防雷用过电压保护器与压敏电阻器的性能及应用

1引言

氧化锌压敏电阻器自1968年问世以来,以其优越的非线性导电特性在电力、电子技术领域被普遍用作线路、设备及元器件的过电压保护和浪涌吸收元件，创造了划时代意义的科技成就。它之所以有如此广泛的应用,应归功于其独特的晶界结构和性能。随着信息技术的迅速发展,低压供电系统及设备耐受过电压冲击的能力越来越被人们关注，作为过电压防护的主要元件――氧化锌压敏电阻器也得到越来越广泛的应用。众所周知,氧化锌压敏电阻器是吸收或释放线路中存在的雷电感应过电压和操作过电压的限压型保护元件,同时作为线路系统和设备的元件,还必须承受低压供电线路和设备均要承受的暂时过电压，因此氧化锌压敏电阻器在线路中应用时必须承受雷电过电压、操作过电压和暂时工频过电压的冲击,在此条件下它的性能和使用将是人们倍加注意的问题。本文系统论述防雷用氧化锌压敏电阻器、过电压保护器的性能、特点和应用。

2氧化锌压敏电阻器的性能

氧化锌压敏电阻器是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、经典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件。由于其独特的晶界结构，在一定电场下，晶界导电由热电子发射传导瞬间转变为电子隧道传导，其电阻值随着电压的增大而急剧减小，具有优异的非线性伏安特性。那么，当存在过电压时，晶界电子隧道效应抑制过电压峰值增长，吸收部分过电压能量，从而起到对线路或设备的防护作用。但是，不论压敏电阻器应用在电力线路或电子线路,若各种类型的过电压频繁出现, 则压敏电阻器就会频繁动作以抑制过电压幅值和吸收释放浪涌能量，保护电气设备及元器件,这势必会导致压敏电阻器的性能劣化乃至失效。

压敏电阻器的失效方式有3种:

（1）劣化，表现为漏电流增大,压敏电压显著下降,直至为零;

（2）炸裂，若过电压引起的浪涌能量太大,超过了所选用的压敏电阻器极限承受能力,则压敏电阻器在抑制过电压时将会发生陶瓷炸裂现象;

（3）穿孔，若过电压峰值特别高,导致压敏电阻器陶瓷瞬间发生电击穿,表现为穿孔。

其中，在进行分级防雷保护前提下，压敏电阻器的失效模式绝大部分表现为劣化和穿孔（即短路），因此，在使用压敏电阻器时，必须与之串联一个合适的断路器或保险丝，避免电路短路引起事故。

目前，国际上流行的过电压保护器就是将压敏电阻器与限流、过流和劣化告警装置有机地组合在一起，它除了具有过电压保护功能外，还具有防止自身劣化、导致电路短路的功能。

3氧化锌压敏电阻器与过电压保护器的应用

雷电是一种强电磁波，它会在载流导体中产生瞬间感应过电压。除防护直击雷电之外，更重要的是防护雷电感应过电压。实际上，雷电对电气设备的破坏主要来自感应过电压。因此，对感应过电压的防护已成为人们着重研究的课题。如已发布了建筑物和电气设备内部防雷即感应过电压防护的国家标准和IEC标准。通常，雷电波是通过电源线、信号传输线和空间交变电磁场感应到线路和电气设备中，对线路和电气设备的保护应从电源系统的防雷、信号系统的防雷和空间屏蔽3方面进行。[p]

3.1电源系统的过电压防护

依据线路绝缘结构理论及IEC61312、IEC664-1、IEC61643、GB50097-1994（2000年版）等标准，对建筑物和电气设备（如第三类防雷建筑物）进行感应过电压防护的绝缘结构，如图1所示。其对应保护级别如表1所示。

从图1可以看出，在220V/380V线路中的每一区域，都应该在其前面并联氧化锌压敏电阻器或过电压保护器，雷电感应过电压能量将通过逐级的防雷器件吸收和释放到大地中，达到保护线路和设备免受雷电破坏的目的；虽然应用于Ⅳ、Ⅲ区域的过电压保护器具有自身劣化断开电源的功能，但考虑到不同的接地状况，还应与过电压保护器串联合适的熔断器或空气开关。因此，必须研制开发各类过电压保护器和氧化锌压敏电阻器，西安无线电二厂已具有该类产品的开发和制造能力。

防雷保护元件的设置，必须遵循线路绝缘配合原则。根据IEC664-1标准，各防雷保护元件在其保护区域的额定脉冲电流条件下的峰值电压应远小于被保护设备的脉冲绝缘试验电压，西安无线电二厂开发生产的过电压保护器和压敏电阻器在其额定脉冲电流条件下的峰值电压如表1所示，经过与国外同型号产品的对比试验，其产品在额定脉冲电流条件下的峰值电压具有优势，其它性能指标处于同等水平。

