模块化防雷器和一体化防雷器的比较

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1、模块化防雷器和一体化防雷器的区别前言目前市场上的防雷器基本分为两大类：模块化防雷器和一体化防雷器，由于两种防雷器 工作原理相同，连接方式也基本一致，虽然性能、价格上有很大差异，但用户很难凭借厂家 的简单介绍分辨出哪一种是模块化的，哪一种又是一体化的，更加不知道哪一种防雷器最适 合自己。本文从防雷器工作原理着手，从外观、结构、性能等多个方面，详细论述了两种防雷器 之间的区别所在，希望能对用户在对防雷器做产品选型时有所帮助。防雷器的工作原理目前市场上基本所有防雷器都属于短路型防雷器，模块化防雷器和一体化防雷器也不例 外。短路型防雷器的工作原理如下图所示，防雷器一端并联在被保护线路上，另一端接地，

2、正常状态下，防雷器对地保持开路状态，当雷电电压超过防雷器的启动电压时，防雷器开始 放电，也就相当防雷器对地短路（工程意义上的短路），雷电流通过防雷器泄入大地，故名 短路型防雷器。短路型防雷器的工作原理，我们通常称之为“分流”，分流的过程类似于我们在防洪时 经常采用的“分洪”措施，只不过一个分的是雷电流，另一个分的是水流。众所周知，“分 洪”可以有效地降低下游水位，但不能完全消除下游的高水位，同样的道理，短路型防雷器 的“分流”也只能降低而不能完全消除被保护线路上的雷电流。如图 1.2 所示，当雷电流通 过被保护线路时，绝大部分的雷电流（优质的防雷器可以分走 90%以上）会通过防雷器泄 入大地，

3、但少量残余雷电流仍然会到达被保护设备。防雷器分走的电流越多，说明防雷器导 通后的阻抗越低（防雷器的内阻），残压也越低（在同一工作电压下对比）。由此，我们可以得出结论，不管是模块化防雷器还是一体化防雷器，只要是基于“分流” 原理的短路型防雷器都不能完全消除雷电流对被保护设备的影响，都会存在一定的“雷电流” 进入后端设备，“该电流”越小，即防雷器的残压越低，被保护设备也就越安全。换一句话说，“残压”的高低，就是衡量防雷器性能的关键性指标。常用的防雷元器件从上面的介绍，我们可以总结出短路型防雷器的一些共性：1、正常状态下，防雷器保持开路状态；2、当被保护线路上出现雷电流时（也就是产生过电压时），防雷

4、器瞬间对地短路；3、当被保护线路上的雷电流消失后（也就是过电压消失后），防雷器恢复为开路状态； 根据这三条共性，我们设想一下最理想的短路型防雷器是什么样子的：首先，在正常状 态下，防雷器保持绝对开路，也就是对地绝缘；其次，当雷电流出现时，立即对地短路，这 个响应时间要越短越好，并且短路状态下，防雷器的内阻要越小越好，因为防雷器内阻越低， 通过“分流”泄入大地的雷电流也就越多，“残压”也相应会越低，被保护设备才会更安全； 最后，当雷电流消失后，防雷器要立即恢复为开路状态，避免对正常工作电压造成影响。上面描述的是最理想的短路型防雷器的工作过程，那么我们实际使用的防雷器又有什么样的性能呢？市场上的防

5、雷器种类繁多、林林总总，但归根结底，它们都是由几种基本的防雷元器件所构成的，分别是：氧化锌压敏电阻（MOV）、气体放电管（GDT）、瞬变抑制二 极管（TVS），我们现在就来看看这几种基本防雷元器件的性能（见表格1）。理想防雷器氧化锌压敏电阻（MOV）气体放电管（GDT）瞬变抑制二极管（TVS）残压（V）低高高低响应时间（ns）快较快慢快泄流量（kA）大大（上百kA）大（上百kA）非常小（小于1kA）绝缘性能好一般好好极间分布电容小大小较小其它问题无有漏流、易自爆（绝缘能力较差）有续流（雷电流消 失后，不能立即恢复开路状态）无表格 1 三种基本防雷元器件的性能比较从上面的表格，我们可以得出结论，

