浪涌保護(hù)器工作原理

1、以下是電源系統(tǒng)SPD選擇的要點(diǎn)：1、根據(jù)被保護(hù)線路制式，例如：?jiǎn)蜗?20V、三相220/380V TNC/TNS/TT等，選擇合適制式SPD2、根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐沖擊電壓水平，選擇SPD的電壓保護(hù)水平Up。一般終端設(shè)備的耐沖擊電壓1.5kV，具體可參照GB 50343-5.4。Up值小于其耐沖擊電壓即可。3、根據(jù)線路引入方式，有無 因直擊雷擊中而傳到雷電流的風(fēng)險(xiǎn)，選擇一級(jí)或者二級(jí)SPD。一級(jí)SPD是有雷電流泄放參數(shù)的10/350波形的。4、根據(jù)GB 50057-6.3.4里的分流計(jì)算，計(jì)算線路所需的泄放電流強(qiáng)度，選擇合適放電能力的SPD，需要SPD標(biāo)稱放電電流參數(shù)大于線路的分流電涌電流即可。至

2、于型號(hào)，不同廠家型號(hào)不一，沒什么參考價(jià)值。建議選擇知名品牌，現(xiàn)在防雷市場(chǎng)魚龍混雜，不要貪圖便宜而使用劣質(zhì)產(chǎn)品。浪涌保護(hù)器設(shè)計(jì)原理、特性、運(yùn)用范疇Ø設(shè)計(jì)原理在最常見的浪涌保護(hù)器中，都有一個(gè)稱為金屬氧化物變阻器（Metal Oxide Varistor，MOV）的元件，用來轉(zhuǎn)移多余的電壓。如下圖所示，MOV將火線和地線連接在一起。MOV由三部分組成：中間是一根金屬氧化物材料，由兩個(gè)半導(dǎo)體連接著電源和地線。這些半導(dǎo)體具有隨著電壓變化而改變的可變電阻。當(dāng)電壓低于某個(gè)特定值時(shí)，半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生極高的電阻。反之，當(dāng)電壓超過該特定值時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生變化，半導(dǎo)體電阻會(huì)大幅降低。如果電壓正常

3、，MOV會(huì)閑在一旁。而當(dāng)電壓過高時(shí)，MOV可以傳導(dǎo)大量電流，消除多余的電壓。隨著多余的電流經(jīng)MOV轉(zhuǎn)移到地線，火線電壓會(huì)恢復(fù)正常，從而導(dǎo)致MOV的電阻再次迅速增大。按照這種方式，MOV僅轉(zhuǎn)移電涌電流，同時(shí)允許標(biāo)準(zhǔn)電流繼續(xù)為與浪涌保護(hù)器連接的設(shè)備供電。打個(gè)比方說，MOV的作用就類似一個(gè)壓敏閥門，只有在壓力過高時(shí)才會(huì)打開。另一種常見的浪涌保護(hù)裝置是氣體放電管。這些氣體放電管的作用與MOV相同 它們將多余的電流從火線轉(zhuǎn)移到地線，通過在兩根電線之間使用惰性氣體作為導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)此功能。當(dāng)電壓處于某一特定范圍時(shí)，該氣體的組成決定了它是不良導(dǎo)體。如果電壓出現(xiàn)浪涌并超過這一范圍，電流的強(qiáng)度將足以使氣體電離，從而使

4、氣體放電管成為非常良好的導(dǎo)體。它會(huì)將電流傳導(dǎo)至地線，直到電壓恢復(fù)正常水平，隨后它又會(huì)變成不良導(dǎo)體。這兩種方法都是采用并聯(lián)電路設(shè)計(jì)多余的電壓從標(biāo)準(zhǔn)電路流入另一個(gè)電路。有幾種浪涌保護(hù)器產(chǎn)品使用串聯(lián)電路設(shè)計(jì)抑制電涌它們不是將多余的電流分流到另一條線路，而是通過降低流過火線的電量?；旧险f，這些抑制器在檢測(cè)到高電壓時(shí)會(huì)儲(chǔ)存電能，隨后再逐漸釋放它們。制造這種保護(hù)器的公司解釋說該方法可以提供更好的保護(hù)，因?yàn)樗磻?yīng)速度更快，并且不會(huì)向地線分流，但另一方面，這種分流可能會(huì)干擾建筑物的電力系統(tǒng)。抑制二極管：抑制二極管具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區(qū)，由于它具有箝位電壓低和動(dòng)作響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用作多級(jí)

