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浪涌保护
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编号 1 修订内容简述 创建 修订日期 2014-03-10 修订后版本号 修订人 审核人 批准人 1.0 李玲合
杭州家和物联产品中心 2014年3月10日
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目 录
一、 浪涌保护概述 ............................................................................................................. 1 1.1、浪涌保护........................................................................................................................ 1 1.2、产生雷电浪涌的方式 .................................................................................................... 1 二、浪涌保护器的基本原理 ................................................................................................ 2 三、浪涌保护器的类型 ........................................................................................................ 2 3.1、电压型SPD ........................................................................................................... 2 3.2、电压开关型SPD ........................................................................................................... 2 3.3、组合型 ........................................................................................................................... 3 3.4、三种SPD的优缺点比较 .............................................................................................. 3 四、电压保护水平的定义 .................................................................................................... 3 4.1、电压型SPD的UP ................................................................................................. 4 4.2、电压开关型SPD的UP ................................................................................................. 4 4.3、组合型SPD的UP ......................................................................................................... 5 五、浪涌保护器最大持续运行电压的意义 ......................................................................... 6 六、浪涌保护电路 ................................................................................................................ 6
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一、 浪涌保护概述
1.1、浪涌保护
浪涌保护主要是保护电子设备免受雷电电涌的危害 ,也兼而使电子设备免受大部分操作电涌的危害。
电涌是指瞬态电冲击 ,包括电涌冲击、电流冲击和功率冲击。此处所谓瞬态是指持续时间大大低于工频周期 ( 0. 02 s) 的瞬变过程。对地闪击的雷电流波形的特点是上升时间极短 ( 0. 1 ～几个μ s) ,而下降时间相对较长 ( 几十到几百μ s) 的单极性波 。典型操作电涌波形是叠加在工频波形上的几百 Hz 到上百 kHz 的振荡波 ,整个持续时间不过几个工频周期 。雷电和操作电涌的峰值与很多因素有关 , 出现在建筑物内的电涌从近 kV 到几十 kV ,如不加以会损坏电子设备。
电子设备遭受雷害会引起电子设备的误动 ;电源设备和贵重的计算机及各种硬件设备的损坏 ,造成直接经济损失 ; 引起电子设备正常工作的中断 ,对社会造成不良影响和巨大的间接经济损失 ; 还可能在微电子芯片中留下潜伏性的隐患 ,使电子设备运行不稳定和加速老化 , 给有关系统的工作造成无穷的麻烦。
1.2、产生雷电浪涌的方式
(1) 直击雷引起的反击。信息系统一般不暴露在可能直接遭受雷击的场所 ,直击雷直接破坏电子设备几无可能。雷害破坏电子设备的方式可能是由直击雷电流通过接地装置时造成的高电压使电子设备的薄弱环节击穿。这种雷害方式称为反击。
(2) 侵入波。雷电击中与电子设备连接的户外架空线 ( 交流配电线、信号线、电话线) , 则雷电波就会沿线传入。这种方式称为侵入波。由于户
外线延伸很广 ,因此雷电侵入的可能性较大。
(3) 雷电感应。直击雷电流通过引下线 ( 如建筑物结构钢筋) 时在室内引起电磁感应。虽然感应电压不如前述几种高 , 却也足以破坏电子元件 ,而且它最接近电子设备 ,在建筑物内部各处都可能出现。设备越是接近雷电流引下线 , 感应电压越高。另一种情况是雷击建筑物附近地面 , 雷击通道的强电流产生的磁场也能在建筑物内部引起电磁感应。如雷电流较大 , 建筑物附近1. 5 ～2 km的雷击就有可能影响室内的电子设备。
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二、浪涌保护器的基本原理
浪涌保护器 ( Surge Protec2tion Device ,SPD ) ,按国际电工委员会的定义 , 电涌保护器是 : “用于瞬态过电压和泄放浪涌电流的装置 , 它至少应包含一个非线性元件。”电涌保护器并联在被保护设备两端 , 通过泄放浪涌电流、浪涌电压来保护电子设备。泄放雷电流、浪涌电压这两个作用都是由其非线性元件(一个非线性电阻 , 或是一个开关元件) 完成的。在被保护电路正常工作 ,瞬态电涌未到来以前 ,此元件呈现极高的电阻 ,对被保护电路没有影响 ; 而当瞬态电涌到来时 , 此元件迅速转变为很低的电 阻 ,将浪涌电流旁路 ,并将被保护设备两端的电压在较低的水平。到电涌结束 , 该非线性元件又迅速、自动地恢复为极高电阻。如果这个动作与恢复的过程能迅速而顺利地完成 , 被保护设备和电路就不会遭受雷电或操作电涌的危害 , 其工作也不会被中断。
三、浪涌保护器的类型
浪涌保护器的类型有三种.分别是:电压型;电压开关型;组合型(串联型和并联型).
