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1引言 电路在雷击或接通、断开电感负载或切投大型负载时常常会产生很高的操作过电压，这种瞬时过电压称为浪涌电压，是1种瞬变干扰，例如直流6V继电器线圈断开时会出现300V～600V的浪涌电压；接通白炽灯时会出现8倍～10倍额定电流的浪涌电流；当接通大型容性负载如补偿电容器组时，常会出现大的浪涌电流冲击，使得电源电压突然降低；当切断空载变压器时也会出现高达额定电压8倍～10倍的操作过电压。消除浪涌噪声干扰、防止浪涌损害一直是自动化设备安全可靠运行的核心问题。浪涌电压日趋严重地危机自动化设备的安全工作。现代电子设备的集成化程度不断提高，但是它们抗御浪涌电压的能力在下降。在多数情况下，浪涌电压会损坏电路及其部件，其损坏程度与器件的耐压强度密切相关，并且与电路中可以转换的能量相关。 为了避免浪涌电压击毁敏感的自动化设备，必须使出现这种浪涌电压的导体在非常短的时间内同电位均衡系统短接（引入大地）。在其放电过程中，放电电流可以高达几千安，与此同时，人们往往期待保护单元在放电电流很大时也能将输出电压限定在尽可能低的数值上。因此，空气火花间隙、充气式过电压放电器、压敏电阻器、雪崩二极管、TVS（Transientvoltagesuppressor）、FLASHTRAB、VALETRAB、SOCKETTRAB、MAINTRAB等元器件，是单独或以组合电路形式应用在被保护电路中，因为每个元器件有其各自不同的特性，并且放电能力、响应特性、灭弧性能、限压精度均不同，根据不同的应用场合以及设备对浪涌电压保护的要求，可根据各类产品的特性组合出符合应用要求的过电压保护系统。 2浪涌电压吸收器 对于浪涌噪声，常用浪涌吸收器进行吸收。 2.1氧化锌压敏电阻器 氧化锌压敏电阻器是以氧化锌为主体材料制成的氧化锌压敏电阻器，其电压非线性系数高、容量大、残压低、漏电流小、无续流、伏安特性对称、电压范围宽、响应速度快、电压温度系数小，且具有工艺简单、成本低廉等优点，是目前广泛使用的浪涌电压保护器件，适用于交流电源电压的浪涌吸收、各种线圈、接点间浪涌电压吸收及灭弧，三极管、晶闸管等电力电子器件的浪涌电压保护。 2.2R、C、D组合浪涌吸收器 R、C、D组合浪涌吸收器比较适用于直流电路，可根据电路的特性对器件进行不同的组合，如图1所示，（a）为适用于高电平直流控制系统，（b）是齐纳稳压管或双向二极管，适用于正反向需要保护的电路。 2.3瞬态电压抑制器（Transientvoltagesuppressor—TVS） 当TVS两极受到反向高能量冲击时，它能以10－12s级的速度将其两极间的阻抗由高变低，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极的电位箝位于预定值，有效地保护自动化设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点，目前被广泛应用于电子设备等领域。 TVS的正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2是TVS的电流时间和电压时间曲线。在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压Vbr而被击穿。随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流Ipp，同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压Vc以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的过程。
