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浪涌保护器设计原理、特性、运用范畴

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2014-10-20 16:28:00

浪涌保护器设计原理、特性、运用范畴

Ø 设计原理

  在最常见的浪涌保护器中,都有一个称为金属氧化物变阻器(Metal Oxide VaristorMOV)的元件,用来转移多余的电压。如下图所示,MOV将火线和地线连接在一起。

  MOV由三部分组成:中间是一根金属氧化物材料,由两个半导体连接着电源和地线。

  这些半导体具有随着电压变化而改变的可变电阻。当电压低于某个特定值时,半导体中的电子运动将产生极高的电阻。反之,当电压超过该特定值时,电子运动会发生变化,半导体电阻会大幅降低。如果电压正常,MOV会闲在一旁。而当电压过高时,MOV可以传导大量电流,消除多余的电压。随着多余的电流经MOV转移到地线,火线电压会恢复正常,从而导致MOV的电阻再次迅速增大。按照这种方式,MOV仅转移电涌电流,同时允许标准电流继续为与浪涌保护器连接的设备供电。打个比方说,MOV的作用就类似一个压敏阀门,只有在压力过高时才会打开。

  另一种常见的浪涌保护装置是气体放电管。这些气体放电管的作用与MOV相同 ——它们将多余的电流从火线转移到地线,通过在两根电线之间使用惰性气体作为导体实现此功能。当电压处于某一特定范围时,该气体的组成决定了它是不良导体。如果电压出现浪涌并超过这一范围,电流的强度将足以使气体电离,从而使气体放电管成为非常良好的导体。它会将电流传导至地线,直到电压恢复正常水平,随后它又会变成不良导体。

  这两种方法都是采用并联电路设计——多余的电压从标准电路流入另一个电路。有几种浪涌保护器产品使用串联电路设计抑制电涌——它们不是将多余的电流分流到另一条线路,而是通过降低流过火线的电量。基本上说,这些抑制器在检测到高电压时会储存电能,随后再逐渐释放它们。制造这种保护器的公司解释说该方法可以提供更好的保护,因为它反应速度更快,并且不会向地线分流,但另一方面,这种分流可能会干扰建筑物的电力系统。

  抑制二极管:抑制二极管具有箝位限压功能,它是工作在反向击穿区,由于它具有箝位电压低和动作响应快的优点,特别适合用作多级保护电路中的最末几级保护元件。抑制二极管在击穿区内的伏安特性可用下式表示:I=CUα,上式中α为非线性系数,对于齐纳二极管α=79,在雪崩二极管α=5~7

Ø 抑制二极管的技术参数主要有 :

1)额定击穿电压,它是指在指定反向击穿电流(常为lma)下的击穿电压,这于齐纳二极管额定击穿电压一般在2.9V4.7V范围内,而雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6V200V范围内。 

2)最大箝位电压:它是指管子在通过规定波形的大电流时,其两端出现的最高电压。 

3)脉冲功率:它是指在规定的电流波形(如10/1000μs)下,管子两端的最大箝位电压与管子中电流等值之积。 

4)反向变位电压:它是指管子在反向泄漏区,其两端所能施加的最大电压,在此电压下管子不应击穿。此反向变位电压应明显高于被保护电子系统的最高运行电压峰值,也即不能在系统正常运行时处于弱导通状态。 

5)最大泄漏电流:它是指在反向变位电压作用下,管子中流过的最大反向电流。 

6)响应时间:10-11us 

  作为辅助元件,有些浪涌保护器还配有内置保险丝。保险丝是一种电阻器,当电流低于某个标准时,它的导电性能非常好。反之,当电流超过了可接受的标准,电阻产生的热量会烧断保险丝,从而切断电路。如果MOV不能抑制电涌,过高的电流将烧断保险丝,保护连接的设备。该保险丝只能使用一次,一旦烧断就需要更换。 

