簡(jiǎn)談浪涌保護(hù)器原理及應(yīng)用
摘 要 文章介紹了防雷擊電磁脈沖的基本原理及所采取的保護(hù)措施，常用的浪涌保護(hù)器的性能和特點(diǎn)，并簡(jiǎn)單介紹了一些常用的SPD產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞 等電位聯(lián)結(jié) 過電壓保護(hù) SPD
近年來，隨著微電子技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，個(gè)人ＰＣ、各類中型、大型及超大型計(jì)算機(jī)、大型程控交換機(jī)的運(yùn)用越來越普及。由于這類電子設(shè)備內(nèi)部有大量的對(duì)過電壓十分敏感的大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路，從而使由過電壓造成的損失越來越大。針對(duì)這種現(xiàn)狀，《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》ＧＢ５００５７－９４（２０００年版）中加入了第六章——防雷擊電磁脈沖的內(nèi)容。根據(jù)這一要求，一些生產(chǎn)廠家也推出了相應(yīng)的過電壓保護(hù)產(chǎn)品，也就是我們現(xiàn)在常說的浪涌保護(hù)器（Ｓｕｒｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ＤｅｖｉｃｅＳＰＤ）。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)置一套包括全部有源導(dǎo)線在內(nèi)的完整的等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)。不同種類的過電壓保護(hù)裝置中放電元器件的物理特性在實(shí)際應(yīng)用中既有優(yōu)點(diǎn)，亦有缺點(diǎn)，因此采用多種元件組合的保護(hù)電路運(yùn)用得更為廣泛。
但是，能滿足具有當(dāng)代技術(shù)水平的，能傳導(dǎo)１０／３５０μｓ脈沖電流的雷擊電流放電器，用于二次配電的可插式浪涌保護(hù)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)該包括適用于所有的電路，即除電源外，還應(yīng)包括用于測(cè)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。
本文將對(duì)目前常用的幾種浪涌保護(hù)產(chǎn)品做簡(jiǎn)單的介紹并對(duì)其特性及適用場(chǎng)合做簡(jiǎn)略分析。
１ 等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)
過電壓保護(hù)的基本原理是在瞬態(tài)過電壓發(fā)生的瞬間（微秒或納秒級(jí)），在被保護(hù)區(qū)域內(nèi)的所有金屬部件之間應(yīng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)等電位。“等電位是用連接導(dǎo)線或過電壓保護(hù)器將處在需要防雷的空間內(nèi)的防雷裝置、建筑物的金屬構(gòu)架、金屬裝置、外來的導(dǎo)體物、電氣和電訊裝置等連接起來。”（《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范條文說明》）（ＧＢ５００５７－９４）。“等電位聯(lián)結(jié)的目的在于減小需要防雷的空間內(nèi)各金屬部件和各系統(tǒng)之間的電位差”（ＩＥＣ１３１２ ３．４）。《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（ＧＢ５００５７－９４）中規(guī)定：“第３．１．２條裝有防雷裝置的建筑物，在防雷裝置與其他設(shè)施和建筑物內(nèi)人員無法隔離的情況下，應(yīng)采取等電位聯(lián)結(jié)。”在建立這個(gè)等電位聯(lián)結(jié)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)注意使相互之間必須進(jìn)行信息交換的電器和電子設(shè)備與等電位聯(lián)結(jié)帶之間的連接導(dǎo)線保持最短距離。
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）電感量大小主要和導(dǎo)線的長(zhǎng)度有關(guān)，與導(dǎo)線截面關(guān)系不大。因此，應(yīng)使接地導(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(shí)踐，理論上可以把應(yīng)與等電位聯(lián)結(jié)裝置連在一起的所有電路和設(shè)備連在同一塊金屬板上。基于金屬板的構(gòu)想在補(bǔ)裝等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)時(shí)可采用線狀、星狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)新的設(shè)備時(shí)原則上應(yīng)只采用網(wǎng)狀的等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)。
２ 將電源線路與等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)連接
所謂瞬變電壓或瞬變電流意味著其存在時(shí)間僅為微秒或毫微秒。浪涌保護(hù)的基本原理是：在瞬態(tài)過電壓存在的極短時(shí)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(gè)等電位。這種導(dǎo)電部件也包括電路中的電源線。人們需要響應(yīng)速度快于微秒的元件，對(duì)于靜電放電甚至要快于毫微秒。這種元件能夠在極短的時(shí)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１０／３５０μｓ脈沖計(jì)算，電流高達(dá)５０ｋＡ。通過完備的等電位聯(lián)結(jié)裝置，可以在極短的時(shí)間內(nèi)形成一個(gè)等電位島，這個(gè)等電位島對(duì)于遠(yuǎn)處的電位差甚至可高達(dá)數(shù)十萬伏。但重要的是，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(duì)相等的電位，而不存在顯著的電位差。
３ 浪涌保護(hù)器的安裝及其作用
浪涌保護(hù)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。由于這些元件各有優(yōu)缺點(diǎn)，人們將其組合成特殊保護(hù)電路，以揚(yáng)長(zhǎng)避短。在民用建筑領(lǐng)域中常用的浪涌保護(hù)器主要為放電間隙型放電器和壓敏電阻型放電器。
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等電位聯(lián)結(jié)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５０ｋＡ的１０／３５０μｓ脈沖電流還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滅弧，這種產(chǎn)品應(yīng)用的額定電壓可達(dá)４００Ｖ。此外，當(dāng)短路電流達(dá)到４ｋＡ?xí)r，這種放電器不會(huì)引起額定電流為１２５Ａ的保險(xiǎn)絲熔斷。
