电涌保护器工作原理

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1、电涌保护器工作原理电涌保护器(Surge protection Device)是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，过去常 称为“避雷器”或“过电压保护器”英文简写为 SPD。电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号 传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承 受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地， 保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。电涌保护器的类型和结构按不同的用途有所 不同，但它至少应包含一个非线性电压限制元 件。用于电涌保护器的基本元器件有：放电间 隙、充气放电管、压敏电阻、抑制二极管和扼流 线圈等。一、SPD的分类：1、按工作原理分：1.开关型：其工作原理是当没有瞬时过电 压时呈现

2、为高阻抗，但一旦响应雷电瞬时过电压 时，其阻抗就突变为低值，允许雷电流通过。用 作此类装置时器件有：放电间隙、气体放电管、 闸流晶体管等。2 限压型：其工作原理是当没有瞬时过电压时为高阻扰，但随电涌电流和电压的增加其阻 抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性。用作此类装置的器件有：氧化锌、压敏电阻、抑 制二极管、雪崩二极管等。3 分流型或扼流型分流型：与被保护的设备并联，对雷电脉冲 呈现为低阻抗，而对正常工作频率呈现为高阻 抗。扼流型：与被保护的设备串联，对雷电脉冲 呈现为高阻抗，而对正常的工作频率呈现为低阻 抗。用作此类装置的器件有：扼流线圈、高通滤 波器、低通滤波器、1/4波长短路器等。

3、按用途分：(1)电源保护器:交流电源保护器、 直流电源保护器、开关电源保护器等。(2) 信号保护器：低频信号保护器、高频信号 保护器、天馈保护器等。二、SPD的基本元器件及其工作原理: 1 放电间隙(又称保护间隙): 它一般由暴露在空气中的两根相隔一定间隙的金属棒组成(如图15a),其中一根金属棒与 所需保护设备的电源相线L1或零线(N)相连, 另一根金属棒与接地线(PE)相连接，当瞬时过电 压袭来时，间隙被击穿，把一部分过电压的电荷 引入大地，避免了被保护设备上的电压升高。这 种放电间隙的两金属棒之间的距离可按需要调 整，结构较简单，其缺点时灭弧性能差。改进型 的放电间隙为角型间隙，它的灭弧

4、功能较前者为 好，它是*回路的电动力F作用以及热气流的上 升作用而使电弧熄灭的。2.气体放电管：它是由相互离开的一对冷阴板封装在充有 一定的惰性气体(Ar)的玻璃管或陶瓷管内组成 的。为了提高放电管的触发概率，在放电管内还 有助触发剂。这种充气放电管有二极型的，也有 三极型的， 气体放电管的技术参数主要有：直流放电电压 Ude;冲击放电电压 Up( 一般情况下 Up(2 3)Udc;工频而授电流In;冲击而授电流Ip；绝缘 电阻R(109Q)；极间电容(1-5PF) 气体放电管可在直流和交流条件下使用，其所选 用的直流放电电压Ude分别如下：在直流条件 下使用：Udc1.8U0 (U0为线路正

5、常工作的直 流电压)在交流条件下使用：U dc1.44Un(Un为线路正 常工作的交流电压有效值)3压敏电阻： 它是以 ZnO 为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压达到一定 数值后，电阻对电压十分敏感。它的工作原理相 当于多个半导体P-N的串并联。压敏电阻的特点 是非线性特性好（I=CUa中的非线性系数a）, 通流容量大（2KA/cm2）,常态泄漏电流小（10-710-6A）,残压低（取决于压敏电阻的工 作电压和通流容量），对瞬时过电压响应时间快（108s）,无续流。压敏电阻的技术参数主要有：压敏电压（即开关 电压）UN,参考电压Ulma；残压Ures；残压 比K（K=

6、Ures/UN）；最大通流容量Imax；泄漏电 流；响应时间。压敏电阻的使用条件有：压敏电压：UN （2x1.2） /0.7U0 （U0为工频电源额定电 压）=j最【小参考电压：Ulma （1.82） Uac （直流条件 下使用）Ulma （2.22.5） Uac （在交流条件下使用,Uac为交流工作电压） 压敏电阻的最大参考电压应由被保护电子设备的耐受电压来确定，应使压敏电阻的残压低于被 保护电子设备的而损电压水平，即 (Ulma)maxUb/K，上式中K为残压比，Ub为 被保护设备的而损电压。4.抑制二极管：抑制二极管具有箝位限压功能，它是工作在 反向击穿区(图19)，由于它具有箝位电压低