5、保護(hù)電路中的最末幾級(jí)保護(hù)元件。抑制二極管在擊穿區(qū)內(nèi)的伏安特性可用下式表示：I=CU，上式中為非線性系數(shù)，對(duì)于齊納二極管=79，在雪崩二極管=57. Ø抑制二極管的技術(shù)參數(shù)主要有 ：（1）額定擊穿電壓，它是指在指定反向擊穿電流（常為lma）下的擊穿電壓，這于齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9V4.7V范圍內(nèi)，而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V200V范圍內(nèi)。 （2）最大箝位電壓：它是指管子在通過規(guī)定波形的大電流時(shí)，其兩端出現(xiàn)的最高電壓。 （3）脈沖功率：它是指在規(guī)定的電流波形（如10/1000s）下，管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積。 （4）反向變位電壓：它是指管子在反向

6、泄漏區(qū)，其兩端所能施加的最大電壓，在此電壓下管子不應(yīng)擊穿。此反向變位電壓應(yīng)明顯高于被保護(hù)電子系統(tǒng)的最高運(yùn)行電壓峰值，也即不能在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)處于弱導(dǎo)通狀態(tài)。 （5）最大泄漏電流：它是指在反向變位電壓作用下，管子中流過的最大反向電流。 （6）響應(yīng)時(shí)間：10-11us 作為輔助元件，有些浪涌保護(hù)器還配有內(nèi)置保險(xiǎn)絲。保險(xiǎn)絲是一種電阻器，當(dāng)電流低于某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，它的導(dǎo)電性能非常好。反之，當(dāng)電流超過了可接受的標(biāo)準(zhǔn)，電阻產(chǎn)生的熱量會(huì)燒斷保險(xiǎn)絲，從而切斷電路。如果MOV不能抑制電涌，過高的電流將燒斷保險(xiǎn)絲，保護(hù)連接的設(shè)備。該保險(xiǎn)絲只能使用一次，一旦燒斷就需要更換。 ØSPD前端熔斷器應(yīng)根據(jù)避雷器廠家

7、的參數(shù)安裝。 如廠家沒有規(guī)定，一般選用原則： 根據(jù)（浪涌保護(hù)器的最大保險(xiǎn)絲強(qiáng)度A）和（所接入配電線路最大供電電流B）來確定（開關(guān)或熔斷器的斷路電流C）。 確定方法： 當(dāng)：B>A時(shí) C小于等于A 當(dāng)：BA時(shí) C小于A或不安裝C 當(dāng)：B<A時(shí) C小于B或不安裝C 有些浪涌保護(hù)器具有線路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于濾除“線路噪聲”，減小電流波動(dòng)。這種基本浪涌保護(hù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。火線通過環(huán)形扼流線圈接到電源板插座上。扼流線圈只是一個(gè)用磁性材料做成的環(huán)，外面纏繞著導(dǎo)線基本的電磁鐵。火線中所流經(jīng)電流的上下波動(dòng)會(huì)給電磁鐵充電，使其發(fā)出電磁能量，從而消除電流的微小波動(dòng)。這種“經(jīng)過調(diào)節(jié)”的電流更加穩(wěn)定，可使

