電浪涌的幾類特性及預(yù)防

1、電浪涌的幾類特性及預(yù)防國家廣電總局 751電臺工程師 胡志華 前言:由于無線廣播發(fā)射臺是各種大型電力設(shè)備(高壓變壓器,電動機(jī),水泵重型發(fā)射機(jī)負(fù)載),以及各種電器設(shè)備的集中使用單位.在設(shè)備運(yùn)行當(dāng)中難免會遇到一個電力負(fù)擔(dān)影響的現(xiàn)象,即電力瞬態(tài)浪涌現(xiàn)象.這種現(xiàn)象會給我們的電力設(shè)備正常運(yùn)行造成較嚴(yán)重的影響及破壞,因此，在此我把它作為一個課題提出加以分析研究,使我們在今后的工作中重視并面對這種現(xiàn)象加以克服,我們認(rèn)為對保證設(shè)備的更良好運(yùn)行是有必要的.關(guān)鍵詞:浪涌 瞬態(tài)高壓 壓敏電阻 氣體放電管 泄流 鉗位電壓預(yù)防正文: 以下是浪涌的原因及用于吸收瞬間浪涌這種“電污染”的幾類抗瞬態(tài)浪涌抑制器的工作原理、性能

2、和在電路中的應(yīng)用的比較。一 浪涌的原因: 電的瞬間浪涌作為一種電力現(xiàn)象,人們已經(jīng)早有認(rèn)識,人們在各部分的防浪涌也做了些努力,但在我們無線發(fā)射電臺內(nèi)如何把預(yù)防浪涌現(xiàn)象做為一個系統(tǒng)專項工程來做還少,我們?nèi)员匾谶@方面做出研討,在本篇討論就浪涌的成因、危害、各防浪涌器件性能進(jìn)行比較分析。在電臺電力運(yùn)行中如何把局部浪涌與系統(tǒng)預(yù)防相結(jié)合,電器設(shè)備的發(fā)展對防浪涌的更高要求等幾部分做些闡述。1.高壓浪涌:持續(xù)期短至微妙的高壓尖峰脈沖電波浪涌成因一般有自然因素引起的及電力,電器設(shè)備運(yùn)行引起的兩大類: (1).自然因素主要是由于自然界的雷電現(xiàn)象引起,在供電系統(tǒng)中打在電網(wǎng)的直擊雷或感應(yīng)雷頭國感應(yīng)方式偶合到電子設(shè)備

3、的電源線,控制訊號線及通信上.由于雷電的高壓強(qiáng)能量及快速會使線路中沖擊電流高達(dá)200300KA,脈寬0.10.2ms,這種高壓尖峰脈沖持續(xù)約有12秒.(2).運(yùn)行引起的因素:高壓線路的短路故障,高壓變壓器的投入或切除,大型電動機(jī)及水泵的啟,停,電焊機(jī)的運(yùn)行,補(bǔ)償調(diào)整電容系統(tǒng)中的調(diào)節(jié),重載可控硅負(fù)載的運(yùn)行等,這些供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的工作浪涌中擊電流也可高達(dá)100KA數(shù)量級,峰值電壓最高可達(dá)6000V.(3).再有就是產(chǎn)生于內(nèi)部末端負(fù)載間的瞬間浪涌:如激光打印機(jī)開啟,靜電放電,繼電器,開關(guān),電磁閘,變頻調(diào)速器引起的線路間干擾,末端負(fù)載過流短路故障甚至復(fù)印機(jī)的運(yùn)行等這些引起的工作浪涌電壓峰值也高達(dá)500

