浪涌保護器概述

發表時間:2020-08-16 20:55

浪涌保護器

   最原始的浪涌保護器羊角形間隙,出現于19世紀末期,用于架空輸電線路,防止雷擊損壞設備絕緣而造成停電,故稱“浪涌保護器”。20世紀20年代,出現了鋁浪涌保護器,氧化膜浪涌保護器和丸式浪涌保護器。30年代出現了管式浪涌保護器。50年代出現了碳化硅防雷器。70年代又出現了金屬氧化物浪涌保護器。現代高壓浪涌保護器,不僅用于限制電力系統中因雷電引起的過電壓,也用于限制因系統操作產生的過電壓。

突波

  浪涌也叫突波,顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質上講,浪涌是發生在僅僅幾百萬分之一秒時間內的一種劇烈脈沖,。可能引起浪涌的原因有:重型設備、短路、電源切換或大型發動機。而含有浪涌阻絕裝置的產品可以有效地吸收突發的巨大能量,以保護連接設備免于受損。

防雷器

  浪涌保護器,也叫防雷器,是一種為各種電子設備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護的電子裝置。當電氣回路或者通信線路中因為外界的干擾突然產生尖峰電流或者電壓時,浪涌保護器能在極短的時間內導通分流,從而避免浪涌對回路中其他設備的損害。

一、浪涌保護器(SPD)工作原理

  電涌保護器(Surge protection Device)是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置,過去常稱為

浪涌保護器工作原理圖

“避雷器”或“過電壓保護器”英文簡寫為SPD.電涌保護器的作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內,或將強大的雷電流泄流入地,保護被保護的設備或系統不受沖擊而損壞。

  電涌保護器的類型和結構按不同的用途有所不同,但它至少應包含一個非線性電壓限制元件。用于電涌保護器的基本元器件有:放電間隙、充氣放電管、壓敏電阻、抑制二極管和扼流線圈等。

浪涌保護器的基本元器件

  1.放電間隙(又稱保護間隙):

  它一般由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成,其中一根金屬棒與所需保護設備的電源相線L1或零線(N)相連,另一根金屬棒與接地線(PE)相連接,當瞬時過電壓襲來時,間隙被擊穿,把一部分過電壓的電荷引入大地,避免了被保護設備上的電壓升高。這種放電間隙的兩金屬棒之間的距離可按需要調整,結構較簡單,其缺點時滅弧性能差。改進型的放電間隙為角型間隙,它的滅弧功能較前者為好,它是靠回路的電動力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。

  2.氣體放電管:

  它是由相互離開的一對冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體(Ar)的玻璃管或陶瓷管內組成的。為了提高放電管的觸發概率,在放電管內還有助觸發劑。這種充氣放電管有二極型的,也有三極型的,

  氣體放電管的技術參數主要有:直流放電電壓Udc;沖擊放電電壓Up(一般情況下Up≈(2~3)Udc;工頻而授電流In;沖擊而授電流Ip;絕緣電阻R(>109Ω);極間電容(1-5PF)

  氣體放電管可在直流和交流條件下使用,其所選用的直流放電電壓Udc分別如下:在直流條件下使用:Udc≥1.8U0(U0為線路正常工作的直流電壓)

  在交流條件下使用:U dc≥1.44Un(Un為線路正常工作的交流電壓有效值)

  3.壓敏電阻:

  它是以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻,當作用在其兩端的電壓達到一定數值后,電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當于多個半導體P-N的串并聯。壓敏電阻的特點是非線性特性好(I=CUα中的非線性系數α),通流容量大(~2KA/cm2),常態泄漏電流小(10-7~10-6A),殘壓低(取決于壓敏電阻的工作電壓和通流容量),對瞬時過電壓響應時間快(~10-8s),無續流。

  壓敏電阻的技術參數主要有:壓敏電壓(即開關電壓)UN,參考電壓Ulma;殘壓Ures;殘壓比K(K=Ures/UN);最大通流容量Imax;泄漏電流;響應時間。

  壓敏電阻的使用條件有:壓敏電壓:UN≥[(√2×1.2)/0.7]U0(U0為工頻電源額定電壓)

