浪涌保護器的概述及其在防雷設備中的應用

                        時間: 2021-11-23 8:27:25 發布者: admin

                        21世紀是計算機技術、微電子技術、通訊技術迅猛開展的時代,信息通訊體系及電子設備間的信息溝通都是經過數據及高頻信號進行傳遞。隨著近代高科技的開展,尤其是微電子技術的高速開展,雷電災害越來越頻繁,損失越來越大,僅靠避雷針已無法保護建筑物、人和電器設備。微電子設備及信息體系的電磁兼容能力低,抗雷電、電磁浪涌的能力弱,而雷電浪涌又無處不在,因而浪涌保護器是現代化的大廈、銀行、證交所、航空航天、船舶鐵路、石油化工只要是具有計算機體系、微電子設備、通訊體系的場所必備的保護器材。近期多次、多處的通訊暫停事故、設備損壞、油管油庫起火爆破事故,不少是由雷電浪涌引起的線路過電壓及過電流形成的,因而有必要為建筑物、設備及體系安裝浪涌保護器。

                         

                        浪涌保護器并聯在被保護設備兩頭,經過泄放浪涌電流、限制浪涌電壓來保護電子設備。泄放雷電流、限制浪涌電壓這兩個作用都是由其非線性元件(一個非線性電阻,或是一個開關元件)完結的。在被保護電路正常作業。瞬態浪涌未到來曾經,此元件出現極高的電阻,對被保護電路沒有影響:而當瞬態浪涌到來時,此元件敏捷轉變為很低的電阻,將浪涌電流旁路,并將被保護設備兩段的電壓限制在較低的水平。到浪涌完畢,該非線性元件又敏捷、自動地康復為極高電阻。它的作用是確保電子設備免受浪涌過電壓(雷電過電壓、操作過電壓等)的損壞,既不影響設備的正常作業,又將過電壓限制在相應設備的耐壓等規模內,目的在于限制瞬態過電壓和分走電涌電流,也是等電位銜接的一種方法。浪涌防護體系最常用的保護器材首要有氧化金屬壓敏電阻(Mov)、硅瞬變電壓吸收二極管(TVS)、放電管等。不同特性的浪涌保護器運用于不同的雷電防護環境,并經過級聯組合發揮作用。

                        1浪涌保護器的成因和位置

                        浪涌保護器首要是保護電子設備免受雷電浪涌的危害,也兼而使電子設備免受大部分操作浪涌的危害。

                        1.1浪涌的成因

                        浪涌是指瞬態電沖擊,包括浪涌沖擊、電流沖擊和功率沖擊。此處所謂瞬態是指持續時刻大大低于工頻周期(0.02s)的瞬變進程。對地閃擊的雷電流波形的特色是上升時刻極短(0.1~S),而下降時刻相對較長(幾十到幾百us)的單極性波。典型操作浪涌波形是疊加在工頻波形上的幾百Hz到上百kHz的振蕩波,整個持續時刻不過幾個工頻周期。雷電和操作電涌的峰值與許多要素有關,出現在建筑物內的電涌從近kV到幾十kV,如不加以限制會損壞電子設備。

                        電子設備遭受雷害會引起電子設備的誤動:電源設備和貴重的計算機及各種硬件設備的損壞,形成直接經濟損失:引起電子設備正常作業的中止,對社會形成不良影響和巨大的間接經濟損失:還或許在微電子芯片中留下潛伏性的危險,使電子設備運行不穩定和加快老化,給有關體系的作業形成無窮的費事。雷電途徑和歸納防雷辦法如圖1所示。能夠看出浪涌的成因有以下幾個方面:

                         

                        1.1.1直擊雷引起的反擊。信息體系一般不暴露在或許直接遭受雷擊的場所﹐直擊雷直接損壞電子設備幾無或許。雷害損壞電子設備的方法或許是由直擊雷電流經過接地裝置時形成的高電壓使電子設備的薄弱環節擊穿。這種雷害方法稱為反擊。

                        1.1.2侵入波。雷電擊中與電子設備銜接的野外架空線(溝通配電線、信號線、電話線),則雷電波就會沿線傳入。這種方法稱為侵入波。由于野外線延伸很廣﹐因而雷電侵入的或許性較大。

                        1.1.3雷電感應。直擊雷電流經過引下線(如建筑物結構鋼筋)時在室內引起電磁感應。盡管感應電壓不如前述幾種高﹐卻也足以損壞電子元件﹐而且它最挨近電子設備,在建筑物內部遍地都或許出現。設備越是挨近雷電流引下線,感應電壓越高。另一種情況是雷擊建筑物附近地上﹐雷擊通道的強電流產生的磁場也能在建筑物內部引起電磁感應。如雷電流較大,建筑物附近1.5~2km的雷擊就有或許影響室內的電子設備。

                         

