過壓保護原理

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

近年來使用人員和保險公司要求在電氣和電子設備中安裝過壓放電器和雷擊電流放電器的呼聲越來越強烈，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了對過壓保護的研究，因而有大量過壓保護產(chǎn)品系列的問世。 但是能滿足包括從具有當代技術水平的能傳導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;電器電源保護裝置直到電源濾波器所有技術要求的產(chǎn)品系列卻是極為少見的。 同樣這種產(chǎn)品系列應該包括用于所有電路，即除電源外，還應包括用于測量、控制、調節(jié)技術電路和電子數(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。只有正確安裝才能使放電器達到預期效果。

電位補償系統(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償系統(tǒng)接地。因此，建立一個合格的電位補償系統(tǒng)至關重要。在安裝電位補償系統(tǒng)時，應使相互間必須進行信息交換的電路和電子設備與電位補償系統(tǒng)的導線連接保持最短距離。 根據(jù)感應定理，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 電感量主要和導線長度有關，而和導線截面關系不大，因此，應使導線盡可能的短。多條導線的并聯(lián)連接可顯著地降低電位補償系統(tǒng)的電感量。為了將這兩條付諸實踐，理論上可以把應與電位補償裝置連在一起的所有電路和設備連在同一塊金屬板上?；诮饘侔宓臉嬒朐谘a裝電位補償系統(tǒng)時可采用線狀、星狀或網(wǎng)狀結構。設計新的設備時原則上應只采用網(wǎng)狀電位補償裝置。 將有源線路引入電位補償裝置 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)，在被保護區(qū)域內(nèi)的所有導電部件之間建立起一個等電位。這種導電部件也包括電路中的有源導線。人們需要響應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)，將非常強大直到高達數(shù)倍于十千安的電流導出。在預期的雷擊情況下按10/350us脈沖計算，電流高達50千安。通過完備的電位補償裝置，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處的電位差甚至可高達數(shù)十萬伏。重要的是，在需要保護的區(qū)域內(nèi)，所有導電部件都可認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特性來看，有軟硬之分。 屬于硬響應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(Arc-Chopping)的角型火花隙，要么是同軸放電火花隙。屬于軟響應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，響應特性以及殘余電壓。由于這些元件各有其優(yōu)缺點，人們將其組合成特殊保護電路，以揚長避短。 閃電電流和閃電后續(xù)電流需要放電性能極強的放電器。為了將閃電電流通過電位補償系統(tǒng)導入接地裝置，建議使用根據(jù)斬弧技術帶角型火花隙的雷擊電流放電器。只有用它才能傳導大于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)品的應用的額定電壓可達400伏。此外這種放電器當短路電流達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，使得在保護區(qū)域內(nèi)安裝的儀器和設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最高達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。 盡管雷擊電流放電器放電能力很好，但總有其缺點：其剩余電壓高達2.5至3.5千伏。因此，在整體安裝雷擊電流放電器時，應與其它的放電器組合使用。 為了將強電流從數(shù)據(jù)處理電路以及測量、控制和調節(jié)技術電路中傳導出，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10千安的電流傳導出。在這種信息線路中預期不會出現(xiàn)更為強大的放電電流，因為所接入導線的截面相對較小，通常也不再能承載較大的瞬態(tài)電流。

氣體放電管的響應時間在毫微秒范圍中段，雖已應用于電信設備數(shù)十年，卻不光只有優(yōu)點。 缺點之一是與時間相關的點火性能。上升時間長的瞬態(tài)電流使得保護電平會達到與氣體放電器額定電壓相應的水平。特別快的瞬態(tài)電流會在一點與點火特征曲線會合，此點的電壓是氣體放電管額定電壓的十倍。另一個缺點是，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)電流只有在預置保險絲熔斷的情況下才能消除，其結果是電路中斷。 壓敏電阻其功能相當于很多與串聯(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的電阻。電壓超過規(guī)定電壓，壓敏電阻可以導電;電壓低于規(guī)定電壓，壓敏電阻則不導電。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，響應時間在毫微秒范圍下段。 電源上常用的壓敏電阻可輸導極限可達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。國際電子技術委員會IEC 1024-1文獻中記載，要處理脈沖為10/350us的電荷量，相當于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，這是至關重要的。 壓敏電阻的缺點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-結過載時會造成短路，依其負載的頻繁程度，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。響應時間可達微微秒范圍。抑制二極管用作過壓保護缺點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)過壓保護的方案安裝放電器 包含單個保護元件或者組合保護電路，又按安裝技術條件而集成一體的組合件(導軌安裝式、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，至少應分成兩級。如電源，各個只包含一級保護的放電器，可安裝在不同的位置，同一放電器中也可能包含多級保護。為了達到有效的過壓保護，人們將需要保護的范圍，按不同的電磁兼容性分區(qū)，這個保護范圍，包括從閃電保護區(qū)0，過壓保護區(qū)1至3，直到干擾電壓保護區(qū)具有更高的序號。 設置電磁兼容性保護區(qū)0到3，是為了避免因高能耦合而損壞設備。而序號更高的電磁兼容性保護則為防止信息失真和信息丟失而設置的。保護區(qū)的序號越高，預期的干擾能量和干擾電壓電平越低。需要保護的電氣和電子設備安裝在一個十分有效的保護圈內(nèi)，這樣的保護圈可以針對單個的電子設備，也可以是一個裝有多個電子設備的空間，甚至一整棟樓，所有穿過通常具有空間屏蔽的保護圈的電線，在接到該保護圈的外圍設備的同時接過壓保護放電器。 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，而要達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度確定。耐壓強度按1.2/50us脈沖測試。并聯(lián)時，即在有源導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)傳輸電路而設計的放電器，生產(chǎn)廠家已考慮到其傳輸速率。為達到最優(yōu)化的過壓保護方案，用戶不僅需要與電氣和電子設備的規(guī)劃人員，同時也要與建筑設計人員及時對話。

正是在設計規(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，并最有效地達到過壓保護的目的。在此階段，確定網(wǎng)狀電位補償系統(tǒng)的設置，并為空間屏蔽和電氣及電子設備線路的布置奠定的基礎。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)定及標準的安裝，才能使一個優(yōu)秀而便于應用的過壓保護方案成功地付諸實踐。