$	II类测试 (T2) 的可选参数，波形为 $8/20 \mu s$，SPD能承受1次该电流冲击。
	开路电压	$U_{oc}$	III类测试 (T3) 的核心参数，使用组合波（1.2/50μs开路电压、8/20μs短路电流）测试。
安全与性能	续流	$I_f$	冲击放电电流以后，由电源系统流入SPD的电流。开关型SPD需特别关注其续流分断能力 ( $I_{fi}$)。
	响应时间	$t_A$	SPD对过电压的响应速度。MOV为ns级，TVS为ps级，GDT为μs级。
	失效模式	–	SPD最常见的失效模式是短路。因此需配置后备保护（熔断器/断路器）或选用热脱扣型SPD来防止火灾风险。
	漏电流	$I_c$	在最大持续工作电压 $U_c$下流过SPD的电流，MOV会因老化、受潮导致漏电流增大。

三、 选型与应用指导

1. 确定SPD的试验类别与安装位置

根据防雷分区（LPZ）和安装位置选择合适的SPD等级：

• I级（B级）试验 SPD：安装在LPZ 0与LPZ 1区交界处（如总配电柜），主要用于泄放直击雷或感应雷产生的大能量浪涌电流（10/350 $\mu s$波形）。适用于有外部防雷装置的建筑物主进线处。
• II级（C级）试验 SPD：安装在LPZ 1与LPZ 2区交界处（如分配电柜），用于进一步限制经过I级SPD后的剩余浪涌电压和电流（8/20 $\mu s$波形）。
• III级（D级）试验 SPD：安装在LPZ 2与LPZ 3区交界处（如设备机房配电箱或终端设备处），用于保护对浪涌敏感的电子设备，通常为1.2/50 $\mu s$和8/20 $\mu s$的复合波。

属性	1级（I类试验）SPD	2级（II类试验）SPD	3级（III类试验）SPD
保护等级	主级（B级）	次级（C级）	终端（D级）
模拟来源	直击雷 / 部分雷电流	感应雷 / 操作过电压	剩余浪涌 / 操作过电压
测试波形	10/350 µs ($I_{imp}$)	8/20 µs ($I_n$, $I_{max}$)	复合波 (1.2/50 µs 和 8/20 µs) ($U_{oc}$)
安装位置 (LPZ)	LPZ 0B → LPZ 1	LPZ 1 → LPZ 2	LPZ 2 → 后续区域
典型应用	建筑物总配电柜进线处	楼层分配电箱	设备终端插座 / 精密设备前端
能量耐受等级	高（泄放大量能量）	中	低（提供精细钳位）

雷电防护分区图

标准雷电测试波形

2. 选择SPD的关键参数

选择$U_c$：SPD的$U_c$应不小于系统最高运行电压，并考虑电网电压波动和暂时过电压。参考下表（基于GB/T 18802.12）：

SPD连接位置	TT系统	TN-C系统	TN-S系统	IT系统（引出中性线）
相线-中性线 (L-N)	$1.15 U_0$	不适用	$1.15 U_0$	$1.15 U_0$
相线-保护线 (L-PE)	$1.15 U_0$	不适用	$1.15 U_0$	$\sqrt{3} U_0$
中性线-保护线 (N-PE)	$U_0$	不适用	$U_0$	$U_0$
相线-PEN线 (L-PEN)	不适用	$1.15 U_0$	不适用	不适用
注：$U_0$为低压系统相线对中性线的标称电压（通常为220V）。

• 选择$U_p$：SPD的电压保护水平$U_p$必须小于被保护设备的冲击耐压$U_w$。通常，应留有20%的裕量，即$U_p \le 0.8 U_w$。
• 选择放电电流：
  • I级SPD：优先选择$I_{imp}$值，依据GB 50057要求，每相$I_{imp} \ge 12.5 kA$。
  • II级SPD：优先选择$I_n$值，依据GB 50343要求，根据雷电防护等级选择，如A级$I_n \ge 80 kA$，B级$I_n \ge 60 kA$，C/D级$I_n \ge 50 kA$。

3. 选择保护模式与极数

根据电源系统的接地形式（TT、TN-C、TN-S、IT）选择SPD的保护模式和极数（P）。

• TN-S系统：推荐使用4P（3P+N）模式的SPD，即L-N、N-PE之间均有保护。
• TN-C系统：推荐使用3P模式的SPD，即L-PEN之间保护。

TN-C-S系统SPD防护示意图

• TT系统：推荐使用3P+N模式的SPD，其中N-PE之间通常采用气体放电管（GDT）以应对N-PE间的高电压，并防止工频漏电流导致SPD失效。

TT系统SPD防护示意图

• IT系统：推荐使用3P模式的SPD，连接在L-PE之间。

IT系统SPD防护示意图

4. 多级SPD的配合

在多级防护电路中，必须确保各级SPD之间的能量协调配合，避免后级SPD承受过大的能量而损坏。通常，I级和II级SPD之间需要满足一定的能量配合要求，可以通过退耦元件（如电感、电阻）或选用具有主动能量控制技术的SPD来实现。