3.2信号线的过电压防护

随着信息技术的高速发展，通信网络、数据网络和计算机网络系统中的重要设备更易被雷电感应过电压破坏，因此数据信号线路的过电压防护迫在眉睫，随之产生了由线路结构决定的计算机串口、数据线和同轴电缆专用的过电压保护器。这些防护元件一般由三极放电管与快速嵌位二极管相结合的两级保护组成，额定脉冲电流大于5kA（8μs/20μs），响应时间小于1ns，具有很低的工作电压、很高的使用频率和传速频率、很低的插入损耗。西安无线电二厂的该类产品已经批量生产，其性能完全可以满足被保护线路的技术指标。

3.3设备的电磁屏蔽

空间电磁场会对其附近一定空间内的电源设备和信号数据线路及其元器件产生破坏，目前只能通过对设备和线路按各自的防雷区施行多级屏蔽及屏蔽层良好接地的方法来避免此类问题的发生。但是，感应过电压防护效果与设计方案、施工质量及成本费用有极大关系，很难达到理想的屏蔽效果。因此对雷电感应过电压的防护主要集中在电源线和信号线系统，特别是在信号数据线路中使用的过电压保护器应该具有电磁屏蔽功能。[p]

4新产品介绍

下面简单介绍一下西安无线电二厂的几种新产品。

4.1工频电源和直流电源的过电压保护元件

4.1.1MYS报警指示型过电压保护器（MYS1～MYS9）

气象、通讯、邮电、金融、公安、民航等系统的220V/380V交流电源或直流电源可采用MYS4、MYS5、MYS6、MYS8、MYS9型过电压保护器及防雷箱，其性能和结构参数见表2和表3。这些产品的特点如下：

注：德国OBO公司、德利和DEHN公司、法国索尔公司的产品均采用西门子公司的瓷片。

（1）产品的通流能力达20kA～100kA，残压很低；

（2）响应速度快（≤25ns）；

（3）外壳材料采用美国杜邦公司的阻燃性能良好的尼龙材料,阻燃等级为UL94V-0级；

（4）采用最先进的模块化设计，无需切断电源和松开接线端子便可进行产品更换，采用国际通用标准轨道，安装简捷；

（5）该类产品可与断路器、熔断器、声光报警器或远程集中报警器组合成FLX型电源过电压保护箱，具有劣化指示、声光报警功能和远程监控报警端子；

（6）采用系列化设计，可实现线路纵横向不同保护方式的需要。

4.1.2FD3型过电压保护器

这种产品的特点如下：

（1）可用于220V/380V低压线路的初级过电压防护（相线、零线对地线），即OB～1防雷区；

（2）通流容量达60kA（10μs/350μs），保护水平为4kV，响应时间为100ns；

（3）标准轨道安装，方便快捷。

4.1.3FD1、FD2型过电压保护器

这些产品的特点如下：

（1）用于220V/380V低压线路TN(TNS,TNC)、TT系统中的N－PE等电位防护；

（2）与MYS4、MYS5、MYS6、MYS8配合进行工频电源的过电压保护；

（3）FD1、FD2的通流容量分别为20kA、40kA(8μs/20μs)；

（4）可以隔离不同接地，避免其相互影响；

（5）标准轨道安装，方便快捷。[p]

4.1.4MYL1―MYL10型压敏电阻器

该产品的特点是:

（1）通流能量为3kA～100kA;

（2）残压远低于产品标准要求,如对32瓷片

V1mA≤120V时,V2.5kA/V1mA=3.55(标准为4.46)

V1mA≥150V时,V5kA/V1mA=2.0(标准为3.08);

（3）已取得UL认证,并批量远销美国GE公司,如MYL1B/40,MYL1B/65。

4.1.5通用型MYD压敏电阻器5～20

该产品的特点是:

（1）通流能力(8μs/20μs)为50A～6500A；

（2）每种型号的性能水平达到日本松下公司1996/1997样品的水平,尤其是最大峰值电流(8μs/20μs)是国家标准SJ/T10348～10349-1993指标的两倍。

4.2信号线的过电压保护元件

4.2.1BYC1-09、BYC1-25/S-P(P-S)型串口保护器

用于数据处理系统和设备的精细级过电压保护器，广泛应用于邮电、通讯、证券、气象、学校、企业等领域的计算机及其网络系统的RS-232CD微型9针，25针串行接口的保护。

4.2.2程控交换机配线架防雷模块BYF201、BYF204

该产品采用限压型和开关型防雷元件组合的三端防雷模块,其通流容量为5kA，保护水平为400V，响应时间为25ns。

4.2.3电话线路的过电压保护器BYF202

该产品用于音频电话线路的过电压防护，通流容量为5kA，保护水平为350V。

4.2.4信号避雷器BYF205、BYF203、KXB-01、KXB-02

BYF205用于信号线的防护。BYF203用于有线电视传输线的防护。KXB-01、KXB-02用于同轴馈线的过电压防护。产品接口均符合国际和我国国家标准或特殊要求，使用频率为0～2.5GHz,特性阻抗分别为50Ω和75Ω。

4.3正在开发和完善的产品

西安无线电二厂的产品品种已覆盖直流和工频电源系统的Ⅳ，Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ区域和部分信号区域。目前正在开发的项目有对模拟信号、数字信号电路的过电压保护器进行模块化结构设计研究；对同轴馈线、计算机串口、电话线、数据线和程控交换机配线架防雷模块等用过电压保护器进行品种和性能的进一步完善。