  最小參考電壓:Ulma≥(1.8~2)Uac (直流條件下使用)

  Ulma≥(2.2~2.5)Uac(在交流條件下使用,Uac為交流工作電壓)

  壓敏電阻的最大參考電壓應由被保護電子設備的耐受電壓來確定,應使壓敏電阻的殘壓低于被保護電子設備的而損電壓水平,即(Ulma)max≤Ub/K,上式中K為殘壓比,Ub為被保護設備的而損電壓。

  4.抑制二極管:

  抑制二極管具有箝位限壓功能,它是工作在反向擊穿區,由于它具有箝位電壓低和動作響應快的優點,特別適合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件。抑制二極管在擊穿區內的伏安特性可用下式表示:I=CUα,上式中α為非線性系數,對于齊納二極管α=7~9,在雪崩二極管α=5~7.

抑制二極管的技術參數主要有

  (1)額定擊穿電壓,它是指在指定反向擊穿電流(常為lma)下的擊穿電壓,這于齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9V~4.7V范圍內,而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V~200V范圍內。

  (2)最大箝位電壓:它是指管子在通過規定波形的大電流時,其兩端出現的最高電壓。

  (3)脈沖功率:它是指在規定的電流波形(如10/1000μs)下,管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積。

  (4)反向變位電壓:它是指管子在反向泄漏區,其兩端所能施加的最大電壓,在此電壓下管子不應擊穿。此反向變位電壓應明顯高于被保護電子系統的最高運行電壓峰值,也即不能在系統正常運行時處于弱導通狀態。

  (5)最大泄漏電流:它是指在反向變位電壓作用下,管子中流過的最大反向電流。

  (6)響應時間:10-11s

  5.扼流線圈:扼流線圈是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件,它由兩個尺寸相同,匝數相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環形磁芯上,形成一個四端器件,要對于共模信號呈現出大電感具有抑制作用,而對于差模信號呈現出很小的漏電感幾乎不起作用。扼流線圈使用在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號(如雷電干擾),而對線路正常傳輸的差模信號無影響。

扼流線圈在制作時應滿足以下要求:

  1)繞制在線圈磁芯上的導線要相互絕緣,以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發生擊穿短路。

  2)當線圈流過瞬時大電流時,磁芯不要出現飽和。

  3)線圈中的磁芯應與線圈絕緣,以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發生擊穿。

  4)線圈應盡可能繞制單層,這樣做可減小線圈的寄生電容,增強線圈對瞬時過電壓的而授能力。

  6. 1/4波長短路器

  1/4波長短路器是根據雷電波的頻譜分析和天饋線的駐波理論所制作的微波信號電涌保護器,這種保護器中的金屬短路棒長度是根據工作信號頻率(如900MHZ或1800MHZ)的1/4波長的大小來確定的。此并聯的短路棒長度對于該工作信號頻率來說,其阻抗無窮大,相當于開路,不影響該信號的傳輸,但對于雷電波來說,由于雷電能量主要分布在n+KHZ以下,此短路棒對于雷電波阻抗很小,相當于短路,雷電能量級被泄放入地。

  由于1/4波長短路棒的直徑一般為幾毫米,因此耐沖擊電流性能好,可達到30KA(8/20μs)以上,而且殘壓很小,此殘壓主要是由短路棒的自身電感所引起的,其不足之處是工頻帶較窄,帶寬約為2%~20%左右,另一個缺點是不能對天饋設施加直流偏置,使某些應用受到限制。

SPD的基本電路

  電涌保護器的電路根據不同需要,有不同的形式,其基本元器件就是上面介紹的幾種,一個技術精通的防雷產品研究工作者,可設計出五花八門的電路,好似一盒積木可搭出不同的結構圖案。研制出既有效又性能價格比好的產品,是防雷工作者的重任。