8、計(jì)算機(jī)（或其他電子設(shè)備）的供電電流更加平緩。 在電子設(shè)計(jì)中，浪涌主要指的是電源(只是主要指電源)剛開通的那一瞬息產(chǎn)生的強(qiáng)力脈沖,由于電路本身的非線性有可能有高于電源本身的脈沖;或者由于電源或電路中其它部分受到本身或外來尖脈沖干擾叫做浪涌。它很可能使電路在浪涌的一瞬間燒壞,如PN結(jié)電容擊穿,電阻燒斷等等。 而浪涌保護(hù)就是利用非線性元器件對(duì)高頻(浪涌)的敏感設(shè)計(jì)的保護(hù)電路,簡(jiǎn)單而常用的是并聯(lián)大小電容和串聯(lián)電感。Ø浪涌保護(hù)器（SPD）的分類 按工作原理分： （1）開關(guān)型：其工作原理是當(dāng)沒有瞬時(shí)過電壓時(shí)呈現(xiàn)為高阻抗，但一旦響應(yīng)雷電瞬時(shí)過電壓時(shí)，其阻抗就突變?yōu)榈椭担试S雷電流通過。用作此類裝置

9、時(shí)器件有：放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等。 （2）限壓型：其工作原理是當(dāng)沒有瞬時(shí)過電壓時(shí)為高阻擾，但隨電涌電流和電壓的增加其阻抗會(huì)不斷減小，其電流電壓特性為強(qiáng)烈非線性。用作此類裝置的器件有：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：與被保護(hù)的設(shè)備并聯(lián)，對(duì)雷電脈沖呈現(xiàn)為低阻抗，而對(duì)正常工作頻率呈現(xiàn)為高阻抗。 扼流型：與被保護(hù)的設(shè)備串聯(lián)，對(duì)雷電脈沖呈現(xiàn)為高阻抗，而對(duì)正常的工作頻率呈現(xiàn)為低阻抗。 用作此類裝置的器件有：扼流線圈、高通濾波器、低通濾波器、1/4波長(zhǎng)短路器等。 按用途分：（1）電源保護(hù)器：交流電源保護(hù)器、直流電源保護(hù)器、開關(guān)電源保護(hù)器等。 （2）信號(hào)

10、保護(hù)器：低頻信號(hào)保護(hù)器、高頻信號(hào)保護(hù)器、天饋保護(hù)器等。 Ø浪涌保護(hù)器及其應(yīng)用1、浪涌電壓 電路在遭雷擊和在接通、斷開電感負(fù)載或大型負(fù)載時(shí)常常會(huì)產(chǎn)生很高的操作過電壓，這種瞬時(shí)過電壓（或過電流）稱為浪涌電壓（或浪涌電流），是一種瞬變干擾：例如直流6V繼電器線圈斷開時(shí)會(huì)出現(xiàn)300V600V的浪涌電壓；接通白熾燈時(shí)會(huì)出現(xiàn)810倍額定電流的浪涌電流；當(dāng)接通大型容性負(fù)載如補(bǔ)償電容器組時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)大的浪涌電流沖擊，使得電源電壓突然降低；當(dāng)切斷空載變壓器時(shí)也會(huì)出現(xiàn)高達(dá)額定電壓810倍的操作過電壓。浪涌電壓現(xiàn)象日趨嚴(yán)重地危及自動(dòng)化設(shè)備安全工作，消除浪涌噪聲干擾、防止浪涌損害一直是關(guān)系到自動(dòng)化設(shè)備安全可

11、靠運(yùn)行的核心問題。現(xiàn)代電子設(shè)備集成化程度在不斷提高，但是它們的抗御浪涌電壓能力卻在下降。在多數(shù)情況下，浪涌電壓會(huì)損壞電路及其部件，其損壞程度與元器件的耐壓強(qiáng)度密切相關(guān)，并且與電路中可以轉(zhuǎn)換的能量相關(guān)。 為了避免浪涌電壓擊毀敏感的自動(dòng)化設(shè)備，必須使出現(xiàn)這種浪涌電壓的導(dǎo)體在非常短的時(shí)間內(nèi)同電位均衡系統(tǒng)短接（引入大地）。在其放電過程中，放電電流可以高達(dá)幾千安，與此同時(shí)，人們往往期待保護(hù)單元在放電電流很大時(shí)也能將輸出電壓限定在盡可能低的數(shù)值上。因此，空氣火花間隙、充氣式過電壓放電器、壓敏電阻、雪崩二極管、TVS（Transientvoltagesuppressor）、FLASHTRAB、VALETRA