由于其良好的性能，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，更重要的是電流的脈沖形式起著決定性的作用。二者必須同時(shí)考慮。因此，雖然角型火花隙也能夠輸導(dǎo)最高達(dá)１００ｋＡ的電流，但其脈沖形式較短（８／８０μｓ）。這種脈沖是沖擊電流脈沖，在１９９２年１０月以前是作為開發(fā)雷擊電流放電器的設(shè)計(jì)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)２．５～３．５ｋＶ。因此，在整體安裝雷擊電流放電器時(shí)，還需與其它的放電器組合使用。
此類產(chǎn)品主要有阿西亞·布朗·勃法瑞（ＡＢＢ）公司的Ｌｉｍｉｔｏｒ Ｍ－Ｂ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＮＢ－Ｂ、Ｌｉｍｉｔｏｒ Ｇ－Ｂ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＧＮ－Ｂ；德國ＤＥＨＮ同軸火花間隙的ＤＥＨＮｐｏｒｔＭａｘｉ（１０／３５０μｓ，５０ｋＡ／相）、ＤＥＨＮｐｏｒｔ２５５（１０／３５０μｓ，７５ｋＡ／相）；德國ＰＨＯＥＮＩＸ角型火花間隙：ＦＬＴ６０－４００（１０／３５０μｓ，６０ｋＡ／相）、ＦＬＴ２５－４００（１０／３５０μｓ，２５ｋＡ／相）；Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ的ＰＲＦ１電涌保護(hù)器；ＭＯＥＬＬＥＲ的ＶＢＦ－系列產(chǎn)品。
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的電壓限位作用。壓敏電阻工作極為迅速，響應(yīng)時(shí)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)４０ｋＡ ８／２０μｓ脈沖的電流，因而很適合做電源第二級(jí)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(huì)ＩＥＣ １０２４－１文獻(xiàn)中記載，要處理脈沖為１０／３５０μｓ的電荷量，相當(dāng)于８／２０μｓ脈沖情況下電荷量的２０倍。
Ｑ（１０／３５０）μｓ＝２０×Ｑ（８／２０）μｓ
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Ｐ－Ｎ結(jié)過載時(shí)會(huì)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(huì)在敏感的測(cè)試電路中引起測(cè)量數(shù)據(jù)誤差，同時(shí)，特別是在額定電壓高的電路中，會(huì)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(hào)傳輸線路中使用。電容和導(dǎo)線電感形成一個(gè)低通電路，會(huì)使信號(hào)極大地衰減。但頻率大約在３０ｋＨｚ以下的衰減可以忽略不計(jì)。
此類產(chǎn)品主要有ＡＢＢ的Ｌｉｍｉｔｏｒ Ｖ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＶＴＳ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＶＥ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＶＥＴＳ、Ｌｉｍｉｔｏｒ ＧＥ－Ｓ；Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ的ＰＲＤ系列可更換式電涌保護(hù)器；ＭＯＥＬＬＥＲ的ＶＲ７－ ＶＳ７－系列產(chǎn)品；德國ＤＥＨＮ的ＤＥＨＮｇｕａｒｄ３８５（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）、ＤＥＨＮｇｕａｒｄ２７５（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）；德國ＰＨＯＥＮＩＸ的ＶＡＬ－ＭＳ４００ＳＴ（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）、ＶＡＬ－ＭＥ４００ＳＴ／ＦＭ（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）；國產(chǎn)萬馬神的ＤＢ３０－４Ａ／Ｂ（８／２０μｓ，３０ｋＡ／相）、ＤＢ４０－４Ａ／Ｂ（８／２０μｓ，４０ｋＡ／相）。
４ 根據(jù)過電壓保護(hù)的方案安裝浪涌保護(hù)器
包含單個(gè)保護(hù)元件或者組合保護(hù)電路，又按安裝技術(shù)條件集成一體的組合件（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電壓保護(hù)，至少應(yīng)分成兩級(jí)。如電源，各個(gè)只包含一級(jí)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(jí)保護(hù)。為了達(dá)到有效的過電壓保護(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(gè)保護(hù)范圍，包括從閃電保護(hù)區(qū)０，過電壓保護(hù)區(qū)１至３，直到干擾電壓保護(hù)區(qū)具有更高的序號(hào)。
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(hào)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。保護(hù)區(qū)的序號(hào)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(gè)十分有效的保護(hù)圈內(nèi)，這樣的保護(hù)圈可以針對(duì)單個(gè)的電子設(shè)備，也可以是一個(gè)裝有多個(gè)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(shí)接過電壓保護(hù)放電器。
浪涌保護(hù)器的選擇取決于各個(gè)電路和參數(shù)。浪涌保護(hù)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１．２／５０μｓ脈沖測(cè)試。并聯(lián)時(shí)，即在有源導(dǎo)線和地之間接上放電器時(shí)，無需注意放電器的額定電流，因?yàn)轭~定電流并不通過放電器。
電路裝有串聯(lián)浪涌保護(hù)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，浪涌保護(hù)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(jì)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)化的過電壓保護(hù)方案，用戶需要與電氣和電子設(shè)備的規(guī)劃人員，及建筑設(shè)計(jì)人員及時(shí)對(duì)話。正是在設(shè)計(jì)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)到過電壓保護(hù)的目的。在設(shè)計(jì)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)備線路的布置奠定基礎(chǔ)。按電路參數(shù)而挑選出的浪涌保護(hù)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(gè)優(yōu)秀而便于應(yīng)用的過電壓保護(hù)方案成功地付諸實(shí)踐。
參考文獻(xiàn)《電子設(shè)備的雷電及過電壓保護(hù)》
滬公網(wǎng)安備31010802001143號(hào)
