低压电涌保护器中元件工作原理及应用

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1、 低压电涌保护器中元件的工作原理及应用低压电涌保护器中元件的工作原理及应用 摘要摘要：雷电产生的雷电电磁脉冲、电气系统开关操作引起的开关电磁脉冲以及静电放电对敏感的电子设备造成了极大的危害。通过分析气体放电管的结构、原理、电器特性；压敏电阻结构、原理、主要参数；低压电涌保护器结构等。同时测出低压电涌保护器元件在电泳时的电压和电流特性。根据低压供电系统中各部分保护需求的不同，我们分别选择具有合适性能参数的电源浪涌保护器（SPD） ，电源 SPD 性能的差异取决于其元件的差异。安装 SPD 时要考虑到 SPD 之间的能量配合问题。 关键字：关键字： 气体放电管；压敏电阻；低压电涌保护器；能量配合

2、1引言引言 闪电，俗称闪电，是雷雨云之间或云地之间产生的放电现象，雷雨云是产生雷电 先决条件。在 3000的温度下，一束闪电其电流的能量能够把大多数的金属烧出一个洞，或把一颗坚固的树干粉碎成数千块碎片，这种炽热的能量甚至能够将地下的沙质土壤溶化，形成一种特殊的被称为闪电熔岩的岩石。挪威人认为，这种闪电熔岩可以证明闪电就是“雷神的鱼叉” 。 闪电引燃树木，只要不过度，也会对森林生态平衡起到良好的调节作用，它抑制一种植物的过度生长，也保持土壤的肥力。闪电的破坏作用主要是雷电流引起的，它的危害基本上有以下几种类型（图 1） ：1、直击雷危害：闪电直接击在建筑物、其它物体、大地或防雷装置上，产生电效应

3、、热效应和机械力者。2、雷电波侵入：沿高压线路或金属管道侵入的雷电。3、高电位引入与反击:强大的雷电流经防雷装置泄放到大地，由于接地装置的电压陡然升高， 产生的瞬态高电压使得相线、 中性线及不共地设备之间产生电位差， 发生反击。 4、雷电感应成灾。 由于雷云对电源电缆及信号线路产生等电荷的静电感应， 随着雷云突然放电后，电荷瞬间消失，而电缆内聚集的感应电荷失去束缚，在线路上产生瞬间浪涌（过电压）及静电和电磁感应耦合并沿着电缆击坏与它相连的设备。5、雷电的电磁脉冲（LEMP）造成的危害：雷云放电产生巨大的交变磁场，使其附近的电缆内产生感应过电压，这种微秒至毫秒级的浪涌电压前沿陡，幅值高，易造成电

4、子设备的损坏。一次闪电经常由几个短脉冲放 电组成。比如一次中等雷电，后续脉冲的电流的最大陡度为 40KA/s 而首次脉冲的电流的陡度为 12KA/s，因此脉冲向外辐射电磁波，通过空间以电磁波的形式耦合到对瞬态电磁波及敏感的电子、通信、计算机等设备。除此以外还有雷电过电压侵入和反击等也会对设备和人员产生危害。随着人们对雷电防护意识的加强和防雷技术的发展接地等方法的使用使直击雷造成的破坏正在减少（LEMP）及雷电感应的破坏作用凸显出来统中产生静电感应和电磁感应发生浪涌电压和电流应用于各行各业及现代的生活各个领域磁脉冲强度达0.07Gs时无屏蔽的计算机会发生误动作将发生永久性损失。说明雷电对弱电设备

5、的影响很大不能忽视要的引起设备误动作或者损坏的原因是系统中的操作过电压的操作过电压通过信号传输电路入侵设备终端图 1 雷电的危害方式据卫星资料观测，在全球表面上1987年被 “联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一析，雷电和过电压浪涌占总损失的31%2低压电涌保护器中元件的工作原理低压电涌保护器中元件的工作原理21 气体放电管气体放电管 2.1.1 介绍及工作原理介绍及工作原理 气体放电管是一种间隙型的防雷保护元件用。放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级电压作用。由于放电管的极间绝缘电阻很大明显的优势。放电管保护特性的主要不足之处在于其放电时延较大除此以外还有雷电过电压侵入和