12、B、SOCKETTRAB、MAINTRAB等元器件，是單獨(dú)或以組合電路形式被應(yīng)用到被保護(hù)電路中，因?yàn)槊總€(gè)元器件有其各自不同的特性，并且具有不同的性能：放電能力；響應(yīng)特性；滅弧性能；限壓精度。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合以及設(shè)備對(duì)浪涌電壓保護(hù)的要求，可根據(jù)各類產(chǎn)品的特性來組合出符合應(yīng)用要求的過電壓保護(hù)系統(tǒng)。 2、浪涌電壓吸收器 浪涌噪聲常用浪涌吸收器進(jìn)行抑制，常用的浪涌吸收器有：（1）氧化鋅壓敏電阻氧化鋅壓敏電阻是以氧化鋅為主體材料制成的壓敏電阻，其電壓非線性系數(shù)高，容量大、殘壓低、漏電流小、無續(xù)流、伏安特性對(duì)稱、電壓范圍寬、響應(yīng)速度快、電壓溫度系數(shù)小，且具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前廣泛使用的浪涌

13、電壓保護(hù)器件。適用于交流電源電壓的浪涌吸收、各種線圈、接點(diǎn)間浪涌電壓吸收及滅弧，三極管、晶閘管等電力電子器件的浪涌電壓保護(hù)。（2）R、C、D組合浪涌吸收器R、C、D組合浪涌吸收器比較適用于直流電路，可根據(jù)電路的特性對(duì)器件進(jìn)行不同的組合，如圖1（a）適用于高電平直流控制系統(tǒng)，而圖1（b）中采用齊納穩(wěn)壓管或雙向二極管，適用于正反向需要保護(hù)的電路。 圖1R、C、D浪涌保護(hù)器 (a)單向保護(hù)(b)雙向保護(hù) 圖2TVS電壓（電流）時(shí)間特性 （3）瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）當(dāng)TVS兩極受到反向高能量沖擊時(shí)，它能以1012s級(jí)的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達(dá)數(shù)kW的浪涌功率，使兩極的電位箝位于預(yù)定值

14、，有效地保護(hù)自動(dòng)化設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備等領(lǐng)域。TVS的特性其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。圖2是TVS的電流時(shí)間和電壓時(shí)間曲線。在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓Vbr而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP，同時(shí)在其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌

15、脈沖功率，保護(hù)電子元器件的過程。TVS與壓敏電阻的比較目前，國(guó)內(nèi)不少需要進(jìn)行浪涌保護(hù)的設(shè)備上應(yīng)用壓敏電阻較為普遍，TVS與壓敏電阻性能比較如表1所示：表1TVS與壓敏電阻的比較參數(shù) TVS 壓敏電阻 反應(yīng)速度 1012s 50×109s 是否老化 否 是 最高使用溫度 175 115 器件極性 單雙極性 單極性 反向漏電流 5A 200A 箝位因子VC/Vbr 不大于15 最大78 封閉性質(zhì) 密封 透氣 價(jià)格 較貴 便宜 3、綜合浪涌保護(hù)系統(tǒng)組合3.1三級(jí)保護(hù)自動(dòng)控制系統(tǒng)所需的浪涌保護(hù)應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行綜合考慮，針對(duì)自動(dòng)控制裝置的特性，應(yīng)用于該系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器基本上可以分為三級(jí)，對(duì)于