二、浪涌保護器(也稱防雷器)的分級防護

  由于雷擊的能量是非常巨大的,需要通過分級泄放的方法,將雷擊能量逐步泄放到大地。第一級防雷器可以對于直接雷擊電流進行泄放,或者當電源傳輸線路遭受直接雷擊時傳導的巨大能量進行泄放,對于有可能發生直接雷擊的地方,必須進行CLASS—I的防雷。第二級防雷器是針對前級防雷器的殘余電壓以及區內感應雷擊的防護設備,對于前級發生較大雷擊能量吸收時,仍有一部分對設備或第三級防雷器而言是相當巨大的能量會傳導過來,需要第二級防雷器進一步吸收。同時,經過第一級防雷器的傳輸線路也會感應雷擊電磁脈沖輻射LEMP,當線路足夠長感應雷的能量就變得足夠大,需要第二級防雷器進一步對雷擊能量實施泄放。第三級防雷器是對LEMP和通過第二級防雷器的殘余雷擊能量進行保護。

1、第一級保護

  目的是防止浪涌電壓直接從LPZ0區傳導進入LPZ1區,將數萬至數十萬伏的浪涌電壓限制到2500—3000V。

  入戶電力變壓器低壓側安裝的電源防雷器作為第一級保護時應為三相電壓開關型電源防雷器,其雷電通流量不應低于60KA。該級電源防雷器應是連接在用戶供電系統入口進線各相和大地之間的大容量電源防雷器。一般要求該級電源防雷器具備每相100KA以上的最大沖擊容量,要求的限制電壓小于1500V,稱之為CLASS I級電源防雷器。這些電磁防雷器是專為承受雷電和感應雷擊的大電流以及吸引高能量浪涌而設計的,可將大量的浪涌電流分流到大地。它們僅提供限制電壓(沖擊電流流過電源防雷器時,線路上出現的最大電壓稱為限制電壓)為中等級別的保護,因為CLASS I級保護器主要是對大浪涌電流進行吸收,僅靠它們是不能完全保護供電系統內部的敏感用電設備的。

  第一級電源防雷器可防范10/350μs、100KA的雷電波,達到IEC規定的最高防護標準。其技術參考為:雷電通流量大于或等于100KA(10/350μs);殘壓值不大于2.5KV;響應時間小于或等于100ns。

2、第二級防護

  目的是進一步將通過第一級防雷器的殘余浪涌電壓的值限制到1500—2000V,對LPZ1—LPZ2實施等電位連接。

  分配電柜線路輸出的電源防雷器作為第二級保護時應為限壓型電源防雷器,其雷電流容量不應低于20KA,應安裝在向重要或敏感用電設備供電的分路配電處。這些電源防雷器對于通過了用戶供電入口處浪涌放電器的剩余浪涌能量進行更完善的吸收,對于瞬態過電壓具有極好的抑制作用。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相45kA以上,要求的限制電壓應小于1200V,稱之為CLASS II級電源防雷器。一般用戶供電系統做到第二級保護就可以達到用電設備運行的要求了

  第二級電源防雷器采用C類保護器進行相—中、相—地以及中—地的全模式保護,主要技術參數為:雷電通流容量大于或等于40KA(8/20μs);殘壓峰值不大于1000V;響應時間不大于25ns。

3、第三級保護

  目的是最終保護設備的手段,將殘余浪涌電壓的值降低到1000V以內,使浪涌的能量有致損壞設備。

  在電子信息設備交流電源進線端安裝的電源防雷器作為第三級保護時應為串聯式限壓型電源防雷器,其雷電通流容量不應低于10KA。

  最后的防線可在用電設備內部電源部分采用一個內置式的電源防雷器,以達到完全消除微小的瞬態過電壓的目的。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相20KA或更低一些,要求的限制電壓應小于1000V。對于一些特別重要或特別敏感的電子設備具備第三級保護是必要的,同時也可以保護用電設備免受系統內部產生的瞬態過電壓影響。

  對于微波通信設備、移動機站通信設備及雷達設備等使用的整流電源,宜視其工作電壓的保護需要分別選用工作電壓適配的直流電源防雷器作為末級保護。

4、第四級及四級以上保護

  根據被保護設備的耐壓等級,假如兩級防雷就可以做到限制電壓低于設備的耐壓水平,就只需要做兩級保護,假如設備的耐壓水平較低,可能需要四級甚至更多級的保護。第四級保護其雷電通流容量不應低于5KA。