4、0V,沖擊電流有幾百安培數(shù)量級.二 瞬態(tài)浪涌電流,電壓的危害:根據(jù)浪涌可能對用戶負(fù)載產(chǎn)生的危害,IEEE國際標(biāo)準(zhǔn)一般分為三級:1.浪涌電壓的峰值達(dá)到20KV數(shù)量級以上.會對設(shè)備立即造成危害性不可恢復(fù)的直接經(jīng)濟(jì)損失.整個體統(tǒng)停頓,通信中斷等間接經(jīng)濟(jì)損失2.浪涌電壓處于1.2KV2.1KV數(shù)量級造成使用設(shè)備中的某些部件損壞或致使性能提前老化電子設(shè)備的線路板及元件燒毀3.浪涌電壓達(dá)到700800V數(shù)量級的浪涌過頻出現(xiàn)傳輸或存儲的信號或數(shù)值,代碼錯亂或丟失服務(wù)器或電腦死機(jī)圖1.浪涌波形圖紙三、預(yù)防浪涌器件性能比較：半導(dǎo)體瞬態(tài)電壓抑制器由于其響應(yīng)時間短,箝位電壓易控制,體積小等特點,逐漸應(yīng)用于各種系統(tǒng)中

5、,另外,還有一些其它類型的防浪涌器件:如半導(dǎo)體氣體放電管,這類放電管在原理及結(jié)構(gòu)上有所在所不同,它利用半導(dǎo)體負(fù)阻快速觸發(fā),氣體放電管泄流大的特點,成為一種新型的防雷 防浪涌器件.1以下列一個以比較各各防浪涌器件性能:防浪涌器件比較項目壓敏電阻氣體放電管半導(dǎo)體TVS管半導(dǎo)體放電管響應(yīng)時間10-9s10-6s10-12s20100ns瞬態(tài)功率數(shù)千瓦（大）幾千瓦幾百瓦小鉗位電壓不易控制不易控制易控制易控制漏電流10-910-610-910-9擊穿電壓偏差+10%Vbr+20%Vbr+5%Vbr+5%Vbr寄生電容幾百幾千pF幾pF幾十pF=2pF 表（1）2.我們還可以從幾類器件的V-1特性來進(jìn)一步

6、比較。如圖2所示： 圖2壓敏電阻的V-I特性曲線 （1）.當(dāng)外加電壓超過擊穿電壓（Vds）時，電流逐漸增大，開始通過可變電阻泄流，自身的功耗較大，體內(nèi)易產(chǎn)生熱累積，使之性能變壞。 （2）.氣體放電的管V-I特性與上圖的壓敏電阻相似，當(dāng)外加電壓超過Vds，電流逐漸增大，開始通過氣體放電成為熱能，光能泄流，能量轉(zhuǎn)換效率高，但體內(nèi)易積累熱能使之性能變壞。圖3TVS二極管V-I曲線（3）.半導(dǎo)體氣體放電管的V-I特性在外加電壓超過Vds時，呈負(fù)阻狀態(tài)電流快速增大，開始通過放電管放電以光能、熱能泄流，但體內(nèi)也易積累熱能，使性能變壞。（4）.半導(dǎo)體TVS二極管的V-I特性如上圖（3）所示。在瞬態(tài)電壓的作用

7、下，超過擊穿電壓，通過PN結(jié)雪崩效應(yīng)泄流。（5）.如圖(4)所示,對可控硅組件來說,當(dāng)外加電壓超過擊穿電壓(Vs)時,呈負(fù)載狀態(tài),此時端電壓降只有1.5V左右,浪涌電流通過PN結(jié)雪崩快速泄流,使用壽命較長.圖4可控硅組件的V-I曲線3.再從擊穿電壓型器件與導(dǎo)體負(fù)阻器件的電壓,電流泄放波形比較:比較圖形如下:從圖(5)的波形圖分析可以看出,具體負(fù)阻特性的半導(dǎo)體放電器比較擊穿電壓型的殘壓低,電流泄放快速,能充分地抑制陡峭的雷擊脈沖.4.我們再從一個比較重要的參數(shù)既器件的開啟速度來比較他們的性能:從圖(6)可看出壓敏電阻,陶瓷氣體放電管的開啟電壓均隨dv/dt的升高而增大,而半導(dǎo)體電器件都卻相反,這

