第6章瞬態(tài)騷擾抑制

1、6.1 電網(wǎng)中的傳導(dǎo)騷擾電網(wǎng)中的傳導(dǎo)騷擾第第6 6章章 瞬態(tài)騷擾抑制瞬態(tài)騷擾抑制 電網(wǎng)和電路中經(jīng)常出現(xiàn)一些瞬態(tài)騷擾，如開關(guān)操作、雷擊浪涌、靜電放電等，采用時(shí)域方法描述比較方便。 電網(wǎng)中存在各種傳導(dǎo)騷擾，主要有電源中斷、頻率偏移、電壓跌落、浪涌，電壓噪聲、諧波、瞬變等。 對于這些騷擾，依嚴(yán)重程度可采取不同的方法加以抑制，且大體可利用專用供電線路、不間斷電源、穩(wěn)壓電源、隔離變壓器、電源濾波器、瞬態(tài)騷擾抑制電路等。 IBM公司在1974年對計(jì)算機(jī)故障的一項(xiàng)研究表明，在電源干擾的統(tǒng)計(jì)分析中，振蕩瞬變占49%，脈沖干擾占39.5%，這兩項(xiàng)是電源干擾的主要原因，其他的還有電壓跌落占11.5%，電源中斷占0

2、.5%。 電網(wǎng)中的開關(guān)操作、負(fù)載切換及各種故障都會使電網(wǎng)發(fā)生瞬變過程，產(chǎn)生各種瞬變電壓，對于持續(xù)時(shí)間大于8.4ms的瞬變電壓，人們通常將其稱為浪涌。 6.2 開關(guān)操作騷擾及其抑制開關(guān)操作騷擾及其抑制6.2.1 開關(guān)斷開過程中瞬態(tài)騷擾的形成開關(guān)斷開過程中瞬態(tài)騷擾的形成 開關(guān)的觸點(diǎn)在斷開和閉合過程斷開和閉合過程中會產(chǎn)生電弧，在電路和空間中產(chǎn)生電磁騷擾，并對接到同一電網(wǎng)中或附近的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。 開關(guān)斷開瞬間，負(fù)載電感中的電流不能突變，電感中儲存的磁場能量轉(zhuǎn)化為電能對分布電容進(jìn)行充電，并以電場能量的形式儲存到電容中。 負(fù)載兩端的電壓峰值達(dá)到，然后，電容又在回路中放電，產(chǎn)生反向電流，電場能量轉(zhuǎn)化為磁

3、場能量。這樣，電路中的電磁能量會不斷地進(jìn)行充電、放電，產(chǎn)生振蕩，由于負(fù)載電阻的能量消耗，這一振蕩過程是衰減振蕩。 電壓峰值22CLIU 振蕩頻率2221CLf 開關(guān)觸點(diǎn)剛打開瞬間，觸點(diǎn)距離很近，較低的電壓就能擊穿觸點(diǎn)間的空氣，形成電弧，分布電容儲存的電荷會迅速釋放；電弧結(jié)束后，負(fù)載電感恢復(fù)對電容充電，當(dāng)電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)又產(chǎn)生電弧，如此反復(fù)，形成一組脈沖波一組脈沖波。 隨著開關(guān)打開，觸點(diǎn)間距不斷增大，所需的擊穿電壓不斷增高，直至無法擊穿。 在這一系列充電、放電過程中，放電電流具有很高頻率的頻譜分量，向周圍產(chǎn)生嚴(yán)重的輻射發(fā)射；瞬態(tài)電壓作用于與該設(shè)備使用同一電源的其他用電設(shè)備產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。6.2.

4、2開關(guān)操作瞬態(tài)騷擾的抑制開關(guān)操作瞬態(tài)騷擾的抑制 可在感性負(fù)載兩端感性負(fù)載兩端或開關(guān)觸點(diǎn)兩端開關(guān)觸點(diǎn)兩端采取抑制措施，也可以兩種方法同時(shí)采用，具體措施應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。1對感性負(fù)載的處理 在負(fù)載兩端采取措施 給感性負(fù)載提供續(xù)流通路，減小感性負(fù)載對電容的充電作用，降低負(fù)載兩端電壓，并消耗電路中的能量，使這一瞬態(tài)過程迅速衰減。 (1)在負(fù)載兩端反向并聯(lián)二極管 瞬變電壓最低，但線路中電流衰減很慢。 (2)反向并聯(lián)二極管并串入電阻 電流衰減加快了，但瞬變電壓增大。串聯(lián)電阻值要適中。 (3)在負(fù)載兩端并聯(lián)電容 瞬變電壓幅度大降低，串聯(lián)電阻是為消耗功率，使振蕩很快衰減。 (4)在負(fù)載兩端并聯(lián)電阻 簡單，但