2.4浪涌保护器（SPD） 在建筑物的不同防雷区（LPZ）界面和所需的特定位置上设置浪涌保护器（SPD）是建筑物防浪涌综合保护措施中至为关键的1项措施。SPD的主要作用是当浪涌来临动作后，钳压和泄流以及暂态均压。下面介绍SPD的技术特性参数。 2.4.1电压参数 2000年版标准规范提及的电压类参数主要有最大钳压、残压、电压保护水平、最大持续电压和最大电涌电压。 （1）残压 表示在SPD上泄放标称放电电流时SPD两端的最大电位差。 （2）最大钳压 对压敏电阻器这类限压型SPD来讲，可以理解为SPD钳压功能恶化情况下的残压。 （3）最大电涌电压 为SPD最大残压加上SPD两引线寄生电感上的感应电压，亦为被保护设备实际承受的最大过电压。 （4）最大持续运行电压 可能持续加于SPD两端的最大交流电压有效值和直流电压。超过此值运行，SPD将遭受热损坏。 SPD产品电压类参数常标以额定电压、持续运行电压、残压，它们之间的关系是：持续运行电压<额定电压<残压。 2.4.2电流类参数 主要有标称放电电流、最大放电电流、冲击电流。 （1）标称放电电流 流过SPD的模拟雷电流波的波头时间/半值时间=8/20的电流波的峰值。 （2）最大放电电流 用于SPD2级分类试验，8/20电流波峰值电流，亦称通流容量。 （3）冲击电流 用于SPD1级分类试验。在保护设计中，这两大类参数是选用SPD具体规格时必须明确的。 2.4.3SPD的分类 电涌保护器SPD主要有电压开关型SPD和限压型SPD两类，均为非线性组件。 （1）电压开关型（VST）SPD的特点 无电涌时呈高阻抗，在电涌暂态过电压作用下突变为低阻抗。如放电间隙、充气放电管等组件，一般可用于LPZO区、1区。 （2）限压型（VLT）SPD的特点 无电涌时呈高阻抗，随着电涌增大，阻抗连续变小，典型组件为压敏电阻器，抑制二极管等，一般可用于LPZ1区、2区等。 3 综合性浪涌保护系统组合 3.13级保护 对于自动化控制系统所需的浪涌保护应在系统设计中进行综合考虑，针对自动化控制装置的特性，应用于该系统的浪涌保护器基本上可以分为3级，对于自动化控制系统的供电设备来说，需要雷击电流放电器、过压放电器以及终端设备保护器。数据通信和测控技术的接口电路，比各终端的供电系统电路显然要灵敏得多，所以必须对数据接口电路进行仔细保护。 自动化装置的供电设备的第一级保护采用的是雷击电流放电器，它们不是安装在建筑物的进口处，就是在总配电箱里。为保证后续设备承受的剩余残压不太高，必须根据对保护范围的性质安装第2级保护。在下级配电设施中安装过电压放电器，作为2级保护措施，第3级保护是为了保护仪器设备，采取的方法是把过电压放电器直接安装在仪器的前端。自动化控制系统3级保护布置如图3所示，在不同等级的放电器之间，必须遵守导线的最小长度规定。供电系统中雷击电流放电器与过压放电器之间的距离不得小于10m，过压放电器同仪器设备保护装置之间的导线距离不应小于5m。 3.23级保护器件 3.2.1充有惰性气体的过电压放电器 这是自动化控制系统中应用较广泛的1级浪涌保护器件。充有惰性气体的过电压放电器，一般构造的这类放电器可以排放20kA（8/20）μs或者2.5kA（10/350）μs以内的瞬变电流。气体放电器的响应时间处于毫微秒范围，广泛应用于远程通信范畴。该器件的1个缺点是它的触发特性与时间相关，其上升时间的瞬变量同触发特性曲线在几乎与时间轴平行的范围里相交。因此保护电平将同气体放电器额定电压相近。而特别快的瞬变量将同触发曲线在10倍于气体放电器额定电压的工作点相交，即如果某个气体放电器的最小额定电压为90V，那么线路中剩余的残压可高达900V。它的另一个缺点是可能会产生后续电流。在气体放电器被触发的情况下，尤其是在阻抗低、电压超过24V的电路中会出现下列情况：即原来希望维持几个毫秒的短路状态，会因为该气体放电器继续保持下去，由此引起的后果可能是该放电器在几分之一秒的时间内爆碎。