8、是很有利于吸收尖峰浪涌的.總之,從以上器件的幾方面的性能比較,我們可以知道半導(dǎo)體放電器件在響應(yīng)速度、鉗位電壓等方面有一定的優(yōu)勢.四、局部防浪涌與系統(tǒng)防涌：一 局部防涌是指針對具體的電器設(shè)備如衛(wèi)星接收機(jī)，音頻放大器，發(fā)射機(jī)的整流濾波電路以及重載可控硅負(fù)載、變頻調(diào)速器以及光打印機(jī)等等，為保證其設(shè)備本身或設(shè)備對其他電路設(shè)備的安全而分別采取相適應(yīng)的器件和接入方式接入浪涌吸收。比如在衛(wèi)星下行站，我們對比較脆弱和重要的衛(wèi)星接收系統(tǒng)（含衛(wèi)星接收機(jī)，解調(diào)器，音頻放大器等）通常為穩(wěn)定它們的輸入電壓是在其輸入電路前端設(shè)置一個30100KVA的機(jī)械式穩(wěn)壓器，但如果遇到瞬態(tài)高壓尖峰浪涌電流串入電路比如雷擊，穩(wěn)壓器就會

9、來不及反應(yīng)或不能承擔(dān)瞬間高壓致使設(shè)備的電源部分被損壞。我們電臺前幾年就有在雷季被雷擊，雷電串入衛(wèi)星地面站，其高壓浪涌串入衛(wèi)星接收系統(tǒng)，造成前端設(shè)備如LNB（高頻頭），有源功率分配器，衛(wèi)星接收機(jī)等設(shè)備的內(nèi)部元件嚴(yán)重?fù)p壞，致使造成經(jīng)濟(jì)上的損失同時也給正常播音產(chǎn)生了影響，事后分析這種雷擊浪涌的串入有兩種途徑，一是從衛(wèi)星接收天線偶合感應(yīng)到設(shè)備所使用的電源電路，所以我設(shè)計的一個方案是：在天線附近合理地埋設(shè)避雷設(shè)施：如圖（7）所示：(1).一般避雷針的保護(hù)區(qū)是在其下4560度傘形區(qū)內(nèi)一定要使天線處于保護(hù)傘內(nèi)同時要注意天線與避雷針的距離應(yīng)該大于5米，因為避雷針及下引線受雷電感應(yīng)能擊穿2米3米的空氣（2）.同

10、時也要求天線底座的接地電阻要小于4，這樣就可以讓雷電泄放到大地，再者我們可以在配電盤后穩(wěn)壓器前接一個防浪涌器件，當(dāng)然要選擇抑制能力大一般要到100KA的浪涌抑制器，并且開啟時間要小于0.5ns。 同時我們要注意電源部分的防雷除要在電源內(nèi)加入防浪涌器件外，還要求必須做到接地良好，包括外殼部分，電源地線，當(dāng)然在使用防浪涌期間前為提高可靠性我們可以預(yù)先做耐沖擊實驗，這樣便可有效可靠的減少設(shè)備受到雷擊的可能性。五、系統(tǒng)防涌：以上只是提到局部防浪涌方案，而針對整個大系統(tǒng)，如果能把各局部防涌分別級聯(lián)并放大到大系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，對于整個系統(tǒng)可能產(chǎn)生浪涌的節(jié)點進(jìn)行使用防涌措施，合理安排，統(tǒng)籌兼顧，定會為整個