Ø SPD前端熔断器应根据避雷器厂家的参数安装。 

  如厂家没有规定,一般选用原则: 

  根据(浪涌保护器的最大保险丝强度A)和(所接入配电线路最大供电电流B)来确定(开关或熔断器的断路电流C)。 

  确定方法: 

  当:B>A时 C小于等于

  当:BA时 C小于A或不安装

  当:B时 C小于B或不安装

  有些浪涌保护器具有线路调节系统,用于滤除线路噪声,减小电流波动。这种基本浪涌保护器的系统结构非常简单。火线通过环形扼流线圈接到电源板插座上。扼流线圈只是一个用磁性材料做成的环,外面缠绕着导线——基本的电磁铁。火线中所流经电流的上下波动会给电磁铁充电,使其发出电磁能量,从而消除电流的微小波动。这种经过调节的电流更加稳定,可使计算机(或其他电子设备)的供电电流更加平缓。 

  在电子设计中,浪涌主要指的是电源(只是主要指电源)刚开通的那一瞬息产生的强力脉冲,由于电路本身的非线性有可能有高于电源本身的脉冲;或者由于电源或电路中其它部分受到本身或外来尖脉冲干扰叫做浪涌。它很可能使电路在浪涌的一瞬间烧坏,PN结电容击穿,电阻烧断等等。 而浪涌保护就是利用非线性元器件对高频(浪涌)的敏感设计的保护电路,简单而常用的是并联大小电容和串联电感。

Ø 浪涌保护器(SPD)的分类 

  按工作原理分: 

 (1)开关型:其工作原理是当没有瞬时过电压时呈现为高阻抗,但一旦响应雷电瞬时过电压时,其阻抗就突变为低值,允许雷电流通过。用作此类装置时器件有:放电间隙、气体放电管、闸流晶体管等。 

 (2)限压型:其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰,但随电涌电流和电压的增加其阻抗会不断减小,其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有:氧化锌、压敏电阻、抑制二极管、雪崩二极管等。 

 (3)分流型或扼流型 

    分流型:与被保护的设备并联,对雷电脉冲呈现为低阻抗,而对正常工作频率呈现为高阻抗。 

    扼流型:与被保护的设备串联,对雷电脉冲呈现为高阻抗,而对正常的工作频率呈现为低阻抗。 用作此类装置的器件有:扼流线圈、高通滤波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。 

 按用途分:

 (1)电源保护器:交流电源保护器、直流电源保护器、开关电源保护器等。 

 (2)信号保护器:低频信号保护器、高频信号保护器、天馈保护器等。 

Ø 浪涌保护器及其应用

 1、浪涌电压

   电路在遭雷击和在接通、断开电感负载或大型负载时常常会产生很高的操作过电压,这种瞬时过电压(或过电流)称为浪涌电压(或浪涌电流),是一种瞬变干扰:例如直流6V继电器线圈断开时会出现300V600V的浪涌电压;接通白炽灯时会出现810倍额定电流的浪涌电流;当接通大型容性负载如补偿电容器组时,常会出现大的浪涌电流冲击,使得电源电压突然降低;当切断空载变压器时也会出现高达额定电压810倍的操作过电压。浪涌电压现象日趋严重地危及自动化设备安全工作,消除浪涌噪声干扰、防止浪涌损害一直是关系到自动化设备安全可靠运行的核心问题。现代电子设备集成化程度在不断提高,但是它们的抗御浪涌电压能力却在下降。在多数情况下,浪涌电压会损坏电路及其部件,其损坏程度与元器件的耐压强度密切相关,并且与电路中可以转换的能量相关。