三、浪涌保護器的分類:

1、按工作原理分:

  1.開關型:其工作原理是當沒有瞬時過電壓時呈現為高阻抗,但一旦響應雷電瞬時過電壓時,其阻抗就突變為低值,允許雷電流通過。用作此類裝置時器件有:放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等。

  2.限壓型:其工作原理是當沒有瞬時過電壓時為高阻擾,但隨電涌電流和電壓的增加其阻抗會不斷減小,其電流電壓特性為強烈非線性。用作此類裝置的器件有:氧化鋅、壓敏電阻、抑制二極管、雪崩二極管等。

  3.分流型或扼流型

  分流型:與被保護的設備并聯,對雷電脈沖呈現為低阻抗,而對正常工作頻率呈現為高阻抗。

  扼流型:與被保護的設備串聯,對雷電脈沖呈現為高阻抗,而對正常的工作頻率呈現為低阻抗。

  用作此類裝置的器件有:扼流線圈、高通濾波器、低通濾波器、1/4波長短路器等。

2、按用途分:

  (1)電源保護器:交流電源保護器、直流電源保護器、開關電源保護器等。

  · 交流電源防雷模塊適用于配電室、配電柜、開關柜、交直流配電屏等系統的電源保護;

  · 建筑物內有室外輸入的配電箱、建筑物層配電箱; · 用于低壓( 220/380VAC)工業電網和民用電網;

  · 在電力系統中, 主要用于自動化機房、變電站主控制室電源屏內三相電源輸入或輸出端。

  適用于各種直流電源系統,如:

  · 直流配電屏;

  · 直流供電設備;

  · 直流配電箱;

  · 電子信息系統柜;

  · 二次電源設備的輸出端。

  (2)信號保護器:低頻信號保護器、高頻信號保護器、天饋保護器等。

  網絡信號防雷器適用范圍

  ·用于10/100Mbps SWITCH、HUB、ROUTER等網絡設備的雷擊和雷電電磁脈沖造成的感應過電壓保護; ·網絡機房網絡交換機防護; ·網絡機房服務器防護; ·網絡機房其它帶網絡接口設備防護; ·24口集成防雷箱主要應用于綜合網絡柜、分交換機柜內多信號通道的集中防護 視頻信號防雷器適用范圍

  主要用于視頻信號設備點對點的協擊保護,可保護各種視頻傳輸設備免受來自信號傳輸線的感應雷擊和電涌電壓帶來的危害,對相同工作電壓下的RF傳輸同樣適用。 集成式多口視頻防雷箱主要應用于綜合控制柜內硬盤錄像機、視頻切割器等控制設備的集中防護。

安裝方法

1。SPD常規安裝要求

  浪涌保護器采用35MM標準導軌安裝

  對于固定式SPD,常規安裝應遵循下述步驟:

  1)確定放電電流路徑

  2)標記在設備終端引起的額外電壓降的導線,。

  3)為避免不必要的感應回路,應標記每一設備的 PE導體,

  4)設備與SPD之間建立等電位連接。

  5)要進行多級SPD的能量協調

  為了限制安裝后的保護部分和不受保護的設備部分之間感應耦合,需進行一定測量。通過感應源與犧牲電路的分離、回路角度的選擇和閉合回路區域的限制能降低互感,

  當載流分量導線是閉合回路的一部分時,由于此導線接近電路而使回路和感應電壓而減少。

  一般來說,將被保護導線和沒被保護的導線分開比較好,而且,應該與接地線分開。同時,為了避免動力電纜和通信電纜之間的瞬態正交耦合,應該進行必要的測量。

2。SDP接地線徑選擇

  數據線:要求大于2.5mm2 ;當長度超過0.5米時要求大于4mm2。YD/T5098-1998。

  電源線:相線截面積S≤16mm2 時,地線用S ;相線截面積16mm2≤S≤35mm2 時,地線用16mm2 ;相線截面積S≥35mm2時,地線要求S/2 ;GB 50054第2.2.9條


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