過壓保護(hù)原理

要保護(hù)電氣和電子系統(tǒng)重要的是在電磁兼容性保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)置一套包容全部有源導(dǎo)線在內(nèi)的完整的電位補(bǔ)償系統(tǒng)。過壓保護(hù)裝置中放電器元件的物理特性在實際應(yīng)用中既有優(yōu)點(diǎn)，亦有缺點(diǎn)，因此采用多和元件組合的保護(hù)電路運(yùn)用得更為廣泛。

近年來使用人員和保險公司要求在電氣和電子設(shè)備中安裝過壓放電器和雷擊電流放電器的呼聲越來越強(qiáng)烈，其原因是由過電壓造成的損失越來越多，而一代接一代的電器和設(shè)備卻越來越敏感。 根據(jù)這種市場需求，在過去七到十年間有許多公司加強(qiáng)了對過壓保護(hù)的研究，因而有大量過壓保護(hù)產(chǎn)品系列的問世。 但是能滿足包括從具有當(dāng)代技術(shù)水平的能傳導(dǎo)10/350us脈沖電流的雷擊電流放電器;用于二次配電的可插式過壓放電器;電器電源保護(hù)裝置直到電源濾波器所有技術(shù)要求的產(chǎn)品系列卻是極為少見的。 同樣這種產(chǎn)品系列應(yīng)該包括用于所有電路，即除電源外，還應(yīng)包括用于測量、控制、調(diào)節(jié)技術(shù)電路和電子數(shù)據(jù)處理傳輸電路以及適用于無線和有線通訊的放電器，以便客戶使用。 簡單而草率地把放電器裝在各種線路中并不意味著最優(yōu)的過壓保護(hù)。只有正確安裝才能使放電器達(dá)到預(yù)期效果。

電位補(bǔ)償系統(tǒng) 放電器正常發(fā)揮效用的前提是將過壓而引起的電流以最短的途徑通過電位補(bǔ)償系統(tǒng)接地。因此，建立一個合格的電位補(bǔ)償系統(tǒng)至關(guān)重要。在安裝電位補(bǔ)償系統(tǒng)時，應(yīng)使相互間必須進(jìn)行信息交換的電路和電子設(shè)備與電位補(bǔ)償系統(tǒng)的導(dǎo)線連接保持最短距離。 根據(jù)感應(yīng)定理，電感量越大，瞬變電流在電路中產(chǎn)生的電壓越高;U=L·di/dt 電感量主要和導(dǎo)線長度有關(guān)，而和導(dǎo)線截面關(guān)系不大，因此，應(yīng)使導(dǎo)線盡可能的短。多條導(dǎo)線的并聯(lián)連接可顯著地降低電位補(bǔ)償系統(tǒng)的電感量。為了將這兩條付諸實踐，理論上可以把應(yīng)與電位補(bǔ)償裝置連在一起的所有電路和設(shè)備連在同一塊金屬板上?；诮饘侔宓臉?gòu)想在補(bǔ)裝電位補(bǔ)償系統(tǒng)時可采用線狀、星狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。設(shè)計新的設(shè)備時原則上應(yīng)只采用網(wǎng)狀電位補(bǔ)償裝置。 將有源線路引入電位補(bǔ)償裝置 瞬變電壓或瞬變電流意味著其存在時間僅為微秒或毫微秒。

過壓保護(hù)的基本原理是，在瞬態(tài)過電壓存在的極短時間內(nèi)，在被保護(hù)區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)電部件之間建立起一個等電位。這種導(dǎo)電部件也包括電路中的有源導(dǎo)線。人們需要響應(yīng)速度快于微秒的元件，對于靜電放電甚至快于毫微秒。這種元件能夠在極短的時間間隔內(nèi)，將非常強(qiáng)大直到高達(dá)數(shù)倍于十千安的電流導(dǎo)出。在預(yù)期的雷擊情況下按10/350us脈沖計算，電流高達(dá)50千安。通過完備的電位補(bǔ)償裝置，可以在極短的時間內(nèi)形成一個等電位島，這個等電位島對于遠(yuǎn)處的電位差甚至可高達(dá)數(shù)十萬伏。重要的是，在需要保護(hù)的區(qū)域內(nèi)，所有導(dǎo)電部件都可認(rèn)為具有接近相等或絕對相等的電位，因而不存在顯著的電位差。

