浪涌保护器原理分析

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浪涌保护器原理分析

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浪涌保护器原理分析随着相关设备对防雷要求的日益严格 , 安装浪涌保护器浪涌保护器 (Surge Protection Device, SPD)抑制线路上的浪涌和瞬时过电压、泄放线路上 的过电流成为现代防雷技术的重要环节之一。

随着电子技术的高速发展,个人 PC 机、大中型计算机及相关信息设备的 大量应用,使建筑物防雷击电磁脉冲(过电压)愈来愈受到大家的重视,由此,越来 越多的过电压保护产品投入市场,浪涌保护器 SPD(Surge Protective Device)也 逐渐为人们所熟悉。

1 雷电的特性防雷包括外部防雷和内部防雷。

外部防雷以避雷针(带、网、线)、引下线、 接地装置为主,其主要的功能是为了确保建筑物本体免受直击雷的侵袭 ,将可能 击中建筑物的雷电通过避雷针(带、网、线)、引下线等泄放入大地。

内部防雷包 括防雷电感电感 应、线路浪涌、地电位反击、雷电波入侵以及电磁与静电感应 的措施。

其基本方法是采用等电位联结,包括直接连接和通过 SPD 间接连接,使金 属体、设备线路与大地形成一个有条件的等电位体,将因雷击和其他浪涌引起的 内部设施分流和感应的雷电流或浪涌电流泄放入大地,从而保护建筑物内人员和 设备的安全。

能产生电感作用的元件统称为电感原件,常常直接简称为电感。

电感器在电 子制作中虽然使用得不是很多, 但它们在电路中同样重要。

我们认为电感器和电 容器一样, 也是一种储能元件, 它能把电能转变为磁场能, 并在磁场中储存能量。

雷电的特点是电压上升非常快(10μ s 以内),峰值电压高(数万至数百万伏), 电流大(几十至几百千安),维持时间较短(几十至几百微秒),传输速度快(以光速 传播),能量非常巨大,是浪涌电压中最具破坏力的一种。

2 浪涌保护器的分类SPD 是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置,其作用是把窜入电力线、 信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内,或将强大的 雷电流泄流入地,保护被保护的设备或系统不受冲击。

2. 1 按工作原理分类按其工作原理分类 , SPD 可以分为电压开关开关 型、限压型及组合型。

开关是最常见的电子元件,功能就是电路的接通和断开。

接通则电流可以通过, 反之电流无法通过。

在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。

(1)电压开关型 SPD。

在没有瞬时过电压时呈现高阻抗,一旦响应雷电瞬时过 电压,其阻抗就突变为低阻抗,允许雷电流通过,也被称为“短路开关型 SPD” 。

(2)限压型 SPD。

当没有瞬时过电压时,为高阻抗,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 , 有时被称为“钳压型 SPD” 。

(3)组合型 SPD。

由电压开关型组件和限压型组件组合而成,可以显示为电压 开关型或限压型或两者兼有的特性,这决定于所加电压的特性。

2. 2 按用途分类按其用途分类, SPD 可以分为电源电源 线路 SPD 和信号线路 SPD 两种。

电 源是向电子设备提供功率的装置,也称电源供应器,它提供计算机中所有部件所 需要的电能。

2. 2. 1 电源线路 SPD由于雷击的能量是非常巨大的,需要通过分级泄放的方法 ,将雷击能量逐步 泄放到大地。

在直击雷非防护区(LPZ0A)或在直击雷防护区(LPZ0B)与第一防护区 (LPZ1)交界处,安装通过Ⅰ级分类试验的浪涌保护器或限压型浪涌保护器作为第 一级保护,对直击雷电流进行泄放,或者当电源传输线路遭受直接雷击时,将传导 的巨大能量进行泄放。

在第一防护区之后的各分区(包含 LPZ1 区)交界处安装限 压型浪涌保护器,作为二、三级或更高等级保护。

第二级保护器是针对前级保护 器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备 ,在前级发生较大雷击能量吸收时, 仍有一部分对设备或第三级保护器而言是相当巨大的能量 ,会传导过来,需要第 二级保护器进一步吸收。

同时,经过第一级防雷器防雷器 的传输线路也会感应雷 击电磁脉冲辐射。

当线路足够长时,感应雷的能量就变得足够大,需要第二级保护 器进一步对雷击能量实施泄放。

第三级保护器对通过第二级保护器的残余雷击能 量进行保护。

根据被保护设备的耐压等级,假如两级防雷就可以做到限制电压低 于设备的耐压水平,就只需要做两级保护;假如设备的耐压水平较低,可能需要四 级甚至更多级的保护。

防雷器又称等电位连接器、过电压保护器、浪涌抑制器、突波吸收器、防雷

保安器等, 用于电源线防护的防雷器称为电源防雷器。

鉴于目前的雷电致损特点, 雷电防护尤其在防雷整改中, 基于防雷器防护方案是最简单、经济的雷电防护解 决方案。

选择 SPD,首先需要了解一些参数及其工作原理。

(1) 10/350μ s 波是模拟直击雷的波形,波形能量大; 8/20μ s 波是模拟雷电 感应和雷电传导的波形。

(2)标称放电电流 In 是指流过 SPD、8/20μ s 电流波的峰值电流。

(3)最大放电电流 Imax 又称为最大通流量,指使用 8/20μ s 电流波冲击 SPD 一次能承受的最大放电电流。

(4)最大持续耐压 Uc(rms)指可连续施加在 SPD 上的最大交流电压有效值或 直流电压。

(5)残压 Ur 指在额定放电电流 In 下的残压值。

(6)保护电压 Up 表征 SPD 限制接线端子端子 间的电压特性参数,其值可从优 选值的列表中选取,应大于限制电压的最高值。

端子通常指由铜材等冲制而成的连接器接触件。

端子是连接电气线路的常用 元件,主要在器件与组件、组件与机柜、系统与子系统之间起电连接和信号传递 的作用,并且尽量保持系统与系统之间不发生信号失真和能量损失的变化。