3.1、电压型SPD
电压型 SPD 的核心保护元件为各种非线性电阻性元件 ,具有连续的伏安特性 ,随着电流增大 ,电阻连续减小。电源 SPD 中最普遍的是金属氧化物非线性电阻 ( 简称 MOV) , 有时又称压敏电阻。 MOV 元件常为圆片或方片状 , 由多种金属氧化物 ( 主要是 ZnO) 组成。无电涌时 MOV 处于小电流密度区 , 电涌通过时处于饱和区 , 有箝位作用 。此外 , 还有箝位二极管 、瞬态电压抑制器 ( 一种专门用来大电流瞬态的二极管 ,简称TVS ) 和硅雪崩二极管 ( 简称 SAD) 等。SPD 可用其中的一种 ,也可以是几种的混合 ,均称作电压型。
3.2、电压开关型SPD
电压开关型 SPD 的核心保护元件是各种开关型器件 ,如开放的空气间隙、封闭的气体放电管和晶闸管等。电源 SPD 中最常用的是间隙。开关型
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器件也是非线性元件 ,但伏安特性不连续 ,在小电压时基本上为开路状态 ; 电压高到一定程度时两电极间电阻突然降低 , 转为低阻状态.
3.3、组合型
在有关国际和国家标准中 , 组合型 SPD 只指电压开关型元件和电压型元件的组合 , 两者串联或并联。组合型 SPD 也具有非线性特性 , 但是伏安特性不连续。其表现与电压、电流有关 ,有时呈现电压开关型特性 , 有时呈现电压型特性。
3.4、三种SPD的优缺点比较
类型 响应时间 电压型 电压开关型 组合型(串联) 组合型(并联) MOV较快 先平稳,后突变 小 很大,可自熄 有 较快 <25ns 较慢 <100ns 较慢 较平稳 大 突变 大 很大,可自熄 较小 基本无 基本无 高,但可触发降低 高,但可触发降低 高,但可触发降低 会,但可延缓 不会 特性 动作平稳性 动作分散性 平稳 无 续流 极小 泄漏电流 有 电压保护水平 较低 会,但可延缓 不会 老化 四、电压保护水平的定义
按GB18802.1对电压保护水平的定义是:电压保护水平(Voltage Protection Level)Up表征SPD接线端子见电压的性能参数,其值可从优先值的列表中选择.改制应大于电压的最高值.这就是说,Up是制造厂想使用者提供的表示SPD瞬态浪涌电压的能力.一个SPD在一定的条件下测试时,由于产品工艺分散性或保护元件动作的分散性,电压(值实际测试到的)有一定分散性.电压保护水平的取值应高于其任何一个数值,并且应
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靠向SPD标准规定的一系列优先值之一,当然是较高而最近的一个.Up的测试条件也就是模拟最通常的应用情况,对不同结构类型是不同的.上述定义中未具体说明Up的测试条件,下文加以说明.
4.1、电压型SPD的Up
电压型SPD的Up如图1所示:
u
Up
t
图1 限压型SPD上的电压波
电压性保护元件的电压与电流有很大关系.国家标准规定在SPD的标称放电电流In下测试,因为这是语气所用SPD从各种雷电浪涌侵入途径可能遇到多次的雷电流,从而也使被保护设备受到可靠保护的条件.
