浪涌保護器的概述及其在浪涌抑制中的應用

                                  時間: 2021-7-23 8:48:14 發布者: admin

                                  21世紀是計算機技術、微電子技術、通信技術迅猛發展的時代,信息通信系統及電子設備間的信息交流都是通過數據及高頻信號進行傳遞。隨著近代高科技的發展,尤其是微電子技術的高速發展,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。微電子設備及信息系統的電磁兼容能力低,抗雷電、電磁浪涌的能力弱,而雷電浪涌又無處不在,因此浪涌防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—只要是具備計算機系統、微電子設備、通信系統的場所必備的防護器件。近期多次、多處的通信暫停事故、設備損壞、油管油庫起火爆炸事故,不少是由雷電浪涌引起的線路過電壓及過電流造成的,因此必須為建筑物、設備及系統安裝浪涌防護器。

                                  浪涌保護器并聯在被保護設備兩端,通過泄放浪涌電流、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)完成的。在被保護電路正常工作。瞬態浪涌未到來以前,此元件呈現極高的電阻,對被保護電路沒有影響:而當瞬態浪涌到來時,此元件迅速轉變為很低的電阻,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。到浪涌結束,該非線性元件又迅速、自動地恢復為極高電阻。它的作用是保證電子設備免受浪涌過電壓(雷電過電壓、操作過電壓等)的破壞,既不影響設備的正常工作,又將過電壓限制在相應設備的耐壓等范圍內,目的在于限制瞬態過電壓和分走電涌電流,也是等電位連接的一種方法。浪涌防護系統最常用的防護器件主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應用于不同的雷電防護環境,并通過級聯組合發揮作用。

                                  1浪涌保護器的成因和地位

                                  浪涌保護器主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間大大低于工頻周期(0.02s)的瞬變過程。對地閃擊的雷電流波形的特點是上升時間極短(0.1~S),而下降時間相對較長(幾十到幾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,整個持續時間不過幾個工頻周期。雷電和操作電涌的峰值與很多因素有關,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,造成直接經濟損失:引起電子設備正常工作的中斷,對社會造成不良影響和巨大的間接經濟損失:還可能在微電子芯片中留下潛伏性的隱患,使電子設備運行不穩定和加速老化,給有關系統的工作造成無窮的麻煩。雷電途徑和綜合防雷措施如圖1所示??梢钥闯隼擞康某梢蛴幸韵聨讉€方面

                                  1.1.1直擊雷引起的反擊。信息系統一般不暴露在可能直接遭受雷擊的場所﹐直擊雷直接破壞電子設備幾無可能。雷害破壞電子設備的方式可能是由直擊雷電流通過接地裝置時造成的高電壓使電子設備的薄弱環節擊穿。這種雷害方式稱為反擊。

                                  1.1.2侵入波。雷電擊中與電子設備連接的戶外架空線(交流配電線、信號線、電話線),則雷電波就會沿線傳入。這種方式稱為侵入波。由于戶外線延伸很廣﹐因此雷電侵入的可能性較大。

                                  1.1.3雷電感應。直擊雷電流通過引下線(如建筑物結構鋼筋)時在室內引起電磁感應。雖然感應電壓不如前述幾種高﹐卻也足以破壞電子元件﹐而且它最接近電子設備,在建筑物內部各處都可能出現。設備越是接近雷電流引下線,感應電壓越高。另一種情況是雷擊建筑物附近地面﹐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的雷擊就有可能影響室內的電子設備。


                                  1.2浪涌保護在綜合防雷體系中的地位

                                  浪涌保護通過泄放雷電流、限制浪涌電壓來保護電子設備,是電子設備防雷的主要手段,也是內部防雷保護的主要措施,從而成為綜合防雷體系(圖2)中的重要組成部分。僅有接閃器、接地裝置﹐并不能避免雷電波沿線路的入侵;也不能在實際可能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前提﹐浪涌保護也應與內部防雷保護其他措施(等電位連接﹐屏蔽)密切配合。除非本建筑物受到附近其他更高建構筑物提供的直接雷防護,包含電子設備的建筑物應具備一定的外部防雷保護措施。沒有接閃器﹐建筑物的安全都不能保證,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。

                                  作為一種保護措施,浪涌保護器的配置和浪涌保護系統的設計應與人身保護措施(直接接觸保護和間接接觸保護……漏電保護)、短路保護等協調,共同保證人身安全、設備安全和系統(如供電)工作的連續性。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抑制器件特點及應用

                                  1金屬氧化物壓敏電阻(Metaloxidevaristor)壓敏電阻由金屬氧化物(主要是氧化鋅)材料組成,屬籍位型器件,其特性與兩只背對背聯接的穩壓管非常相似,有著毫微秒級的響應速度。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使用最廣泛的浪涌抑制器件。當壓敏電阻上的電壓超過一定幅度時,電阻的阻值大幅度降低,從而將浪涌能量泄放掉。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,因此在浪涌電流的峰值處^位電壓達到最高。

                                  每一塊壓敏電阻從制成時就有它的一定的開關電壓,當加在壓敏電阻兩端的電壓低于該數值時,壓敏電阻呈現高阻值狀態,如果把它并聯在電路上,該閥片呈現斷路狀態:當加在壓敏電阻兩端的電壓低于該數值時,壓敏電阻被擊穿,呈現低阻值,甚至接近短路狀態。這種擊穿狀態是可以恢復的。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點:

                                  a)優點:電壓范圍很寬,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,峰值電流承受能力較大,價格低。