(7)电压开关型 SPD 主要泄放的是 10/350μ s 电流波,限压型 SPD 主要泄放的 是 8/20μ s 电流波。

电源线路的 SPD 参数选择如表 1 所示。

表1 电源线路 SPD 参数选择防护级别 SPD 类型波形/μ s 通流/kA 安装位置保护水平 Up/kV 第一级电压 开关型 10/350 >15 总配电处<2. 5 第一级限压型 8/20 60 总配电处<2. 5 第二级

限压型 8/20 20~40 分配电处(楼层配电处) <1. 8 第三级限压型 8/20 5~10 设备 前端(机房配电处) <1. 2 按照规范要求,电源第一级 SPD 安装在建筑物电气装置 的电源进线处。

一般情况下,应选择电压开关型 SPD,但如果该处电源线路全部有 良好的屏蔽(如穿金属管、埋地)进入,则可以选用限压型 SPD。

电压开关型 SPD 与限压型 SPD 之间的线路长度不宜小于 10 m,限压型 SPD 之间的线路长度不宜小 于 5 m。

如果小于规定的长度,则应在两级 SPD 之间串联加装去耦电感。

由于 SPD 的最大浪涌电压为其保护电压 Up+UL(SPD 两端引线的感应电压),因此为使 SPD 最大的电涌电压足够低,其两端的引线应最短,一般不超过 0. 5 m。

SPD 安装在线路中,当有过电压或过电流出现时, SPD 将对地导通,实现对地分流, 从而达到间接等电位的目的。

对于不同的接地系统, SPD 的接线方法不一样,一 般有对地法和 N-PE 法两种保护,如图 1 所示。

除 TT 系统 SPD 安装在剩余电流保 护器的电源侧必须用 N-PE 法以外,一般均使用对地法。

图 1 SPD 接线图2. 2. 2 信号线路 SPD随着信息系统的广泛应用,由于网络线路多,电子设备的耐压水平低,雷击对 信息系统的危害越来越大。

雷电对信息系统的危害主要是雷击电磁脉冲造成的, 包括沿线路传导的雷电过电压波、雷电流在接地线产生的高电位反击、雷击电磁 场磁场 的静电感应和电磁感应。

对电磁脉冲的防护措施有拦截、分流、等电位 联结、屏蔽、接地、合理布线等。

在信号线路上安装 SPD 是信息系统防电磁脉冲 的一个重要措施,它可以同时起到拦截、 分流、 等电位联结的作用。

信号线路 SPD 应连接在被保护设备的信号端口上。

其输出端与被保护设备的端口相连,有串接 和并接之分(见图 2),一般是串联安装在信号线路上。

因此,在选择信号 SPD 时, 应选用插入损耗较小的 SPD。

电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。

由 于磁体的磁性来源于电流,电流是电荷的运动,因而概括地说,磁场是由运动电 荷或变化电场产生的。

磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力,磁场 对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此。

图2信号 SPD 的安装连接限压型电涌保护器电涌保护器 产品的核心元件为氧化锌压敏电阻电阻 (MOV) 。

其失效后电涌保护器有可能出现两类故障状况 , 一类是热击穿造成 L-N/PE 线间接地短路,其电流值可使后备过电流保护元件动作;另一类是由于接 地故障电流小,过流保护元件不动作,MOV 因发热起火,因此必须在位于电涌保护 器外部的前端装设后备保护元件。

其作用是当电涌保护器不能切断工频短路电流 时,过电流保护电器动作,把电涌保护器从并联线路中断开,使电涌保护器不会引 起过热而导致火灾、爆炸等事故,同时可保证电源的持续供电。

电涌保护器surge protective device (SPD) 指目的在于限制瞬态过电压和分走电涌电流的

器件。

它至少含有一个非线性元件, 过去常称为“避雷器”或“过电压保护器” 。

电阻, 物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。

电阻小的物质称为电导体, 简称导体。

电阻大的物质称为电绝缘体,简称绝缘体。

正确、合理地选用后备保护元件,直接关系到系统及电涌保护器的安全性和可靠性。

后备保护元件 与 SPD 配合后,应可保护在额定电涌电流作用时后备保护元件不动作,保证电涌 电流的正常泄放,同时其作用在支路上的残压 Ur 低于用电设备的保护水平 Up,以 保证系统及用电设备安全。

目前多数 SPD 产品选择熔断器、 微型断路器断路器 做其后备保护,其额定电 流的选择可参照表 2。

断路器又叫空气开关,是一种很基本的低压电器,断路器具有过载、短路和 欠电压保护功能,能保护线路和电源的能力。

它可用来分配电能,不频繁地启动 异步电动机, 对电源线路及电动机等实行保护,当它们发生严重的过载或者短路 及欠压等故障时能自动切断电路, 其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等 的组合。

而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件,一获得了广泛的应用。

表2 额定电流4结语SPD 的应用范围主要是电子信息系统中低压供配电系统的电源保护和电子

信息系统的信号传输线路保护。

前者是为了抑制由电源线路进入的雷击电磁脉冲 干扰,后者是为了抑制由信号线路进入的雷击电磁脉冲干扰。

两者的保护对象都 是电子信息系统的设备、器件。

由于这些设备、器件主要是微电子结构,在相同 雷击电磁脉冲下,比供配电设备要脆弱得多 ,在较小的过电压下很容易将微电子 结构的设备、器件损坏。