浅谈浪涌保护器原理及应用

     摘 要：文章介绍了防雷击电磁脉冲的基本原理及所采取的保护措施,常用的浪涌保护器的性能和特点,并简单介绍了一些常用的SPD产品.

     关键词： 等电位联结 过电压保护 SPD 

      近年来,随着微电子技术的长足进步,个人PC、各类中型、大型及超大型计算机、大型程控交换机的运用越来越普及.由于这类电子设备内部有大量的对过电压十分敏感的大规模或超大规模集成电路,从而使由过电压造成的损失越来越大.针对这种现状,《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)中加入了第六章——防雷击电磁脉冲的内容.根据这一要求,一些生产厂家也推出了相应的过电压保护产品,也就是我们现在常说的浪涌保护器(Surge Protective Device烻PD).要保护电气和电子系统重要的是在电磁兼容性保护区内设置一套包括全部有源导线在内的完整的等电位联结系统.不同种类的过电压保护装置中放电元器件的物理特性在实际应用中既有优点,亦有缺点,因此采用多种元件组合的保护电路运用得更为广泛.

    但是,能满足具有当代技术水平的,能传导10/350μs脉冲电流的雷击电流放电器,用于二次配电的可插式浪涌保护器,电器电源保护装置直到电源滤波器所有技术要求的产品系列却是极为少见的.同样这种产品系列应该包括适用于所有的电路,即除电源外,还应包括用于测量、控制、调节技术电路和电子数据处理传输电路以及适用于无线和有线通讯的放电器,以便客户使用.

    本文将对目前常用的几种浪涌保护产品做简单的介绍并对其特性及适用场合做简略分析.

    1 等电位联结系统

    过电压保护的基本原理是在瞬态过电压发生的瞬间(微秒或纳秒级),在被保护区域内的所有金属部件之间应实现一个等电位.“等电位是用连接导线或过电压保护器将处在需要防雷的空间内的防雷装置、建筑物的金属构架、金属装置、外来的导体物、电气和电讯装置等连接起来.”(《建筑物防雷设计规范条文说明》)(GB50057-94).“等电位联结的目的在于减小需要防雷的空间内各金属部件和各系统之间的电位差”(IEC1312 3．4).《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94)中规定:“第3．1．2条装有防雷装置的建筑物,在防雷装置与其他设施和建筑物内人员无法隔离的情况下,应采取等电位联结.”在建立这个等电位联结网络时,应注意使相互之间必须进行信息交换的电器和电子设备与等电位联结带之间的连接导线保持最短距离.

    根据感应定理,电感量越大,瞬变电流在电路中产生的电压越高;(U＝L·di/dt)电感量大小主要和导线的长度有关,与导线截面关系不大.因此,应使接地导线尽可能的短.多条导线的并联连接可显著地降低电位补偿系统的电感量.为了将这两条付诸实践,理论上可以把应与等电位联结装置连在一起的所有电路和设备连在同一块金属板上.基于金属板的构想在补装等电位联结系统时可采用线状、星状或网状结构.设计新的设备时原则上应只采用网状的等电位联结系统.  2 将电源线路与等电位联结系统连接

    所谓瞬变电压或瞬变电流意味着其存在时间仅为微秒或毫微秒.浪涌保护的基本原理是:在瞬态过电压存在的极短时间内,在被保护区域内的所有导电部件之间建立起一个等电位.这种导电部件也包括电路中的电源线.人们需要响应速度快于微秒的元件,对于静电放电甚至要快于毫微秒.这种元件能够在极短的时间间隔内,将非常强大直到高达数倍于十千安的电流导出.在预期的雷击情况下按10/350μs脉冲计算,电流高达50kA.通过完备的等电位联结装置,可以在极短的时间内形成一个等电位岛,这个等电位岛对于远处的电位差甚至可高达数十万伏.但重要的是,在需要保护的区域内,所有导电部件都可认为具有接近相等或绝对相等的电位,而不存在显著的电位差.  3 浪涌保护器的安装及其作用

    浪涌保护电器元件从响应特性来看,有软硬之分.属于硬响应特性的放电元件有气体放电管和放电间隙型放电器,二者要么是基于斩弧技术(Arc-chopping)的角型火花隙,要么是同轴放电火花隙.属于软响应特性的放电元件有压敏电阻和抑制二极管.所有这些元件的区别在于放电能力、响应特性以及残余电压.由于这些元件各有优缺点,人们将其组合成特殊保护电路,以扬长避短.在民用建筑领域中常用的浪涌保护器主要为放电间隙型放电器和压敏电阻型放电器.

    闪电电流和闪电后续电流需要放电性能极强的放电器.为了将闪电电流通过等电位联结系统导入接地装置,建议使用根据斩弧技术带角型火花隙的雷击电流放电器.只有用它才能传导大于50kA的10/350μs脉冲电流还可以实现自动灭弧,这种产品应用的额定电压可达400V.此外,当短路电流达到4kA时,这种放电器不会引起额定电流为125A的保险丝熔断.

    由于其良好的性能,使得在保护区域内安装的仪器和设备的不间断工作特性得以大大提高.特别要指出的是,这里不仅取决于幅值很高的电流可以进行处理,更重要的是电流的脉冲形式起着决定性的作用.二者必须同时考虑.因此,虽然角型火花隙也能够输导最高达100kA的电流,但其脉冲形式较短(8/80μs).这种脉冲是冲击电流脉冲,在1992年10月以前是作为开发雷击电流放电器的设计基础.

    尽管雷击电流放电器放电能力很好,但总有其缺点:其剩余电压高达2．5~3．5kV.因此,在整体安装雷击电流放电器时,还需与其它的放电器组合使用.

    此类产品主要有阿西亚·布朗·勃法瑞(ABB)公司的Limitor M-B、Limitor NB-B、Limitor G-B、Limitor GN-B;德国DEHN同轴火花间隙的DEHNportMaxi(10/350μs,50kA/相)、DEHNport255(10/350μs,75kA/相);德国PHOENIX角型火花间隙:FLT60-400(10/350μs,60kA/相)、FLT25-400(10/350μs,25kA/相);Schneider的PRF1电涌保护器;MOELLER的VBF-系列产品.