                                  b)缺點:鉗位電壓較高,一般可以達到工作電壓的2-3:而且,隨著受到浪涌沖擊次數的增加,漏電流增加;另外,響應時間較長,寄生電容較大。

                                  c)適用場合:直流電源線、低頻信號線,或者與氣體放電管串聯起來用在交流電源線上。

                                  1.2浪涌保護器壓敏電阻的選擇:

                                  a)從抑制瞬變干擾的角度出發,壓敏電壓要盡量降低以接近被保護電路的工作電壓:從提高元件壽命來看,又要拉開兩者差距。一般折衷的選取方案為:對交流工作電路,壓敏電壓值為工作電壓的2.2;對直流工作電路,壓敏電壓值為工作電壓的1.5倍。

                                  b)通流量的選取:在實際應用中,壓敏電阻所吸收的最大浪涌電流應小于它的最大通流量。對同一應用場合,當最大通流量增加一倍,壓敏電阻的壽命也同步增加一倍。

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

                                  TVS為電壓箱位型工作方式,亞納秒級的響應速度。TVS有多種封裝方式,可滿足不同場合的需要。當TVS上的電壓超過一定的幅度時,器件迅速導通,通過P?N結反向過壓雪崩擊穿將浪涌能量泄放掉。由于這類器件導通后阻抗很小,因此它的籍位電壓很平坦,并且很接近工作電壓。

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

                                  a)優點:響應時間短,漏電流小,擊穿電壓偏差小,籍位電壓低(相對于工作電壓)動作精度高,無跟隨電流(續流),體積小,每次經受瞬變電壓后其性能不會下降,可靠性高。

                                  b)缺點:由于所有功率都耗散在二極管的PN結上,因此它所承受的功率值較小,允許流過的電流較小。一般的TVS器件的寄生電容較大,如在高速數據線上使用,要用特制的低電容器件,但是低電容器件的額定功率往往較小。

                                  c)適用場合:浪涌能量較小的場合。如果浪涌能量較大,要與其它大功率浪涌抑制器件一同使用,則把它作為后級防護。

                                  2.2硅瞬變電壓吸收二極管的選擇

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

                                  b)最大反向工作電壓VRWM應不低于電路的最大工作電壓,一般略高于電路的工作電壓。

                                  c)TVS額定的最大脈沖功率必須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適當的限流電阻,從而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)

                                  氣體放電管采用陶瓷密閉封裝,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。當加到兩電極端的電壓達到使氣體放電管內的氣體擊穿時,氣體放電管便開始放電,器件變為短路狀態,使電極兩端的電壓不超過擊穿電壓。氣體放電管一旦導通后,它兩端的電壓會很低[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氣體放電管的特點

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

                                  b)缺點:點火電壓高,殘壓較高,反應時間慢≥100ns),動作電壓精度較低,會慢性漏氣、有光敏效應、離散性大。有跟隨電流(續流)。若跟隨電流的時間較長,會導致放電管觸點迅速燒毀,從而縮短放電管的壽命。

                                  c)適用場合:信號線或工作電壓低于導通維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交流電源線上。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氣體放電管的選擇

                                  在直流電路中氣體放電管的標稱電壓選擇為工作電壓的1.8;在交流電路中選擇為工作電壓有效值的2.5倍。氣體放電管標稱電流容量應大于被保護電路的可能最大浪涌沖擊容量。由于有跟隨電流(續流),氣體放電管一般不可使用在直流電路中,除非直流工作電壓低于氣體放電管的擊穿維持電壓。

                                  4其它浪涌保護器的元器件

                                  4.1固體放電管

                                  固體放電管是一種新的瞬變電壓吸收器件,與氣體放電管一樣同屬能量轉移型保護器件,但性能更理想。如通態壓降僅3V左右,接近短路;納秒級的響應速度;動作電壓穩定:使用壽命長;能雙方向吸收正、負極性的瞬變電壓。固體放電管有一定的結電容:在脈沖狀態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,其意義在于不會使故障擴大,也便于值班人員及時發現故障和處理故障[3]。

                                  4.2晶閘管型防護器件晶閘管型防護器件有兩種:

                                  a)控制柵極型雙向三端器件,如SCR、TRLAO等。因為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的控制柵極將輸出短路而中斷供電,響應時間約100s,這對電壓敏感的器件有可能造成損壞,它的優點是耐電流量大,缺點是點火電壓易變化,響應時間慢。

                                  b)控制維持電流型雙向兩端器件。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件。該器件的直流放電開啟電壓與響應時間的關系基本上不隨浪涌電壓上升率的增加而增加,浪涌電流增加時,該器件的直流放電開啟電壓基本保持不變。該器件還具有響應速率快、不需多級防護電路、耐電流量大、靜電容量小、可靠性高等優點,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應用

                                  氣體放電管和壓敏電阻都不適合單獨在交流電源線上使用。一個實用的方案是將氣體放電管與壓敏電阻串聯起來使用。如果同時在壓敏電阻上并聯一個電容,浪涌電壓到來時,可以更快地將電壓加到氣體放電管上,縮短導通時間。這種氣體放電管與壓敏電阻的組合除了可以避免上述缺點以外,還有一個好處就是可以降低限幅電壓值??梢允褂脤妷狠^低的壓敏電阻,從而可以降低限幅電壓值。

                                  該連接方式對浪涌電壓的抑制作用如圖6所示。采用組合式保護方案能發揮不同保護器件的各自特點,從而取得最好的保護效果。

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