                        1.2浪涌保護在歸納防雷體系中的位置

                        浪涌保護經過泄放雷電流、限制浪涌電壓來保護電子設備,是電子設備防雷的首要手法,也是內部防雷保護的首要辦法,然后成為歸納防雷體系(圖2)中的重要組成部分。僅有接閃器、接地裝置﹐并不能防止雷電波沿線路的入侵;也不能在實際或許的低接地電阻值下防止反擊。為了保護電子設備還需要電涌保護。反過來講,浪涌保護也以外部防雷保護為條件﹐浪涌保護也應與內部防雷保護其他辦法(等電位銜接﹐屏蔽)密切配合。除非本建筑物受到附近其他更高建構筑物供給的直接雷防護,包括電子設備的建筑物應具有必定的外部防雷保護辦法。沒有接閃器﹐建筑物的安全都不能確保,何談內部設備的安全。建筑物的接地電阻值過大,易于發生反擊,反擊時大部分雷電流不是向地下泄放而是經浪涌保護器流向配電變壓器﹐加重了浪涌保護器的負擔。

                        作為一種保護辦法,浪涌保護器的裝備和浪涌保護體系的規劃應與人身保護辦法(直接觸摸保護和間接觸摸保護……漏電保護)、短路保護等和諧,一起確保人身安全、設備安全和體系(如供電)作業的連續性。有些設備,如醫療急救設備﹐設備安全與人身安全密切相關。

                          

                        浪涌保護器常見的浪涌按捺器材特色及運用

                        1金屬氧化物壓敏電阻(Metaloxidevaristor)壓敏電阻由金屬氧化物(首要是氧化鋅)資料組成,屬籍位型器材,其特性與兩只背對背聯接的穩壓管十分相似,有著毫微秒級的呼應速度。壓敏電阻對瞬變信號的吸收能力與其體積成正比:其厚度正比于電壓;面積正比于電流。壓敏電阻是目前在浪涌保護器中運用最廣泛的浪涌按捺器材。當壓敏電阻上的電壓超越必定起伏時,電阻的阻值大起伏下降,然后將浪涌能量泄放掉。在浪涌電壓作用下,導通后的壓敏電阻上的電壓(一般稱為籍位電壓),等于流過壓敏電阻的電流乘以壓敏電阻的阻值,因而在浪涌電流的峰值處^位電壓到達最高。

                        每一塊壓敏電阻從制成時就有它的必定的開關電壓,當加在壓敏電阻兩頭的電壓低于該數值時,壓敏電阻出現高阻值狀況,假如把它并聯在電路上,該閥片出現斷路狀況:當加在壓敏電阻兩頭的電壓低于該數值時,壓敏電阻被擊穿,出現低阻值,甚至挨近短路狀況。這種擊穿狀況是能夠康復的。其開關特性如下圖3所示:

                         

                        下圖4為氧化鋅壓敏電阻的對稱伏安特性。

                        1.1浪涌保護器壓敏電阻的特色:

                        a)長處:電壓規模很寬,可從幾伏到幾千伏;吸收浪涌電流可從幾十到幾千安培,反應速度快,無極性,無續流,峰值電流接受能力較大,價格低。

                        b)缺陷:鉗位電壓較高,一般能夠到達作業電壓的2-3:而且,隨著受到浪涌沖擊次數的添加,漏電流添加;別的,呼應時刻較長,寄生電容較大。

                        c)適用場合:直流電源線、低頻信號線,或許與氣體放電管串聯起來用在溝通電源線上。

                        1.2浪涌保護器壓敏電阻的挑選:

                        a)從按捺瞬變攪擾的視點出發,壓敏電壓要盡量下降以挨近被保護電路的作業電壓:從提高元件壽數來看,又要拉開兩者差距。一般折衷的選取計劃為:對溝通作業電路,壓敏電壓值為作業電壓的2.2;對直流作業電路,壓敏電壓值為作業電壓的1.5倍。

                        b)通流量的選取:在實際運用中,壓敏電阻所吸收的最大浪涌電流應小于它的最大通流量。對同一運用場合,當最大通流量添加一倍,壓敏電阻的壽數也同步添加一倍。

                         

                        2硅瞬變電壓吸收二極管(Transientvo1tagesuppressor)

                        TVS為電壓箱位型作業方法,亞納秒級的呼應速度。TVS有多種封裝方法,可滿足不同場合的需要。當TVS上的電壓超越必定的起伏時,器材敏捷導通,經過P?N結反向過壓雪崩擊穿將浪涌能量泄放掉。由于這類器材導通后阻抗很小,因而它的籍位電壓很平坦,并且很挨近作業電壓。

                        2.1硅瞬變電壓吸收二極管的特色

                        a)長處:呼應時刻短,漏電流小,擊穿電壓偏差小,籍位電壓低(相對于作業電壓)動作精度高,無跟從電流(續流),體積小,每次經受瞬變電壓后其功能不會下降,可靠性高。

                        b)缺陷:由于一切功率都耗散在二極管的PN結上,因而它所接受的功率值較小,允許流過的電流較小。一般的TVS器材的寄生電容較大,如在高速數據線上運用,要用特制的低電容器材,可是低電容器材的額定功率往往較小。