7、和 动作响应快的优点，特别适合用作多级保护电路 中的最末几级保护元件。抑制二极管在击穿区内 的伏安特性可用下式表示：I=CUa,上式中a为 非线性系数，对于齐纳二极管a=79,在雪崩 二极管a=57。抑制二极管的技术参数主要有(1) 额定击穿电压，它是指在指定反向击 穿电流(常为lma)下的击穿电压，这于齐纳二 极管额定击穿电压一般在2.9V4.7V范围内, 而雪崩二极管的额定击穿电压常在5.6V200V 范围内。(2) 最大箝位电压：它是指管子在通过规 定波形的大电流时，其两端出现的最高电压。(3) 脉冲功率：它是指在规定的电流波形(如10/1000阿)下，管子两端的最大箝位电压与管子中电流

8、等值之积。4)反向变位电压：它是指管子在反向泄漏区，其两端所能施加的最大电压，在此电压下 管子不应击穿。此反向变位电压应明显高于被保 护电子系统的最高运行电压峰值，也即不能在系 统正常运行时处于弱导通状态。(5)最大泄漏电流：它是指在反向变位电压作用下，管子中流过的最大反向电流。(6)响应时间:10-11S5 扼流线圈：扼流线圈是一个以铁氧体为 磁芯的共模干扰抑制器件，它由两个尺寸相同， 匝数相同的线圈对称地绕制在同一个铁氧体环 形磁芯上，形成一个四端器件，如图15e所示， 要对于共模信号呈现出大电感具有抑制作用，而 对于差模信号呈现出很小的漏电感几乎不起作 用。扼流线圈使用在平衡线路中能有效

9、地抑制共 模干扰信号(如雷电干扰)，而对线路正常传输 的差模信号无影响。这种扼流线圈在制作时应满足以下要求：(1) 绕制在线圈磁芯上的导线要相互绝缘, 以保证在瞬时过电压作用下线圈的匝间不发生 击穿短路。(2) 当线圈流过瞬时大电流时，磁芯不要 出现饱和。(3) 线圈中的磁芯应与线圈绝缘，以防止 在瞬时过电压作用下两者之间发生击穿。(4) 线圈应尽可能绕制单层，这样做可减 小线圈的寄生电容，增强线圈对瞬时过电压的而 授能力。6.1/4波长短路器I=jl=l1/4波长短路器是根据雷电波的频谱分析和 天馈线的驻波理论所制作的微波信号电涌保护 器，其结构如图21所示。这种保护器中的金属 短路棒长度是

10、根据工作信号频率(如900MHZ 或18O0MHZ)的14波长的大小来确定的。此 并联的短路棒长度对于该工作信号频率来说，其 阻抗无穷大，相当于开路，不影响该信号的传输, 但对于雷电波来说，由于雷电能量主要分布在 n+KHZ以下(如图22所示)，此短路棒对于雷 电波阻抗很小，相当于短路，雷电能量级被泄放 入地。由于1/4波长短路棒的直径一般为几毫米，因此 耐冲击电流性能好，可达到30KA (8/20“)以 上,而且残压很小，此残压主要是由短路棒的自身电感所引起的，其不足之处是工频带较窄，带 宽约为2%20%左右，另一个缺点是不能对天 馈设施加直流偏置，使某些应用受到限制。三、SPD的基本电路电

11、涌保护器的电路根据不同需要，有不同的 形式，其基本元器件就是上面介绍的几种，一个 技术精通的防雷产品研究工作者，可设计出五花 八门的电路，好似一盒积木可搭岀不同的结构图 案。研制出既有效又性能价格比好的产品，是防 雷工作者的重任。下面仅列出一些电路供设计者 参考。敏压分流？浪涌保护器，也叫防雷器，是一 种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安 全防护的电子装置。当电气回路或者通信线路中 因为外界的干扰突然产生尖峰电流或者电压时， 浪涌保护器能在极短的时间内导通分流，从而避 免浪涌对回路中其他设备的损害。捜索q电涌保 护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时 内，或将强大的雷电流泄流入地，保