6、反击等也会对设备和人随着人们对雷电防护意识的加强和防雷技术的发展，尤其是接闪器、引下线接地等方法的使用使直击雷造成的破坏正在减少，而办随直击雷同时产生的雷电电磁脉冲及雷电感应的破坏作用凸显出来，它能在附近金属体或电力线和其他大范围的系统中产生静电感应和电磁感应发生浪涌电压和电流。如今微电子技术、计算机技术高发展应用于各行各业及现代的生活各个领域。 计算机的运行经验和实验结果表明， 当电产生的电时无屏蔽的计算机会发生误动作；当磁场强度超过2.4Gs时，计算机说明雷电对弱电设备的影响很大不能忽视。除此雷电以外，另外一个重设备误动作或者损坏的原因是系统中的操作过电压， 由于断开或者闭合开关而产生的操

7、作过电压通过信号传输电路入侵设备终端。 雷电的危害方式 在全球表面上,任意时刻连续发生着大约1000个雷暴。雷击灾害在公布的最严重的十种自然灾害之一。据9000例损失分31%。 低压电涌保护器中元件的工作原理低压电涌保护器中元件的工作原理 的防雷保护元件， 它在通信系统的防雷保护中已获得了广泛应放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过由于放电管的极间绝缘电阻很大，寄生电容很小，对高频信号线路的雷电防护有放电管保护特性的主要不足之处在于其放电时延较大，动作灵敏度不够理想除此以外还有雷电过电压侵入和反击等也会对设备和人引下线、而办随直击雷同时产生的雷电电磁脉冲它能在

8、附近金属体或电力线和其他大范围的系计算机技术高发展，当电产生的电计算机另外一个重由于断开或者闭合开关而产生雷击灾害在例损失分它在通信系统的防雷保护中已获得了广泛应 起泄放雷电暂态过电流和限制过有动作灵敏度不够理想，对于波头上升陡度较大的雷电波难以有效地抑制，在电源系统的雷电防护中存在续流问题。 放电管的工作原理是气体间隙放电。 当放电管两极之间施加一定电压时， 便在极间产生不均匀电场，在此电场作用下，管内气体开始游离，当外加电压增大到使极间场强超过气体的绝缘强度时，两极之间的间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平， 这种残压一般

9、很低， 从而使得与放电管并联的电子设备免受过电压的损坏。 1 234543 211- 金属管帽；2- 银铜焊帽 1- 金属管帽；2- 银铜焊帽； 3- 电极; 4- 陶瓷管 3- 线路电极；4- 接地电极； 5- 陶瓷管 图 2.1.1.1 陶瓷二极放电管结构示意图 图 2.1.1.1 陶瓷三极放电管结构示意图 气体放电管有的是以玻璃作为管子的封装外壳， 也有的用陶瓷作为封装外壳， 放电管内充入电气性能稳定的惰性气体(如氩气和氖气等)， 常用放电管的放电电极一般为两个、 三个，电极之间由惰性气体隔开。按电极个数的设置来划分，放电管可分为二极、三极放电管。图2.1.1.1 给出了一个陶瓷二极放电

10、管的结构示意图，图2.1.1.1给出了一个三极放电管的结构示意图， 2.1.2 气体放电管的电器特性气体放电管的电器特性 2.1.2.1 伏安特性伏安特性 气体放电管的伏安特性是电极间施加电压与响应电流的关系。 现以一个直流放电电压为150V 的二极放电管为例， 来说明放电管伏安特性的基本特征。 图 2.1.2.1 是 150V 的二极放电管的伏安特性曲线。由于电流的范围很大，其变化常达几个数量级，所以电流用对数坐标表示。 在图 2.1.2.1 所示的伏安特性上，当逐渐增加两电极间的电压时，放电管在 A 点放电，A点的电压称为放电管的直流放电电压。在 A 到 B 之间的这段伏安特性上，其斜率(

11、即动态电阻 dudi)是负的，称为负阻区。如果 200V 的直流电压源经 1M的电阻加到放电管上，放电管即工作在此区间，这时的放电具有闪变特征。BC 段为正常辉光放电区，在此区间内电 压基本不随电流而变，当辉光覆盖整个阴极表面时，电流再增加，电压也不增加。CD 段称为异常辉光放电区。 直流放电电压为 90V-300V 的放电管， 其辉光放电区 BD 的最大电流一般在 02A1.5A 之间。当电流增加到足够大时，放电在 E 点突然进入电弧放电区，即使是同 电流电压200100EFDC1KA100A10A1A100mA10mA1mABA0图 2.1.2.1 直流放电电压为 150V 的放电管伏安特