   为了避免浪涌电压击毁敏感的自动化设备,必须使出现这种浪涌电压的导体在非常短的时间内同电位均衡系统短接(引入大地)。在其放电过程中,放电电流可以高达几千安,与此同时,人们往往期待保护单元在放电电流很大时也能将输出电压限定在尽可能低的数值上。因此,空气火花间隙、充气式过电压放电器、压敏电阻、雪崩二极管、TVSTransientvoltagesuppressor)、FLASHTRABVALETRABSOCKETTRABMAINTRAB等元器件,是单独或以组合电路形式被应用到被保护电路中,因为每个元器件有其各自不同的特性,并且具有不同的性能:放电能力;响应特性;灭弧性能;限压精度。根据不同的应用场合以及设备对浪涌电压保护的要求,可根据各类产品的特性来组合出符合应用要求的过电压保护系统。

 2、浪涌电压吸收器

   浪涌噪声常用浪涌吸收器进行抑制,常用的浪涌吸收器有:

 (1)氧化锌压敏电阻

  氧化锌压敏电阻是以氧化锌为主体材料制成的压敏电阻,其电压非线性系数高,容量大、残压低、漏电流小、无续流、伏安特性对称、电压范围宽、响应速度快、电压温度系数小,且具有工艺简单、成本低廉等优点,是目前广泛使用的浪涌电压保护器件。适用于交流电源电压的浪涌吸收、各种线圈、接点间浪涌电压吸收及灭弧,三极管、晶闸管等电力电子器件的浪涌电压保护。

 (2RCD组合浪涌吸收器

  RCD组合浪涌吸收器比较适用于直流电路,可根据电路的特性对器件进行不同的组合,如图1a)适用于高电平直流控制系统,而图1b)中采用齐纳稳压管或双向二极管,适用于正反向需要保护的电路。 

  图1RCD浪涌保护器 (a)单向保护(b)双向保护

  图2TVS电压(电流)时间特性

 (3)瞬态电压抑制器(TVS

  当TVS两极受到反向高能量冲击时,它能以1012s级的速度,将其两极间的阻抗由高变低,吸收高达数kW的浪涌功率,使两极的电位箝位于预定值,有效地保护自动化设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点,目前被广泛应用于电子设备等领域。

 ①TVS的特性

  其正向特性与普通二极管相同,反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2TVS的电流-时间和电压-时间曲线。在浪涌电压的作用下,TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压Vbr而被击穿。随着击穿电流的出现,流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP,同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后,随着脉冲电流按指数衰减,TVS两极间的电压也不断下降,最后恢复到初态,这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率,保护电子元器件的过程。

 ②TVS与压敏电阻的比较

  目前,国内不少需要进行浪涌保护的设备上应用压敏电阻较为普遍,TVS与压敏电阻性能比较如表1所示:

  表1TVS与压敏电阻的比较

  参数  TVS  压敏电阻 

  反应速度  1012s  50×109s 

  是否老化  否  是 

  最高使用温度  175  115 

  器件极性  单双极性  单极性 

  反向漏电流  5μA  200μA 

  箝位因子VC/Vbr  不大于15  最大7

  封闭性质  密封  透气 

  价格  较贵  便宜 

3、综合浪涌保护系统组合

  3.1三级保护

   自动控制系统所需的浪涌保护应在系统设计中进行综合考虑,针对自动控制装置的特性,应用于该系统的浪涌保护器基本上可以分为三级,对于自动控制系统的供电设备来说,需要雷击电流放电器、过压放电器以及终端设备保护器。数据通信和测控技术的接口电路,比各终端的供电系统电路显然要灵敏得多,所以必须对数据接口电路进行细保护。

   自动化装置的供电设备的第一级保护采用的是雷击电流放电器,它们不是安装在建筑物的进口处,就是在总配电箱里。为保证后续设备不承受太高的残压,必须根据被保护范围的性质,在下级配电设施中安装过电压放电器,作为二级保护措施。第三级保护是为了保护仪器设备,采取的方法是,把过电压放电器直接安装在仪器的前端。自动控制系统三级保护布置如图3所示。在不同等级的放电器之间,必须遵守导线的最小长度规定。供电系统中雷击电流放电器与过压放电器之间的距离不得小于10m,过压放电器同仪器设备保护装置之间的导线距离则不应小于5m(即一级SPD与二级SPD连接线路间距至少10米,二级SPD与三级SPD连接线路间距至少5米)。