6、目前广泛使用的三种基本防雷元器件都不能达到理 想的防雷效果，尤其是“残压”这一项最关键的指标，唯一能够达到低残压要求的瞬变抑制 二极管，其泄流能力不到1kA,相对于几十、上百kA的雷电流，根本不能单独使用，而其 它两种元器件残压都偏高，不能满足目前电子设备越来越高的防雷需求。解决之道既然目前广泛使用的三种基本防雷元器件都存在这样那样的先天不足，短时间内也不可 能出现新的元器件来解决这个问题，那么我们就必须寻找解决之道。实际上，模块化和一体 化这两类防雷器的产生，就是各厂家在解决这个问题时在不同方向上进行努力的成果。模块化防雷器解决这个问题的思路是，在三种基本防雷元器件中选择综合性能较好的氧 化

7、锌压敏电阻（MOV），然后采取一些针对性的手段，来弥补氧化锌压敏电阻的性能不足， 以达到较为优良的整体性能。从表格 1 我们可以看出，氧化锌压敏电阻的问题在于残压高、绝缘性能较差（绝缘性能 差会导致MOV上有漏电流通过，使得MOV加速老化，严重时还会导致MOV自爆）。首先， 使用多级放电的工作模式来解决残压高的问题（图 2），一级放电不能将残压降低到设备可 以容忍的范围，那就两级，两级不够就三级，一步一步地将残压逐渐降低，直到能够满足被 保护设备的要求为止；其次，针对MOV绝缘性能差、有漏电流易老化自爆的问题，整个防 雷器采用模块化结构，每一个MOV就是一个单独的防雷模块，单个模块与其它模块之

8、间没 有任何联系，老化或者损坏后可以非常方便的予以更换，并且采用防爆外壳，防止MOV自 爆时产生安全事故。第 一级 第二级 第三级图 2 多级放电的工作模式一直以来，很多人都认为，是模块化防雷器选择了 MOV作为自己的核心元器件，其实 事实正好相反，是MOV这种防雷元器件出现之后，为了达到更好的防雷效果，才有了模块 化这种组成结构和多级放电这种工作方式。值得注意的是，以MOV为核心的模块化防雷器并没有解决根本性问题，多级放电只能 缓解MOV残压高的缺点，模块化这种形式也只能在MOV损坏后方便其更换，MOV残压 高、易老化的本质还是没有变，可以说，模块化防雷器这种解决方案只能治标不能治本。我们再

9、来看一体化防雷器的解决之道，从表格1 可以看出，虽然三种基本的防雷元器件 综合来看，都有一些无法回避的缺点，但是反过来，三种防雷元器件也都有自己表现优异的 地方，比如：MOV泄流量大、GDT绝缘性能好、TVS响应时间快、残压低。一体化防雷器 的根本思路就是，将三种基本防雷元器件整合在一起，扬长避短，以取得最理想的防雷效果。为了能够实现这种根本性的改变，一体化防雷器抛弃了模块化防雷器以单一防雷元器件 为核心的结构，采用具有独特设计的分流电路，让不同的防雷元器件在雷电流的不同阶段发 挥作用，以TVS响应快、残压低的特性，对雷电流做第一步的钳制，然后让MOV发挥泄 流量大的优点，最后用GDT来弥补M

10、OV绝缘性能差的缺陷，使得整个一体化防雷器在各 方面都能表现出最优异的性能。两种防雷器的区别所在一体化防雷器和模块化防雷器在外观和结构上有很大区别，但是由于市场上对一体化防 雷器的性能质量越来越认可，某些模块化防雷器厂家在外观上竭力模仿一体化防雷器，并且将防雷器外壳做成不可开启的，以达到鱼目混珠的目的，所以现在仅仅依靠防雷器的外观和 结构并不足以区分两种类型的防雷器。前面我们提到，两种类型的防雷器在性能上存在很大差异，因此，要想有效的区别两种 防雷器，还是要从性能指标上着手。防雷器最重要的性能当数“残压”，总所周知，安装防雷器就是为了降低线路上的过电 压，不管是模块化防雷器还是一体化防雷器，标