12、护被保护的 设备或系统不受冲击而损坏。电涌保护器的类 型和结构按不同的用途有所不同，但它至少应包 含一个非线性电压限制元件。用于电涌保护器的 基本元器件有：放电间隙、充气放电管、压敏电 阻、抑制二极管和扼流线圈等。接地的概念一、“地”和“接地”的概念1. 地(1) 电气地 大地是一个电阻非常低、电 容量非常大的物体，拥有吸收无限电荷的能力, 而且在吸收大量电荷后仍能保持电位不变，因 此适合作为电气系统中的参考电位体。这种 “地”是“电气地”，并不等干“地理地”，但却包 含在“地理地”之中。“电气地”的范围随着大地 结构的组成和大地与带电体接触的情况而定。(2) 地电位 与大地紧密接触并形成电气

13、 接触的一个或一组导电体称为接地极，通常采 用圆钢或角钢，也可采用铜棒或铜板。图1示 出圆钢接地极。当流入地中的电流I通过接地 极向大地作半球形散开时，由于这半球形的球 面，在距接地极越近的地方越小，越远的地方=1越大，所以在距接地极越近的地方电阻越大， 而在距接地极越远的地方电阻越小。试验证明: 在距单根接地极或碰地处20m以外的地方， 呈半球形的球面已经很大，实际已没有什么电 阻存在，不再有什么电压降。换句话说，该处 的电位已近于零。这电位等于零的“电气地”称 为”地电位”。若接地极不是单根而为多根组成 时，屏蔽系数增大，上述20m的距离可能会 增大。图1中的流散区是指电流通过接地极向 大

14、地流散时产生明显电位梯度的土壤范围。地 电位是指流散区以外的土壤区域。在接地极分 布很密的地方，很难存在电位等于零的电气地。(3) 逻辑地 电子设备中各级电路电流的传 输、信息转换要求有一个参考的电位，这个电 位还可防止外界电磁场信号的侵入，常称这个 电位为“逻辑地”。这个“地”不一定是“地理地”, 可能是电子设备的金属机壳、底座、印刷电路 板上的地线或建筑物内的总接地端子、接地干 线等;逻辑地可与大地接触，也可不接触，而“电 气地”必须与大地接触。2. 接地将电力系统或电气装置的某一部分经接地线连接到接地极称为“接地”。“电气装置”是一定空间中若干相互连接的电气设备的组合。“电 气设备”是发

15、电、变电、输电、配电或用电的任 何设备，例如电机、变压器、电器、测量仪表、 保护装置、布线材料等。电力系统中接地的一 点一般是中性点，也可能是相线上某一点。电 气装置的接地部分则为外露导电部分。“外露导 电部分”为电气装置中能被触及的导电部分，它 在正常时不带电，但在故障情况下可能带电， 一般指金属外壳。有时为了安全保护的需要， 将装置外导电部分与接地线相连进行接地。“装 置外导电部分”也可称为外部导电部分，不属于 电气装置，一般是水、暖、煤气、空调的金属 管道以及建筑物的金属结构。外部导电部分可 能引入电位，一般是地电位。接地线是连接到 接地极的导线。接地装置是接地极与接地线的 总称。超过额

16、定电流的任何电流称为过电流。在 正常情况下的不同电位点间，由于阻抗可忽略 不计的故障产生的过电流称为短路电流，例如 相线和中性线间产生金属性短路所产生的电流 称为单相短路电流。由绝缘损坏而产生的电流 称为故障电流，流入大地的故障电流称为接地 故障电流。当电气设备的外壳接地，且其绝缘 损坏，相线与金属外壳接触时称为“碰壳”，所 产生的电流称为“碰壳电流”。3. 接触电压接地极的短路电流为Id。如接地极的接地电 阻力Rd ,则在接地极处产生的对地电压Ud =IdRd，通常称Ud为故障电压，相应的电 位分布曲线为图2中的曲线C。一般情况下, 接地线的阻抗可不计，则M上所呈现的电位即 为Ud。当人在流散区内时，由曲线C可