  3.2三级保护器件

   (1)充有惰性气体的过电压放电器是自动控制系统中应用较广泛的一级浪涌保护器件。充有惰性气体过电压放电器,一般构造的这类放电器可以排放20kA8/20μs)或者2.5kA10/350μs)以内的瞬变电流。气体放电器的响应时间处于ns范围,被广泛地应用于远程通信范畴。该器件的一个缺点是它的触发特性与时间相关,其上升时间的瞬变量同触发特性曲线在几乎与时间轴平行的范围里相交。因此保护电平将同气体放电器额定电压相近。而特别快的瞬变量将同触发曲线在十倍于气体放电器额定电压的工作点相交,也就是说,如果某个气体放电器的最小额定电压90V,那么线路中的残压可高达900V。它的另一个缺点是可能会产生后续电流。在气体放电器被触发的情况下,尤其是在阻抗低、电压超过24V的电路中会出现下列情况:即原来希望维持几个ms的短路状态,会因为该气体放电器继续保持下去,由此引起的后果可能是该放电器在几分之一秒的时间内爆碎。所以在应用气体放电器的过电压保护电路中应该串联一个熔断器,使得这种电路中的电流很快地被中断。 

3放电器分布图

   (2)压敏电阻被广泛作为系统中的二级保护器件,因压敏电阻在ns时间范围内具有更快的响应时间,不会产生后续电流的问题。在测控设备的保护电路中,压敏电阻可用于放电电流为2.5kA5kA8/20μs)的中级保护装置。压敏电阻的缺点是老化和较高的电容问题,老化是指压敏电阻中二极管的PN部分,在通常过载情况下,PN结会造成短路,其漏电流将因此而增大,其值的大小取决于承载的频繁程度。其应用于灵敏的测量电路中将造成测量失真,并且器件易发热。压敏电阻大电容问题使它在许多场合不能应用于高频信息传输线路,这些电容将同导线的电感一起形成低通环节,从而对信号产生严重的阻尼作用。不过,在30kHz以下的频率范围内,这一阻尼作用是可以忽略的。

   (3)抑制二极管一般用于高灵敏的电子电路,其响应时间可达ps级,而器件的限压值可达额定电压的1.8倍。其主要缺点是电流负荷能力很弱、电容相对较高,器件自身的电容随着器件额定电压变化,即器件额定电压越低,电容则越大,这个电容也会同相连的导线中的电感构成低通环节,而对数据传输产生阻尼作用,阻尼程度与电路中的信号频率相关。

  1.浪涌保护器、电涌保护器(避雷器和防雷器是对于前两种称呼的口头简化称呼)实际上是同一种东西,只是在不同的规范中对这种东西的称呼不同而已,简写就是spd,说成雷电保护器或许更直观,它分成信号的和电源的两种,相同点是每个里面至少都包括至少一个非线性电子元件,目的是限制雷电过电压和泄放电流,以起到保护前端设备的作用。 

  2.有时候我们也将避雷针、避雷带、避雷网口头简单的称之为避雷器或者防雷器,他们的作用是接闪,也就是迎接雷电的到来,并迅速通过引下线和接地装置将雷电流施放到大地中,起到保护滚球范围内设备和人员安全的作用。 

 

 补充资料:

  1.滚球范围是个比较复杂的算法,有个不是很完善却比较直观的是45度角法,说的就是上面提到的镇带网能保护到下边倾斜角45度以内的范围。 

  2.在以后的规范中可能将接闪器(现在有时候称之为避雷器)定义为接闪杆,这样就更加直观了,这个是今年新的防雷检测规范主编亲口说的哦。

 

 

此文关键字:京佳璐|分线器模块

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