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?220V、三相220/380V TNC/TNS/TT 等, 選擇合適制式SPD 2、 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值小丁其耐沖擊電 壓即可。 3、 根據(jù)線路引入方式，有無(wú) 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

2、參數(shù)大丁線路的分流電涌電流即 可。 至丁型號(hào)，不同廠家型號(hào)不一，沒(méi)什么參考價(jià)值。建議選擇知名品牌，現(xiàn)在防富 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 -1 設(shè)計(jì)原理 在最常見(jiàn)的浪涌保護(hù)器中，都有一個(gè)稱為金屆氧化物變阻器( Metal Oxide Varistor, MOV)的元件，用來(lái)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：中間是一根金屆氧化物材料，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)電壓低丁某個(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(guò)該特定值

3、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， MOV會(huì)閑在一旁。而當(dāng) 電壓過(guò)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(shuō)，MOV的作用就類似一個(gè)壓敏閥門，只有在壓力 過(guò)高時(shí)才會(huì)打開(kāi)。 另一種常見(jiàn)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(guò)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)電壓處丁某一特定范圍時(shí)，該氣體的組成決定

4、了它是不良 導(dǎo)體。如果電壓出現(xiàn)浪涌并超過(guò)這一范圍， 電流的強(qiáng)度將足以使氣體電離， 從而 使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，隨后它乂會(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) 一一多余的電壓從標(biāo)準(zhǔn)電路流入另一個(gè)電路。 有幾種浪涌保護(hù)器產(chǎn)品使用申聯(lián)電路設(shè)計(jì)抑制電涌 一一它們不是將多余的電流 分流到另一條線路，而是通過(guò)降低流過(guò)火線的電量。 基本上說(shuō)，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(shuō) 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)

5、。 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)，由丁它具 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)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=CUa,上式中a為 非線性系數(shù)，對(duì)丁齊納二極管 0=7 9,在雪崩二極管a =砂7. 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， 這丁齊納二極管額定擊穿電壓一般在 2.9V 4.7V范圍內(nèi)，而雪崩二極管的額定 擊穿電壓常在5.6V 200V范圍內(nèi)。 （2） 最大箝位電壓：它是指管子在通過(guò)規(guī)定波形的大電流時(shí)，其兩端出現(xiàn) 的最高電壓。

6、 （3） 脈沖功率：它是指在規(guī)定的電流波形（如 10/1000 9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)明顯高丁被保護(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)處丁弱導(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(guò)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 流低丁某個(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(guò)了可接受的標(biāo)準(zhǔn)， 電阻產(chǎn)生的熱量會(huì)燒斷保

7、險(xiǎn)絲，從而切斷電路。如果 MOV不能抑制電涌，過(guò)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。 -1 SPD前端熔斷器應(yīng)根據(jù)避富器廠家的參數(shù)安裝。 如廠家沒(méi)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(lái)確定（開(kāi)關(guān)或熔斷器的斷路電流 C）。 確定方法： 當(dāng)：BA時(shí)C小丁等丁 A 當(dāng)：B = A時(shí)C小丁 A或不安裝C 當(dāng)：BA時(shí)C小丁 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)，用丁濾除 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?；鹁€通過(guò)環(huán)形扼流線圈接到電源板插座 上。扼流線圈只

8、是一個(gè)用磁性材料做成的環(huán)，外面纏繞著導(dǎo)線一一基本的電磁鐵。 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(guò)調(diào)節(jié)”的電流更加穩(wěn)定，可使計(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(kāi)通的那一瞬息產(chǎn)生的 強(qiáng)力脈沖，由丁電路本身的非線性有可能有高丁電源本身的脈沖 ；或者由丁電源或 電路中其它部分受到本身或外來(lái)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)大小電容和申聯(lián)電

9、小0 - 浪涌保護(hù)器(SPD)的分類 按工作原理分： (1) 開(kāi)關(guān)型：其工作原理是當(dāng)沒(méi)有瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)呈現(xiàn)為高阻抗，但一旦響應(yīng)$ 電瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)，其阻抗就突變?yōu)榈椭担试S雷電流通過(guò)。用作此類裝置時(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(méi)有瞬時(shí)過(guò)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)備申聯(lián)，對(duì)雷電脈沖呈現(xiàn)為高阻抗

10、，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(kāi)關(guān)電源保護(hù)器等。 (2) 信號(hào)保護(hù)器：低頻信號(hào)保護(hù)器、周頻信號(hào)保護(hù)器、天饋保護(hù)器等。 - 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(kāi)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(guò)電壓，這種瞬時(shí)過(guò)電壓(或過(guò)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(kāi)時(shí)會(huì)出現(xiàn) 300V 600V的浪涌電壓；接通 白熾燈時(shí)會(huì)出現(xiàn)8 10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

11、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 8 10倍的操作過(guò)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)備安全可靠運(yùn)行的核心問(wèn)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 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(guò)程中，放電電 流可以高達(dá)幾千安，與

12、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(guò)電壓放電器、 壓敏電阻、雪崩二極管、 TVS (Transientvoltagesuppressor )、FLASHTRAB、 VALETRAB、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(lái)組合出符合應(yīng)用要求的過(guò) 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

13、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(wú)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

14、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10 12s級(jí)的速度，將其兩極問(wèn)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，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0 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 的電流一時(shí)間和電壓一時(shí)間曲

15、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(guò)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)的浪涌脈沖功率，保 護(hù)電子元器件的過(guò)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 10 12s 50 X10 9s 是否老化

16、否 是 最高使用溫度 175 C 115 C 器件極性 單雙極性 單極性 反向漏電流 5 A 200 A 箝位因子VC/Vbr 不大于1 最大7 8 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)于自動(dòng)控制系統(tǒng)的 供電設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要雷擊電流放電器、過(guò)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

17、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(guò)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(guò)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 問(wèn)，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(guò)壓放電器之 間的距離不得小于10m,過(guò)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

18、 (1)充有惰性氣體的過(guò)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(guò)電壓放電器，一般構(gòu)造的這類放電器可以排放 20kA (8/209或者2.5kA (10/350 vs)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(shuō)，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(guò) 24V的電路中會(huì)出現(xiàn)下列情況：即原來(lái)希望維持幾