11、示出防雷器降压能力的“残压”指标都是最 关键性的参数。除“残压”以外，防雷器的保护模式、脱扣装置等等，也是防雷器能否有效 实现其保护功能的重要性能指标，下面我们对两种类型的防雷器就这三个方面一一作出比 较。区别之一：残压在比较残压的之前，我们首先要弄清楚两件事情，首先残压是一个变化的值，它与通过 防雷器的电流大小成正比，防雷器所标示出来的残压，都是在某一个固定测试标准下测出的 平均值，这样的测试标准有很多，同一个防雷器在不同的测试标准下，其残压值是有很大区 别的，所以在比较两个防雷器的残压之前，首先要确定它们的残压值是在同一个测试标准下 得出的，这样的比较才有意义；其次残压的大小与防雷器的启动

12、电压成正比，启动电压越高，残压相对越高，反之亦然， 综合来说，启动电压和残压的比例越接近于 1，其综合性能越好。我们来看看在同样的测试标准下，模块化防雷器和一体化防雷器的残压值（ 3KA 短路 电流、6KV开路线呀、8/20M测试波形）。这里我们并没有选用某一个品牌的一体化防雷器，而直接选择了几家国际知名品牌的防雷元器件（MOV、GDT）,实际上，这是因为模块化防雷 器就是MOV、GDT等基本防雷元器件简单叠加，其性能指标是一致的。启动电压残压MOV （西门子）530V1380VGDT (WPI)530V1450V一体化防雷器（V OLE）530V600V表格 2 相同启动电压下模块化防雷器与

13、一体化防雷器的残压比较从表格2中，我们可以看出，不管是MOV或者GDT,在同样的测试环境下，其残压都要远远高于一体化防雷器，由MOV、GDT等基本防雷元器件简单叠加组成的模块化防雷 器，其残压值也是远远高于一体化防雷器。从表格中我们还可以看出，MOV、GDT这些基本防雷元器件，其启动电压和残压的比 例高达 2-3，而一体化防雷器则是 1.1。由于启动电压永远都是小于残压的，所以两者的比 例在理论上的最优值为1，一体化防雷器所达到的1.1的比例，已经相当接近于理论最优值， 这也是一体化防雷器在残压这项性能上远远优于模块化防雷器的最佳证据。综上所述，在试图以残压作为依据区分一体化防雷器和模块化防雷

14、器的时候，我们分两 种情况进行比较。当测试环境为（3KA短路电流、6KV开路线呀、8/20M测试波形）时， 残压高于 700V 则可以肯定其不是一体化防雷器；在测试环境不明的情况下，则看残压与启 动电压的比例，如果这个比例值大于 2，那么也可以断定其不是一体化防雷器。区别之二：保护模式防雷器的作用是防止线路上的过电压损坏设备，线路过压有两种形式纵向过压和横向过压，纵向过压指得是相线对地线（L-PE）、相线对中线（N-PE）的过压，横向过压指的是相线对中线（L-N）的过压。依此类推，对于纵向过压的保护，我们称为纵向保护，图 3 防雷器的保护模式如上图所示，SPD1实现相线对中线（L-N）的过电压

15、保护，也就是横向保护，SPD2和 SPD3分别实现了相线对地线（L-PE）、中线对地线（N-PE）的过电压保护，也就是纵向保 护。所有的三个防雷器加起来，则是完整的过电压保护模式，也就是所谓的全保护模式。模块化防雷器每一路保护都是一个单独的防雷模块实现，比如上图所示的单相供电系 统，模块化防雷器要实现纵向保护需要2个防雷模块，实现全保护则需要3个模块，成本增加 50% 。假如是三相供电系统，模块化防雷器实现纵向保护需要 4 个防雷模块，实现全保 护则需要 7 个防雷模块，成本增加 75%。相对于模块化防雷器在实现全保护功能时，其成本的显著增加，一体化防雷体有着显著 优势。一体化防雷器所独有的多路放电结构，使其可以在增加少量成本的情况下，利用线路 复用的原理，在纵向保护的基础上增加横向保护功能。正是因为这种成本上的显著差异，市面上基本所有的一体化防雷器都具备全保护功能， 而绝大多数的模块化产品只具备纵向保护，缺少横向保护。因此，这一点也可以作为区分一 体化防雷器和模块化防雷器的一个方法。区别之三：脱扣装置前面提到过，现在我们所使用的电源防雷器基本都是并联型防雷器，防雷器一端与被保 护线路并联，另一端接地。在正常情况下，防雷器应该保持对地开路，但一旦防雷器发生故 障，就有可能对地短路，造成线路失压、电打火等等事故。所