電器的安裝及其作用

過壓放電器元件從響應(yīng)特性來看，有軟硬之分。 屬于硬響應(yīng)特性的放電元件有氣體放電管和放電間隙型放電器，二者要么是基于斬弧技術(shù)(Arc-Chopping)的角型火花隙，要么是同軸放電火花隙。屬于軟響應(yīng)特性的放電元件有壓敏電阻和抑制二極管。所有這些元件的區(qū)別在于放電能力，響應(yīng)特性以及殘余電壓。由于這些元件各有其優(yōu)缺點(diǎn)，人們將其組合成特殊保護(hù)電路，以揚(yáng)長避短。 閃電電流和閃電后續(xù)電流需要放電性能極強(qiáng)的放電器。為了將閃電電流通過電位補(bǔ)償系統(tǒng)導(dǎo)入接地裝置，建議使用根據(jù)斬弧技術(shù)帶角型火花隙的雷擊電流放電器。只有用它才能傳導(dǎo)大于50千安的10/350us脈沖電流而且可以實現(xiàn)自動滅弧，這種產(chǎn)品的應(yīng)用的額定電壓可達(dá)400伏。此外這種放電器當(dāng)短路電流達(dá)4千安時，不會引起額定電流為125安的保險絲熔斷。 由于這些良好的參數(shù)的組合，使得在保護(hù)區(qū)域內(nèi)安裝的儀器和設(shè)備的不間斷工作特性得以大大提高。特別要指出的是，這里不僅取決于幅值很高的電流可以進(jìn)行處理，更重要的是脈沖形式起著決定性的作用。二者必須同時考慮。因此，雖然角型火花隙也能夠輸導(dǎo)最高達(dá)100千安的電流，但以其脈沖形式為縮短的(8/80us)。這種脈沖是沖擊電流脈沖，1992年10月以前作為開發(fā)雷擊電流放電器的基礎(chǔ)。 盡管雷擊電流放電器放電能力很好，但總有其缺點(diǎn)：其剩余電壓高達(dá)2.5至3.5千伏。因此，在整體安裝雷擊電流放電器時，應(yīng)與其它的放電器組合使用。 為了將強(qiáng)電流從數(shù)據(jù)處理電路以及測量、控制和調(diào)節(jié)技術(shù)電路中傳導(dǎo)出，可使用氣體放電管，常規(guī)的氣體放電管可以在試驗脈沖8/20us情況下，將10千安的電流傳導(dǎo)出。在這種信息線路中預(yù)期不會出現(xiàn)更為強(qiáng)大的放電電流，因為所接入導(dǎo)線的截面相對較小，通常也不再能承載較大的瞬態(tài)電流。