16、自動(dòng)控制系統(tǒng)的供電設(shè)備來說，需要雷擊電流放電器、過壓放電器以及終端設(shè)備保護(hù)器。數(shù)據(jù)通信和測(cè)控技術(shù)的接口電路，比各終端的供電系統(tǒng)電路顯然要靈敏得多，所以必須對(duì)數(shù)據(jù)接口電路進(jìn)行細(xì)保護(hù)。自動(dòng)化裝置的供電設(shè)備的第一級(jí)保護(hù)采用的是雷擊電流放電器，它們不是安裝在建筑物的進(jìn)口處，就是在總配電箱里。為保證后續(xù)設(shè)備不承受太高的殘壓，必須根據(jù)被保護(hù)范圍的性質(zhì)，在下級(jí)配電設(shè)施中安裝過電壓放電器，作為二級(jí)保護(hù)措施。第三級(jí)保護(hù)是為了保護(hù)儀器設(shè)備，采取的方法是，把過電壓放電器直接安裝在儀器的前端。自動(dòng)控制系統(tǒng)三級(jí)保護(hù)布置如圖3所示。在不同等級(jí)的放電器之間，必須遵守導(dǎo)線的最小長(zhǎng)度規(guī)定。供電系統(tǒng)中雷擊電流放電器與過壓放電器之

17、間的距離不得小于10m，過壓放電器同儀器設(shè)備保護(hù)裝置之間的導(dǎo)線距離則不應(yīng)小于5m（即一級(jí)SPD與二級(jí)SPD連接線路間距至少10米，二級(jí)SPD與三級(jí)SPD連接線路間距至少5米）。3.2三級(jí)保護(hù)器件（1）充有惰性氣體的過電壓放電器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的一級(jí)浪涌保護(hù)器件。充有惰性氣體過電壓放電器，一般構(gòu)造的這類放電器可以排放20kA（8/20s）或者2.5kA（10/350s）以內(nèi)的瞬變電流。氣體放電器的響應(yīng)時(shí)間處于ns范圍，被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程通信范疇。該器件的一個(gè)缺點(diǎn)是它的觸發(fā)特性與時(shí)間相關(guān)，其上升時(shí)間的瞬變量同觸發(fā)特性曲線在幾乎與時(shí)間軸平行的范圍里相交。因此保護(hù)電平將同氣體放電器額定電壓相

18、近。而特別快的瞬變量將同觸發(fā)曲線在十倍于氣體放電器額定電壓的工作點(diǎn)相交，也就是說，如果某個(gè)氣體放電器的最小額定電壓90V，那么線路中的殘壓可高達(dá)900V。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是可能會(huì)產(chǎn)生后續(xù)電流。在氣體放電器被觸發(fā)的情況下，尤其是在阻抗低、電壓超過24V的電路中會(huì)出現(xiàn)下列情況：即原來希望維持幾個(gè)ms的短路狀態(tài)，會(huì)因?yàn)樵摎怏w放電器繼續(xù)保持下去，由此引起的后果可能是該放電器在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)爆碎。所以在應(yīng)用氣體放電器的過電壓保護(hù)電路中應(yīng)該串聯(lián)一個(gè)熔斷器，使得這種電路中的電流很快地被中斷。 圖3放電器分布圖（2）壓敏電阻被廣泛作為系統(tǒng)中的二級(jí)保護(hù)器件，因壓敏電阻在ns時(shí)間范圍內(nèi)具有更快的響應(yīng)時(shí)間，不會(huì)產(chǎn)生后續(xù)電流的問題。在測(cè)控設(shè)備的保護(hù)電路中，壓敏電阻可用于放電電流為2.5kA5kA（8/20s）的中級(jí)保護(hù)裝置。壓敏電阻的缺點(diǎn)是老化和較高的電容問題，老化是指壓敏電阻中二極管的PN部分，在通常過載情況下，PN結(jié)會(huì)造成短路，其漏電流將因此而增大，其值的大小取決于承載的頻繁程度。其應(yīng)用于靈敏的測(cè)量電路中將造成測(cè)