5、正常工作時(shí)有附加能量損耗。 (5)并聯(lián)一對反向串聯(lián)的穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管鉗位限制負(fù)載電壓繼續(xù)升高，穩(wěn)壓管消耗功率，縮短了瞬變過程。 (6)在負(fù)載兩端并聯(lián)壓敏電阻 壓敏電阻承受高瞬變電壓時(shí)，等效電阻變小，為負(fù)載電流提供續(xù)流通路。 上述方法中，(1)和(2)只能用于直流電路，(3)(6)既可用于直流電路，也可用于交流電路。 2對開關(guān)觸點(diǎn)的處理 給開關(guān)提供一個(gè)分流通路，抑制開關(guān)的觸點(diǎn)電壓，從而避免形成電弧。 (1)在觸點(diǎn)兩端并聯(lián)阻容支路 開關(guān)斷開時(shí)，由于電容的作用，限制了觸點(diǎn)電壓的上升速度和最大值；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電容經(jīng)開關(guān)放電，由于電阻的作用，限制了放電電流。電容應(yīng)大于一定值，電阻取值要折衷考慮。 (2)

6、在阻容支路的電阻上并聯(lián)二極管 開關(guān)斷開瞬間，負(fù)載電流經(jīng)二極管對電容充電；當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電容儲能經(jīng)電阻對開關(guān)放電。 (3)在觸點(diǎn)兩端并聯(lián)穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管的鉗位作用限制觸點(diǎn)電壓的進(jìn)一步增大。 上述方法中，(1)既可用于直流電路，也可用于交流電路，(2)和(3)則只能用于直流電路。6.3 機(jī)電裝置的電磁騷擾及抑制機(jī)電裝置的電磁騷擾及抑制1電磁騷擾產(chǎn)生的原因 電動工具、家用電器等產(chǎn)品，使用直流電動機(jī)、交流動電機(jī)、電磁閥等機(jī)電裝置將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動，這些裝置會產(chǎn)生電磁騷擾。 有刷電動機(jī)產(chǎn)生的電磁騷擾是主要由于電動機(jī)換向換向時(shí)產(chǎn)生的電弧電弧而形成的。 無刷電動機(jī)、電磁閥等的繞組與其金屬外殼之間有較大的寄生

7、電容寄生電容，如果裝置外殼接地，可以提供了一個(gè)很好的共模電流通路共模電流通路，在高頻/瞬態(tài)電壓作用下會產(chǎn)生共模騷擾。2電磁騷擾的抑制 (1)從有刷電動機(jī)產(chǎn)生電弧的原因入手 選用優(yōu)質(zhì)炭刷，使炭刷與換向片之間保持可靠接觸、開合正常，使換向器表面光潔，保持炭刷對換向器的適當(dāng)壓力，且壓力均勻，使電動機(jī)的機(jī)座可靠固定以減小運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動。還可以在電機(jī)的換向片間并聯(lián)電容或電阻。 (2)抑制騷擾傳播的路徑 并聯(lián)電容，為騷擾源提供一條低阻抗的通路，使騷擾電流旁路掉，并抑制產(chǎn)生的尖峰電壓；使用鐵氧體環(huán)或磁珠，利用其高阻抗特性阻斷共模通路，以抑制共模騷擾，且鐵氧體環(huán)或磁珠與差模電容構(gòu)成差模濾波器。6.4 浪涌及其抑

8、制浪涌及其抑制1浪涌抑制器件 電氣、電子設(shè)備可能由于雷擊、運(yùn)行操作中的過電壓，而承受浪涌電壓（電流），必須采用浪涌抑制器件構(gòu)成保護(hù)電路加以抑制。 將浪涌抑制器件與被保護(hù)電路或設(shè)備并聯(lián)，以便對超過電路或設(shè)備承受能力的過電壓進(jìn)行限幅、過電流進(jìn)行分流，使浪涌能量得到泄放。 常用的浪涌抑制器件有電火花隙、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變吸收二極管等。 (1)電火花隙 有兩個(gè)或三個(gè)電極，可分別用于線間或線間及對地的浪涌保護(hù)。 當(dāng)浪涌電壓超過電火花隙的擊穿電壓時(shí)，間隙就會被擊穿，產(chǎn)生電弧，電極間電壓迅速下降，電極間電阻也由1091010下降到0.1左右，阻止了浪涌電壓的繼續(xù)升高，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的保護(hù)，當(dāng)電火花隙中的