氣體放電管的響應(yīng)時間在毫微秒范圍中段，雖已應(yīng)用于電信設(shè)備數(shù)十年，卻不光只有優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)之一是與時間相關(guān)的點(diǎn)火性能。上升時間長的瞬態(tài)電流使得保護(hù)電平會達(dá)到與氣體放電器額定電壓相應(yīng)的水平。特別快的瞬態(tài)電流會在一點(diǎn)與點(diǎn)火特征曲線會合，此點(diǎn)的電壓是氣體放電管額定電壓的十倍。另一個缺點(diǎn)是，電壓大于12伏和電流大于100毫安時會產(chǎn)生電源后續(xù)電流，這種電源后續(xù)電流只有在預(yù)置保險絲熔斷的情況下才能消除，其結(jié)果是電路中斷。 壓敏電阻其功能相當(dāng)于很多與串聯(lián)和并聯(lián)在一起的雙向抑制二極管。工作原理如同與電壓相關(guān)的電阻。電壓超過規(guī)定電壓，壓敏電阻可以導(dǎo)電;電壓低于規(guī)定電壓，壓敏電阻則不導(dǎo)電。這樣壓敏電阻可起到很好電壓限位作用。壓敏電阻工作極為迅速，響應(yīng)時間在毫微秒范圍下段。 電源上常用的壓敏電阻可輸導(dǎo)極限可達(dá)40千安8/20us脈沖的電流。因而很適合做電源第二級放電器。但作為雷擊電流放電器則不合適。國際電子技術(shù)委員會IEC 1024-1文獻(xiàn)中記載，要處理脈沖為10/350us的電荷量，相當(dāng)于8/20us脈沖情況下電荷量的200倍。Q(10/350)us=200×Q(8/20)us 從這條公式可以看出，不僅要注意放電電流的幅度，而且一定要注意脈沖形式，這是至關(guān)重要的。 壓敏電阻的缺點(diǎn)是易老化和電容較高，老化是指壓敏電阻內(nèi)的二極管元件被擊穿。由于大多數(shù)情況下pn-結(jié)過載時會造成短路，依其負(fù)載的頻繁程度，壓敏電阻開始吸引泄漏電流，泄漏電流會在敏感的測試電路中引起測量數(shù)據(jù)誤差，同時，特別是在額定電壓高的電路中，會造成強(qiáng)烈發(fā)熱。 壓敏電阻的電容高，使它在很多情況下不能在信號傳輸線路中使用。電容和導(dǎo)線電感形成一個低通電路，會使信號極大地衰減。但頻率大約在30千赫以下的衰減可以忽略不計。 抑制二極管的優(yōu)點(diǎn)是可以把剩余電壓限制到非常小的范圍并能迅速作出反應(yīng)。響應(yīng)時間可達(dá)微微秒范圍。抑制二極管用作過壓保護(hù)缺點(diǎn)是吸收能量的能力太小。額定電壓范圍大于60伏時，使用抑制二極管只有在特別情況下才有意義。額定電壓為230伏和110伏的電源不適宜使用抑制二極管。在這種情況下的放電能力，按8/20us脈沖計，只有幾十安培。電流強(qiáng)度超過此數(shù)，抑制二極管會短路，這意味著保險絲熔斷和電路斷開。 根據(jù)過壓保護(hù)的方案安裝放電器 包含單個保護(hù)元件或者組合保護(hù)電路，又按安裝技術(shù)條件而集成一體的組合件(導(dǎo)軌安裝式、電源插座式、適配器)稱作放電器。 幾乎在所有情況下的過壓保護(hù)，至少應(yīng)分成兩級。如電源，各個只包含一級保護(hù)的放電器，可安裝在不同的位置，同一放電器中也可能包含多級保護(hù)。為了達(dá)到有效的過壓保護(hù)，人們將需要保護(hù)的范圍，按不同的電磁兼容性分區(qū)，這個保護(hù)范圍，包括從閃電保護(hù)區(qū)0，過壓保護(hù)區(qū)1至3，直到干擾電壓保護(hù)區(qū)具有更高的序號。 設(shè)置電磁兼容性保護(hù)區(qū)0到3，是為了避免因高能耦合而損壞設(shè)備。而序號更高的電磁兼容性保護(hù)則為防止信息失真和信息丟失而設(shè)置的。保護(hù)區(qū)的序號越高，預(yù)期的干擾能量和干擾電壓電平越低。需要保護(hù)的電氣和電子設(shè)備安裝在一個十分有效的保護(hù)圈內(nèi)，這樣的保護(hù)圈可以針對單個的電子設(shè)備，也可以是一個裝有多個電子設(shè)備的空間，甚至一整棟樓，所有穿過通常具有空間屏蔽的保護(hù)圈的電線，在接到該保護(hù)圈的外圍設(shè)備的同時接過壓保護(hù)放電器。 放電器的選擇取決于各個電路和參數(shù)。放電器的工作電壓以安裝在此電路中所有部件的額定電壓為準(zhǔn)，而要達(dá)到的剩余電壓則根據(jù)安裝在此電路中所有部件的耐壓強(qiáng)度確定。耐壓強(qiáng)度按1.2/50us脈沖測試。并聯(lián)時，即在有源導(dǎo)線和地之間接上放電器時，則無需注意其額定電流，因為額定電流并不通過放電器。 電路裝有串聯(lián)放電器的情況下，必須注意其額定電流，在數(shù)據(jù)傳輸率很高的電路中，放器的衰減起著決定性的作用。 至于專門為數(shù)據(jù)傳輸電路而設(shè)計的放電器，生產(chǎn)廠家已考慮到其傳輸速率。為達(dá)到最優(yōu)化的過壓保護(hù)方案，用戶不僅需要與電氣和電子設(shè)備的規(guī)劃人員，同時也要與建筑設(shè)計人員及時對話。

正是在設(shè)計規(guī)劃階段，注意到電磁兼容性的基本原理，可以大大降低成本，并最有效地達(dá)到過壓保護(hù)的目的。在此階段，確定網(wǎng)狀電位補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)置，并為空間屏蔽和電氣及電子設(shè)備線路的布置奠定的基礎(chǔ)。按電路參數(shù)而挑選出的放電器，就很容易確定其合適的安裝位置了。 需特別注意的是，只有符合專業(yè)規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)的安裝，才能使一個優(yōu)秀而便于應(yīng)用的過壓保護(hù)方案成功地付諸實踐。