12、性 一个放电管，放电由辉光转入电弧时的电流值也是不能精确重复的。在电弧放电时，处在电场中加速了的正离子轰击阴极表面，阴极材料被溅射到管壁上，阴极被烧蚀，使间隙距离增加， 管壁绝缘变坏。 在采用合适的材料后， 放电管可以做到导通 10kA、 820us 电流数百次。在电弧区， 放电管两端的电压基本上与通过的电流无关， 在管内充以不同惰性气体并具有不同的气压，电弧压降常在 10V30V。管子工作在电弧区就可以将电压箝制在较低的水平，从而达到过电压保护的目的。 当电流下降到比开始燃弧时(E 点)的数值低的电弧熄灭电流值(F 点)时，放电由电弧转为辉光，电弧熄灭电流通常在 0.1A0.5A。 按照过电

13、压保护的要求，在过电压作用下放电后，放电管应能自动恢复到非导通状态，否则在电弧区的续流可能会烧坏管子， 甚至使通过续流的导线或电源也受到损坏。 在辉光区，毫安级的续流长期流过，也会使放电管损坏。因此，系统中加在放电管两端的系统正常运行电压应低于维持辉光放电的电压。在一般信号电路中，电源内阻较大，维持放电的电压是维持辉光放电的电压。在试验时，将直流电源与放电管之间串联 5k电阻，慢慢升压使放电管动作，然后再慢慢降低电压，测出放电管停止放电时的电压。例如，测得直流放电电压为350V 的放电管的维持放电电压为 68V-184V。实际上，随着放电管品种的不同，其维持放电电压值的差异是比较大的。 在被放

14、电管保护的系统中， 只要直流电源电压低于维护放电电压 或交流电源电压的幅值低于管子的直流放电电压， 过电压过去后就不会有续流， 但在某些情况下可能会在电弧区产生续流，对此需要采取限流措施。 2.1.2.2 响应时间响应时间 在具有一定波头上升陡度(陡度 dudt 在 lkVms 以上)的暂态过电压作用下，当放电管上电压上升到其直流放电电压值时， 管子并不能立即放电， 而是要等到管子上电压上升到一个比直流放电电压值高出很多的数值时，管子才会放电，也就是说，从暂态过电压开始作用于放电管两端的时刻到管子实际放电时刻之间有一个延迟时间， 该时间即称为响应时间。响应时间由两部分组成：一是管子中随机产生初

15、始电子-离子对带电粒子所需要的时间，即统计时延；二是初始带电粒子形成电子崩所需要的时间，即形成时延。为了测得放电管的响应时间， 常用一个具有固定波头上升陡度 dudt 的电压源加于放电管上来测取响应时间值，试验表明，在陡度 du/dt 大于 0.5kV/ms 时，所测出的放电管实际放电电压明显高于其直流放电电压。在给定陡度 dudt 下，测出放电管的实际放电电压后，其响应时间可按下式来推算：/frutdu dtD 上式中tD为响应时间， rfu为放电管的实际放电电压。 2.1.2.3 时延脉冲及续流时延脉冲及续流 在暂态过电压作用下， 放电管会延时放电。 如果过电压波的波头上升陡度/du dt

16、较小，在过电压值达到放电管的直流放电电压fdcU后，放电管要经过数个 ns 才能放电。如果过电压的/du dt很大，在过电压值达到放电管的直流放电压后，放电管也要经过数个 ns 才能放电。从暂态过电压达到放电管的fdcU到其实际动作放电之间，存在着一段时延tD，如图2.1.2.3.1 所示相应的电压增量可表示为：()udu dttDD 则放电管的实际放电压为： frfdcuuu D 对于上升陡度大的过电压波来说，放电管的时延tD虽小，但由于/du dt的数值很大，在上述两式可知，电压增量uD和实际放电压frU都很大，frU有可能达到几倍的fdcU值。在frU和fdcU之间出现的短持续时延脉冲能在放电管动作前传输到被保护电子设备上，由于这种时延脉冲的峰值很高，被保护电子设备对此常常不能耐受而损坏。为此