5. 备注

• 低压系统的接地形式：
  • TT系统：电源端直接接地，电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点。

交流TT系统

• TN-C系统：电源端直接接地，整个系统中性导体和保护导体合为一根（PEN导体）。

交流TN-C系统

• TN-S系统：电源端直接接地，整个系统中性导体和保护导体是分开的。

交流TN-S系统

• TN-C-S系统：系统中有一部分线路的中性导体和保护导体是合一的。

交流TN-C-S系统

• IT系统：电源端的带电部分不接地或有一点通过阻抗接地，电气装置的外露可导电部分直接接地。

交流IT系统

• 雷电防护区（LPZ, Lightning Protection Zone）定义：
  • LPZ0A：本区内各物体可能遭受直接雷击，电磁场没有衰减。内部系统可能会受到全部或部分电涌电流和全部电磁场的影响。
  • LPZ0B：本区内各物体不可能遭受直接雷击，但电磁场没有衰减。内部系统可能会受到部分电涌电流和全部电磁场的影响。
  • LPZ1：本区内各物体不可能遭受直接雷击，电磁场有可能衰减。雷击电涌在雷电防护区交界处被分流和经SPD限压，内部系统可能会受到部分电涌电流和衰减的电磁场影响。
  • LPZ2…n：后续防雷区，电磁场有进一步的减小。

四、 降额规范

降额参数	降额要求	说明
电压（$U_c$）	系统最大持续工作电压 ≤ $U_c$的90%	确保在电网电压波动范围内，SPD不会因长期承受过高的电压而加速老化或误动作。
电流（$I_{max}$/$I_{imp}$）	预期最大浪涌电流 ≤ 标称值的80%	留有裕量，避免SPD在极限边缘工作，延长其寿命和可靠性。
环境温度	最高环境温度 ≤ $T_{max}$ – 10°C	高温会加速MOV等元件的老化，降低其通流能力和寿命。
能量耐受	根据实际浪涌波形和冲击次数降额	例如，对于频繁冲击的场合，需选择更高通流容量的型号。

以上降额规范仅供参考，具体量化指标与分级准则需依据应用场景、可靠性目标及行业特点进行差异化设计。

五、 使用注意事项

a) 电路设计与应用注意事项

1. 结电容影响：压敏电阻（MOV）的结电容较大，不宜直接用于高频信号线路的过压保护。如需用于信号线，应选用低结电容的型号（如贴片压敏电阻或TVS）。
2. 失效模式与保护：MOV最常见的失效模式是短路。为防止短路引发火灾，应串联保险丝（慢熔型）或选用集成热脱扣功能的SPD。
3. 退耦与配合：在多级防护电路中，SPD与其他防护器件（如GDT、TVS）配合时，需串联退耦元件（如电感或电阻），以确保后级动作时有足够的能量，并确保SPD先动作。
4. 引线最短化：SPD的连接线过长，其分布电感会显著影响对纳秒级快速脉冲的响应能力，导致钳位电压远高于标称值。连接线应尽量短、直。
5. 绝缘测试：进行绝缘电阻测试（DC 500V）或耐压测试（AC 1000V~1200V）时，SPD的漏电流会增加，可能导致测试失败。测试前应断开SPD或先将其拆除。
6. 极性考量：对于直流SPD，部分产品有极性要求，接线时需严格按照产品手册标示连接，以避免灭弧失败。

b) 工艺设计与安装注意事项

1. PCB布线：确保PCB上连接SPD的铜皮足够宽，以满足浪涌大电流瞬间的通流能力，防止铜箔熔断。
2. 远离热源：安装时远离发热元件（如大功率电阻、散热器），避免高温加速SPD老化。
3. 引线折弯：折弯处应距离SPD本体至少2mm，避免破坏封装或内部焊接点。
4. 焊接条件：推荐波峰焊（260°C，10秒以内）或烙铁焊（350°C，5秒以内）。不推荐使用回流焊工艺。
5. 安装扭矩：对于接线端子型SPD，必须使用力矩扳手按厂家规定扭矩拧紧，确保接触良好，防止发热。
6. 安装方向：部分SPD有安装方向要求，需参考产品手册。陶瓷密封型电源SPD通常对方向不敏感。

c) 其他注意事项

1. 存储环境：应存放在干燥、无腐蚀性气体、无阳光直射的环境中，温度范围通常为-25℃至+55℃。
2. 定期检查：每年雷雨季节前后需检查SPD状态指示是否正常，对于有遥信功能的SPD，检查其信号是否正常。
3. 更换规则：SPD损坏后，必须使用同型号、同规格的产品替换。同时应检查并排除导致SPD损坏的故障原因。
4. 禁止替代：严禁用交流熔断器或其它器件替代SPD。