9、電流低于電弧的維持電流時(shí)，電火花隙恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)。 電火花隙有真空和氣體兩類，真空電火花隙擊穿電壓高，一般為1kV1MV，而充氣電火花隙（氣體放電管）擊穿電壓則一般為0.1kV1kV，多用充氣電火花隙作浪涌保護(hù)器件。 氣體放電管絕緣電阻很高（1091010），固有電容很?。?7pF），可用于較高頻率的電路，它吸收沖擊電流的能力很強(qiáng)（可超過50kA），但擊穿電壓較高（0.1kV1kV），響應(yīng)較慢（約100ns），適合于做第一級高電壓、大電流的瞬態(tài)保護(hù)。 (2)金屬氧化物壓敏電阻 由金屬氧化物（主要是氧化鋅）材料制成，它屬于鉗位型器件，特性與兩只背對背聯(lián)接的穩(wěn)壓管非常相似。 當(dāng)壓敏電阻承受高瞬態(tài)電壓

10、時(shí)，等效電阻急劇下降，將浪涌能量泄放掉，從而起到電壓鉗位、浪涌防護(hù)的目的。 壓敏電阻的峰值電流承受能力較大，價(jià)格低；但鉗位電壓較高，有較大的動態(tài)電阻，且隨著受到浪涌沖擊次數(shù)增加，漏電增加；壓敏電阻固有電容較大（幾百至幾千皮法），不能用在高頻場合，而較適合于工頻系統(tǒng)，如電源進(jìn)線的保護(hù)、晶閘管的保護(hù)等。(3)硅瞬變吸收二極管 電壓箝位型器件。鉗位電壓低，有極快的響應(yīng)時(shí)間（亞納秒級），適合于超高頻和甚高頻范圍，可保護(hù)電路或設(shè)備免受靜電、開關(guān)操作瞬變電壓、雷電感應(yīng)過電壓的損害；但承受的峰值電流較小，價(jià)格較貴。 2組合式浪涌保護(hù)電路 不同的浪涌抑制器件有各自的特點(diǎn)，適用于不同情況： (1)氣體放電管電流

11、吸收能力大，但響應(yīng)速度低、有后續(xù)電流、離散性大、且電壓分檔少，適合于做第一級粗保護(hù)； (2)壓敏電阻響應(yīng)速度高、可有較大的吸收能力，但固有電容較大，不適合用在高頻電路； (3)硅瞬變吸收二極管響應(yīng)速度很高、電壓分檔很多，但帶電流負(fù)荷能力較弱，可用于精細(xì)保護(hù)。 應(yīng)結(jié)合各種抑制器件的特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，以達(dá)到響應(yīng)快、限壓低、泄放能力強(qiáng)的目的。 典型的組合式浪涌保護(hù)電路，有三級保護(hù)，理想工作情況是： 當(dāng)出現(xiàn)瞬態(tài)浪涌電壓時(shí)，硅瞬變吸收二極管首先動作，使過壓不能進(jìn)入負(fù)載； 隨著電流的增大，在硅瞬變吸收二極管燒毀前，換流到壓敏電阻； 在壓敏電阻的吸收能力達(dá)到極限前，再換流到氣體放電管。 為實(shí)現(xiàn)依次保護(hù)的目的，

12、在組合電路的級與級之間串聯(lián)限電流電感。6.5 靜電放電防護(hù)靜電放電防護(hù) 兩種不同介質(zhì)互相摩擦后會產(chǎn)生靜電，靜電感應(yīng)也會產(chǎn)生靜電。帶正負(fù)電荷的導(dǎo)體相接觸時(shí)，會產(chǎn)生短路放電電流，帶電導(dǎo)體間的電壓超過間隔空氣或絕緣介質(zhì)的擊穿電壓時(shí)，會產(chǎn)生電弧，形成電弧電流。 靜電放電的模型： 為控制靜電放電，可從三個(gè)方面入手：阻止靜電荷的生成，阻止放電，控制放電電流路徑。 放電電流在0.7ns到10ns的時(shí)間內(nèi)，峰值會達(dá)到幾十安培，有時(shí)甚至?xí)^一百安培。 使用的材料分成3類： 導(dǎo)電材料：表面電阻105/m2 導(dǎo)體材料不易產(chǎn)生靜電，但能夠存儲其他材料產(chǎn)生的靜電荷，并在放電時(shí)迅速傳遞電荷； 靜 電 消 耗 材 料 ： 1 05 / m2 表 面 電 阻1012/m2 絕緣材料易產(chǎn)生靜電。 為阻止靜電荷的生成，應(yīng)避免兩種絕緣材料的摩擦，至少消除一種絕緣材料；保持工作環(huán)境中有一定的空氣濕度，為阻止放電，應(yīng)盡量消除存儲電荷和快速傳遞電荷的導(dǎo)體。 靜電放電的能量耦合到電子設(shè)備，主要有傳導(dǎo)耦合、電場耦合和磁場耦合三種方式。 放電電流直接流過敏感電路，便產(chǎn)生傳