11、系統(tǒng)的防涌工作做到“無微不至”，使整個系統(tǒng)的電力，電器平穩(wěn)運(yùn)行，不再受到難以對付的“隱形殺手”電波瞬間浪涌的折磨，更好的開展工作，為提高整個系統(tǒng)的可靠性做出貢獻(xiàn)。以下是ACV系列-并聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌和S系列-并聯(lián)型瞬態(tài)抗浪涌抑制器及F系列-串聯(lián)型敏感跟蹤電流濾波器的工作原理及各自的型號參數(shù)，可選擇使用。1 ACV系列及S系列：如圖<8>所示：（1）.在正常情況下，電流經(jīng)線路供給負(fù)載，而抑制器處于高阻斷狀態(tài)。當(dāng)有浪涌出現(xiàn)時，對其超過鉗位電平的部分尖脈沖幅值予以短路，導(dǎo)通時間為納秒（ns）級。鉗位電壓值為一般電子設(shè)備可承受最大瞬間電壓，當(dāng)浪涌被吸收后，抑制器重新處于高阻斷狀態(tài)。（2）.在

12、工作過程中相線-相線，相線-中線，相線-地線，中線-地線都具有浪涌抑制模塊全方位保護(hù)。（3）.S系列大型瞬態(tài)抗浪涌抑制器有100KA400KA抑制能力，ACV系列小型瞬態(tài)抗浪涌抑制器有40KA80KA抑制能力供我們選擇。2.F系列靈敏電流濾波器（1）工作原理如圖（10）所示： 采用低通串聯(lián)混合技術(shù)，有并聯(lián)的抑制模塊和串聯(lián)的環(huán)濾波器（電感）及正弦波跟蹤電路。經(jīng)并聯(lián)的高壓浪涌電流抑制部分吸收大于鉗位電平的高壓浪涌，窗簾的低通濾波器用于消除出現(xiàn)于相線和中線之間的高頻差摸干擾，輸出給負(fù)載平滑的正弦波。（2）瞬態(tài)浪涌抑制電流有100KA400KA的抑制力，負(fù)載電流從30A到4000A。3 以上系列產(chǎn)品有

13、快速的響應(yīng)時間（可達(dá)0.5ms），響應(yīng)時間是指尖峰浪涌電壓抑制到鉗位電壓的時間，時間越短，通過負(fù)載的高電壓越小。如圖（11）所示：了解了器件的特性我們可以把它們用于一個系統(tǒng)防高壓浪涌，實際上能起到良好的浪涌吸收作用。以上依據(jù)浪涌抑制器各自的抗浪涌能力、響應(yīng)時間、負(fù)載能力等分別合理選用。可以在設(shè)備運(yùn)行中各種因素引起的高壓瞬態(tài)浪涌及各種環(huán)波干擾大量被吸收、泄放，讓浪涌殘波盡量減少，使各自系統(tǒng)能平穩(wěn)工作，為整個電力運(yùn)行系統(tǒng)安全優(yōu)良的運(yùn)行消除隱形因素。當(dāng)然，針對不同的工作環(huán)境還有許多不同的方案，我們只要有這方面的知識和意識就能“量體裁衣”。六、 設(shè)備器件的改進(jìn)對抗浪涌器件的更高要求：盡管我們有許多防浪

14、涌器件去選擇和運(yùn)用，但在實際應(yīng)用中，針對一些具體的工作，有防浪涌器件還是很難滿足我們的要求（比如對射頻放大器件的保護(hù)）在運(yùn)用過程中會對部分組件造成損壞（如殘壓高，響應(yīng)時間不夠短等）實際應(yīng)用比較的結(jié)果是：可控硅組件為目前較有效的方案?？煽毓杞M件工作原理，如圖（13）所示：該組件主要有兩個可控硅和一個電子撬桿組成。電壓達(dá)到開啟電壓時，電子撬桿由高阻態(tài)變到低阻態(tài)，達(dá)到導(dǎo)通為止，此時，可控硅動作，將浪涌脈沖泄放。但是，隨著通信設(shè)備的高集成化，對異常電壓非常敏感的器件被大量采用，對具有高可靠性的過壓沖擊保護(hù)器的需求多了，而防浪涌的措施也將隨之不斷改進(jìn)。七、結(jié)束語:由以上對尖峰浪涌電壓的產(chǎn)生和危害分析可知，此類浪涌電壓隨時也可能產(chǎn)生和危害發(fā)射機(jī)系統(tǒng)，