所以在应用气体放电器的过电压保护电路中应该串联1个熔断器，使得这种电路中的电流很快被中断。 3.2.2压敏电阻器 压敏电阻器被广泛作为系统中的2级保护器件，因压敏电阻器在纳秒时间范围内具有更快的响应时间，不会产生后续电流的问题。在测控设备的保护电路中，压敏电阻器可以用于放电电流为2.5kA～5kA（8/20）μs的中级保护装置。压敏电阻器的缺点是存在老化和较高的电容问题，老化是指压敏电阻器中二极管的PN结通常在过载情况下会造成短路，其漏电流将因此而增大，其值的大小取决于承载的频繁程度。应用于灵敏的测量电路中将造成测量失真，并且器件易发热。压敏电阻器的大电容问题使它在许多场合不能应用于高频信息传输线路，这些电容将同导线的电感一起形成低通环节，从而对信号产生严重的阻尼作用。不过，在30kHz以下的频率范围内，这一阻尼作用可以忽略。 3.2.3抑制二极管 抑制二极管一般用于高灵敏的电子回路，其响应时间可达皮秒级，而器件的限压值可达额定电压的1.8倍。其主要缺点是电流负荷能力很弱、电容相对较高，器件自身的电容随着器件额定电压变化，即器件额定电压越低，电容则越大，这个电容也会同相连的导线中的电感构成低通环节，而对数据传输产生阻尼作用，阻尼程度与电路中的信号频率相关。 4 电涌保护器的选择步骤及设置原则 SPD选型的实质是正确确定电压保护水平（残压）U及最大放电电流，保持U小于被保护设备的耐压等级，从而保护设备。（规范表644给出380/220V三相系统各种设备绝缘耐冲击电压额定值）。 4.1SPD的选择步骤（规范实例分析） （1）确定建筑物防雷等级 从规范中确定首次雷击及首次雷击以后的雷电流参量，亦可由年均雷暴日T来查取雷电流幅值的雷击概率（从实测的雷电流幅值的雷击概率曲线上查看）。 （2）明确引入室内的各类管线及芯数 查取规范中进入建筑物的各种设施之间的雷电流分配，并估算出各管线的雷电流分流值。 （3）明确被保护对象的耐冲击电压水平（查规范表6.4.4）。 （4）明确防雷区界面 根据不同界面选用不同级别分类试验的SPD，应使电涌下流经SPD的实际雷电电流值小于以下值：1级分类试验下，雷电流波形可采用10/350μs波；2级分类试验下，雷电流波形可采用8/20μs波；同一电流幅值下，前者电子设备（可看作负载电阻器）单位负载电阻器吸收的能量大于后者。 （5）确定最大持续运行电压 这里讨论的SPD用于低压配电系统中各类电气设备、线路，应明确建筑物内电源系统的接地形式。规范给出TT系统、TN系统、IT系统下Ue值的确定。概念上易于理解，SPD可长期正常运行。 （6）根据Ue和电涌下流经SPD的实际电流I定出SPD的残压U。 （7）计算SPD引线感应电压Ldi/dt（L是每米直导线电感，di/dt为最大电流陡度），可根据首次及首次以后雷击的雷电流参量确定，取其最大值。 （8）计算最大电涌电压 最大电涌电压=U（残压）＋Ldi/dt<设备耐受电压。 （9）应注意SPD熄灭工频续流能力以及SPD应具有足够的暂态能量的耐受能力。 4.2SPD设置原则 应遵循分级保护的原则。对建筑物应由外及内，即从总电源配电箱到设备前端箱要分级保护。从粗保护到精细保护。 （1）在建筑物电源进线处装备大容量SPD 多数情况下它是最重要的，统计证明可分走80％以上的电涌电流。多雷区宜采用特大泄放电流的SPD。少雷区（T≤15d/a）宜采用较小泄放电流的SPD。大容量配电变压器高低压绕组耦合尖峰电流较大，宜采用大容量SPD。 （2）线路中段应设中等容量SPD，就地配电箱应设小容量SPD。电源进线处的SPD是最重要的，但也是最低水平的保护，它对抑制出现在信息系统机房设备面临的内部电涌不起作用。分支线（或分配电盘）及终端配电盘内的SPD具有同样的重要性，具有外部电涌后备保护和内部电涌直接保护的双重功能。 |