六、 常见失效与对策

七、 总结与核心建议

1. 正确选型是基础：根据电路类型（AC/DC）、最高工作电压和浪涌等级，正确选择 $U_c$、$U_p$、$I_n$ 或 $I_{imp}$。
2. 布局布线是灵魂：遵循引线尽可能短、直接并接在主线上的原则，以最大程度发挥其保护作用。
3. 失效防护不可少：由于SPD失效多为短路，必须在电路中串联保险丝或选用热脱扣型SPD，以防止火灾风险。
4. 注意应用限制：因结电容较大，SPD不宜直接用于高频信号线路，应选择TVS等低电容器件。
5. 考虑重复浪涌：在频繁有浪涌冲击的场合，要选择具有重复浪涌耐久性的高规格产品。
6. 配合其他器件：在复杂系统中，应联合气体放电管、TVS等器件，组成多级、有选择的防护电路。
7. 遵守标准规范：选型和安装应严格遵循GB/T 18802系列、GB 50057、GB 50343等国家标准。
8. 重视降额与环境：高温、高海拔、频繁浪涌等恶劣环境会显著降低SPD寿命，需严格按降额曲线使用。

八、 经验案例总结

1. 案例：引线过长导致保护失效
   • 背景：某大型室外工业设备，在电源入口安装了一台标称40kA的SPD模块。
   • 问题：在进行差模浪涌试验（40kA，8/20μs）时，设备内部的后级电路（滤波器、电源等）被损坏，而SPD完好。
   • 分析：检查发现，SPD的安装引线（L1、L2）总长约0.5米。在40kA的浪涌电流冲击下，这两段引线产生约2500V的压降，远高于SPD自身1500V的残压。最终设备电源入口的总残压高达4000V，远超设备耐受能力。
   • 对策：将SPD的引线缩短至10cm以内，并采用凯文接线方式。整改后，设备电源入口的残压仅为SPD本身的残压，设备顺利通过测试。
   • 启示：引线长度是SPD安装的“隐形杀手”，必须在设计阶段就严格把控。
2. 案例：GDT单独使用导致防雷器爆炸
   • 背景：某交流电源防雷器设计中，在L-N之间使用了GDT进行差模保护。
   • 问题：在一次雷击后，该防雷器发生爆炸。
   • 分析：GDT在雷击过电压下导通，将浪涌泄放。但雷击过后，220V交流电源维持了GDT的弧光放电，产生续流，导致GDT持续导通，最终因过热而爆炸。
   • 对策：将L-N之间的保护改为压敏电阻（MOV）。对于L-PE或N-PE的共模保护，采用“MOV+GDT”串联的复合方案，利用MOV的特性在GDT导通后迅速箝位电压，切断续流。
   • 启示：必须牢记GDT在交流电源中不能单独使用的原则，其续流问题需要通过电路设计来解决。
3. 案例：多级配合不当导致末级SPD连续损坏
   • 背景：某通信基站电源入口安装了一级SPD（I级，$I_{imp}$=25kA），在后端设备的电源口安装了二级SPD（II级，$I_{max}$=40kA）。
   • 问题：雷雨季节，二级SPD频繁损坏，更换后不久再次损坏。
   • 分析：检查发现，一级SPD和二级SPD之间的线缆距离仅为2米，远小于10米的最小退耦距离。雷击时，一级SPD还未完全导通，巨大的浪涌能量就直接冲击了二级SPD，导致其被击穿损坏。
   • 对策：在两级SPD之间增加一个退耦电感，人为增加阻抗，以保证一级SPD优先导通，泄放大部分能量。同时，将二级SPD的$I_{max}$升级为更高等级。
   • 启示：多级SPD的配合是设计难点，必须保证足够的退耦距离或使用退耦元件，否则后级SPD将面临巨大的能量冲击，失去保护作用。

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参考文献：

[1]【问问ima】参考以上器件应用指导，生成低压浪涌保护器应用指… https://ima.qq.com/share/#/knowledge-base-chat/YId5JBKLO

[2]《电涌保护器选型手册-易造》

[3]《电涌保护器-setfuse》

[4]《GBT 32507-2016 电能质量 术语》

[5]《GB_T 18802.12-2024 低压电涌保护器（SPD） 第12部分：低压电源系统的电涌保护器 选择和使用导则》