电压型SPD上的电压波形 雷电侵入波 4.2、电压开关型SPD的Up
电压开关型SPD的Up如图2所示:
u
Up
t
图2 开关型SPD上的截断波
多数电压开关型SPD的核心保护元件是间隙,是通过间隙在雷电浪涌下的击穿而电压的.间隙在击穿前两端所承受的最大电压就是其电压.由于间隙的击穿电压与电压上升陡度有很大关系,陡度越大,击穿电压越高.
瞬态浪涌的上升陡度是很高的.因此在确定间隙的Up时必须规定电压上升陡度.通常规定电压上升陡度为1kV/us.
雷电侵入波 电压开关型SPD上的电压波形 浪涌保护文档
4.3、组合型SPD的Up
组合型SPD将电压型保护元件和电压开关型保护元件串联或并联.串联的组合SPD的电压是电压型元件电压与电压开关型元件电压值和,但两者的最大值不是同时出现的.以间隙和金属氧化物电阻(MOV)的串联为例(见图3),首先是间隙击穿,此后才能将MOV接入.所以在电压波形上出现两个峰值,第一个是间隙的击穿电压,第二个是MOV的电压.必须注意串联组合SPD电压的特点,其电压保护水平取决于这两个峰值中的较大者.
u
Up
串联组合型SPD上的电压波
t
图3 串联组合型SPD电压波形
并联组合型SPD的电压也取决于电压性元件电压与电压开关型元件电压.以间隙和金属氧化物电阻(MOV)的并联为例(见图4).首先是MOV起限压作用,当MOV上的电压达到间隙的击穿电压时,间隙击穿,SPD上的电压不再上升.因此,并联组合型SPD取决于间隙的击穿电压.至于通过MOV的最大电流是否超过其可承受的电流时MOV的通流容量问题,SPD设计时应予以考虑.
u
Up
t
图3 并联组合型SPD电压波形
雷电侵入波 雷电侵入波 并联组合型SPD上的电压波浪涌保护文档
五、浪涌保护器最大持续运行电压的意义
由于不能预料什么时候会发生雷击,SPD需长期接入电源电路,承受电源上各种电压的作用.最大持续运行电压Uc主要是对MOV等电压型保护元件而言,指SPD能长期承受而不劣化的电压.这也规定为SPD的额定电压.对间隙这种电压开关型保护元件,最大持续运行电压的含义有所不同.SPD当然要来承受一定的工作电压Uo(稳态电压),但不能改变它.最大持续运行电压的考虑应涉及电网的正常波动、调节和谐波.至于异常情况发生的过电压,在目前技术水平下,SPD只能瞬态浪涌电压,但SPD不能承受、更不能电网的暂态过电压.暂态过电压指电网故障(短路,断线等)引起的持续几个周期或几秒(因故障未及时消除)的工频过电压.这也是SPD设计时应预计到的.
最大持续运行电压的要求设计SPD长期运行的可靠性,这是SPD雷电下工作可靠性的前提.最大持续运行电压也是影响SPD产品电压保护水平的确定.
六、浪涌保护电路
系统连续运行的情况下, 如图4所示电源电路浪涌(冲击)抗扰度测试等级可以达到3级(开路试验电压2kV).
AC-DC电源模块的输入电压范围:85~2VAC.
F1: 自恢复保险丝, 必接, 推荐规格为2A/250V. 作用:防止输入端电流过大.
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NTC1: NTC热敏电阻, 25℃时零功率电阻值范围为: 5~10Ω. 推荐规格为5D-9. 如果板子空间允许最好选择5D-11或5D-15等. 作用:一方面防止AC-DC电源模块刚上电瞬间,电流过冲;另一方面防止浪涌冲击.
RV1,RV2,RV3: 压敏电阻, 推荐规格为561KD14, 通流量选的应尽可能大(8/20us).作用: 在被保护电路正常工作 ,瞬态电涌未到来以前 ,此元件呈现极高的电阻 ,对被保护电路没有影响 ; 而当瞬态电涌到来时 , 此元件迅速转变为很低的电阻 ,将浪涌电流旁路 ,并将被保护设备两端的电压在较低的水平。到电涌结束 , 该非线性元件又迅速、自动地恢复为极高电阻.
如果要求有更高的浪涌保护等级:在输入端可增加共模电感,安规电容(X, Y电容), 绕线电阻等进行保护,当然也可使用专门的浪涌保护模块.