                        c)適用場合:浪涌能量較小的場合。假如浪涌能量較大,要與其它大功率浪涌按捺器材一起運用,則把它作為后級防護。

                        2.2硅瞬變電壓吸收二極管的挑選

                        a)最大箱位電壓VCMAX應不大于電流的最大允許安全電壓。

                        b)最大反向作業電壓VRWM應不低于電路的最大作業電壓,一般略高于電路的作業電壓。

                        c)TVS額定的最大脈沖功率有必要大于電路中出現的最大瞬態浪涌功率。

                        d)對小電流負載的保護,可在二極管之前串接恰當的限流電阻,然后可選用小的蜂值吸收功率的VS來擔任這一功能。

                         

                        3氣體放電管(Gasdischargetube)

                        氣體放電管選用陶瓷密閉封裝,內部由兩個或數個帶間隙的金屬電極,充以惰性氣體(氬氣或氖氣)構成。當加到兩電極點的電壓到達使氣體放電管內的氣體擊穿時,氣體放電管便開始放電,器材變為短路狀況,使電極兩頭的電壓不超越擊穿電壓。氣體放電管一旦導通后,它兩頭的電壓會很低[2]。氣體放電管有兩極和三極之分,可分別用于線間和線一地間的保護。其伏秒特性如圖5。

                        3.1氣體放電管的特色

                        a)長處:接受電流大,絕緣電阻高,漏電流小,寄生電容小。

                        b)缺陷:點火電壓高,殘壓較高,反應時刻慢≥100ns),動作電壓精度較低,會緩慢漏氣、有光敏效應、離散性大。有跟從電流(續流)。若跟從電流的時刻較長,會導致放電管觸點敏捷焚毀,然后縮短放電管的壽數。

                        c)適用場合:信號線或作業電壓低于導通堅持電壓的直流電源線上(一般低于10V);與壓敏電阻組合起來用在溝通電源線上。它具有很強的沖擊電流吸收能力,但有著較高的起弧電壓,所以比較適合做一級粗保護。

                         

                        3.2氣體放電管的挑選

                        在直流電路中氣體放電管的標稱電壓挑選為作業電壓的1.8;在溝通電路中挑選為作業電壓有效值的2.5倍。氣體放電管標稱電流容量應大于被保護電路的或許最大浪涌沖擊容量。由于有跟從電流(續流),氣體放電管一般不行運用在直流電路中,除非直流作業電壓低于氣體放電管的擊穿堅持電壓。

                         

                        4其它浪涌保護器的元器材

                        4.1固體放電管

                        固體放電管是一種新的瞬變電壓吸收器材,與氣體放電管一樣同屬能量轉移型保護器材,但功能更理想。如通態壓降僅3V左右,挨近短路;納秒級的呼應速度;動作電壓穩定:運用壽數長;能雙方向吸收正、負極性的瞬變電壓。固體放電管有必定的結電容:在脈沖狀況下觸發電壓較直流擊穿電壓稍有提高(如200V的管子其脈沖觸發電壓為350V),比氣體放電管要好得多。固體放電管的失效模式是短路,其意義在于不會使毛病擴大,也便于值班人員及時發現毛病和處理毛病[3]。

                        4.2晶閘管型保護器材晶閘管型保護器材有兩種:

                        a)操控柵極型雙向三端器材,如SCR、TRLAO等。由于大多數電源電路的輸出端都有電壓過載保護,用一個電平觸發SCR的操控柵極將輸出短路而中止供電,呼應時刻約100s,這對電壓靈敏的器材有或許形成損壞,它的長處是耐電流量大,缺陷是點火電壓易變化,呼應時刻慢。

                        b)操控堅持電流型雙向兩頭器材。由PNPNP五層組成,其結構是在單芯片上逆向并聯組成的復合器材。該器材的直流放電敞開電壓與呼應時刻的關系根本上不隨浪涌電壓上升率的添加而添加,浪涌電流添加時,該器材的直流放電敞開電壓根本堅持不變。該器材還具有呼應速率快、不需多級防護電路、耐電流量大、靜電容量小、可靠性高等長處,特別適用于防護雷電浪涌。

                         

                        5浪涌保護器的氣體放電管和壓敏電阻組合運用

                        氣體放電管和壓敏電阻都不適合單獨在溝通電源線上運用。一個實用的計劃是將氣體放電管與壓敏電阻串聯起來運用。假如同時在壓敏電阻上并聯一個電容,浪涌電壓到來時,能夠更快地將電壓加到氣體放電管上,縮短導通時刻。這種氣體放電管與壓敏電阻的組合除了能夠防止上述缺陷以外,還有一個優點便是能夠下降限幅電壓值。能夠運用導通電壓較低的壓敏電阻,然后能夠下降限幅電壓值。

                        該銜接方法對浪涌電壓的按捺作用如圖6所示。選用組合式保護計劃能發揮不同保護器材的各自特色,然后取得最好的保護作用。 

                         

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