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弱电设备的浪涌保护 |
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| 弱电设备的浪涌保护 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:19:16  |
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河南驻马店市电业局 吴风华
随着电子技术，尤其是微电子技术、计算机技术、大规模集成电路技术的发展，和在电力系统中应用的日益广泛，以电子技术应用为特征的弱电设备（系统），在电力系统所占据的地位日显重要；这些设备和系统对于强电的防护能力，相对于普通的电气设备和用分离元器件组装的电子设备而言，要脆弱得多 ，由于雷电等浪涌对这些设备的破坏所造成的危害也显得日益突出。
在生产实际中，我们经常会遇到某些电子设备板卡、芯片等损坏，而找不到确切原因的情况，尤其是变电所中的电子设备，如电力通信设备、远动自动化设备、微机保护设备、图像监控系统等等。研究表明，这种情况的发生，不少都是由浪涌所造成。
现代电子设备（系统）对浪涌所具有的灵敏特性，决定了对其进行特殊防护的必要性。同时，这些电子设备与浪涌耦合渠道又是立体多通道的，不是一般性防护措施所能完成的，必须综合电子设备的运行环境，采取相应的防护手段和措施。对电子设备接口采取必要的浪涌防护手段，是保证其正常运行的根本措施和保障。
国内外专家学者对此都进行了大量的实验和研究，IEC（国际电工委员会）、ITU(国际电信联盟)等组织都制定了相应的防雷电及电磁脉冲的标准，如IEC 1024、IEC 1312、ITU的K系列等。IEC 1024、IEC 1312相继公布了雷电流参数和雷电波形，并对雷电保护区（LPZ）的划分、系统的分级保护和浪涌过电压保护器（SPD）的各项指标进行了规定。我国的国家标准《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-94）、信息产业部《移动通信基站防雷与接地设计规范》（YD 5068-98）等也都对雷电电磁脉冲的防护进行了规定。
随着研究的不断的深入和认识的不断提高，目前，人们的注意力已从过去单纯的防雷逐步转向综合浪涌干扰防护。
1 浪涌的基本原理
浪涌（surge），又叫突波，是存在于供电系统中的一种极为普遍的电压/电流瞬间过大的波动现象。国外一些资料将浪涌分为四个组成部分:
浪涌最主要的来源是雷电，它可以通过电力线传导，也可能是在低压电源线上或信号线上感应产生；浪涌的另一个来源是公用电网，开关操作时，在电力线上产生的过电压。研究发现，低压电力线上80 ％以上的浪涌产生于建筑物内部的设备，诸如来自空调机、空压机、电弧焊机、电泵、电梯、开关电源和其它一些感性负荷的浪涌。浪涌产生原因见表1。
浪涌不同于一般意义上的过电压，因为它不仅幅值高，而且发生的时间极为短暂，一般的过电压保护因为其反应速度低而对其无能为力。
为了测试设备和系统对于雷击及其它浪涌的敏感性，人们在对雷击及其它浪涌进行观察分析的基础上，制定了一系列的标准。在标准中对各种浪涌的波形、幅值等指标做了明确规定，标准浪涌波形如图1所示。用于仿真雷击、静电放电和快速瞬态的测试波形，一般描述为双指数函数。
几种典型浪涌波的幅值频谱，如图2所示。
2 抑制浪涌的原理
从图2几种雷击波涌的频谱曲线图可以看出，浪涌波形的波前时间越短，则其所包含的频带越宽，频率越高。对电子设备电磁兼容来说，高频是辐射干扰的主要原因。可以发现，快速静电放电脉冲虽然只有50 ns的波长，10 kV电压脉冲，对于50 Ω电阻的放电能量也只有E = 100 mJ。可是它的第一拐点频率达2.66 MHz，第二拐点为48 MHz，这么高的频率对于电子设备的正常运行是极大的挑战。
幅值频谱分析表明许多浪涌呈现低频特征，即主要能量集中在频率较低的频段。但是由于非常低的能量就会引起集成电路的状态混乱或损坏，因此在浪涌波形中所含的高频能量，即使比例较低，也足以影响采用半导体技术的电路正常运行。事实上对采用集成电路技术的电子设备的损害，或误动大多都是由于浪涌能量造成的。通常认为集成电路装置的受损能量级为100 mJ。
低频能量可以通过硅二极管、压敏电阻、接地和控制环路面积进行消除，但高频能量必须通过滤波和屏蔽技术控制。
分析显示大部分浪涌能量是低频。瞬态也存在高频问题，测试波形包含很大能量，在低频段很窄的频段内可含100 mJ，从浪涌能量分析可以看出在显著高频区，残余能量也都大于100 mJ。
能量计算表明，对于快速上升时间的双指数曲线，大约50%以上的总能量存在于第一拐点以下，50%以下总能量存在于第一拐点频率以上，而大约1%的总能量包含在第二拐点频率以上。
低压交流电源线上的浪涌是与过电压有联系的，但又不等同于过电压，因为浪涌既包括电压的瞬变，又包括电流的瞬变。同样道理抑制浪涌也不等同于过电压保护。过电压保护是线路和电气设备绝缘完好性的保障，而抑制浪涌是低压系统和电子设备可靠运行，及电磁兼容的保障。
常用的浪涌抑制器件为气体放电管、氧化锌压敏电阻、瞬态电压抑制器、硅二极管等。它们工作原理不同，但它们有相似的伏安特性，即两端电压低于规定电压时，通过电流很小，而当两端电压高于规定电压后，通过电流会呈指数规律增长。这一伏安特性能使其同时满足抑制浪涌泻流和限幅的要求，因而也就成为抑制浪涌的主导器件。尤其是氧化锌压敏电阻，不仅限幅电压可以很低，导通电流也可以很大，价格又便宜，已经成为电气设计师首选的浪涌抑制器件。
最近开发研究的各种纳秒级瞬态抑制器件，以及从前实际应用的大电流吸收能力的开关管，使得研制电力通信接口浪涌抑制器成为可能。目前浪涌抑制器根据使用场合不同具有不同的限流水平和泄流能力。浪涌抑制器的分类大致如下：
（1）限幅型：氧化锌压敏电阻具有较高电能吸收能力和纳秒级响应时间，具有低限幅和快速反应能力的TVSs 等。工作原理是稳压。这种原理工作的器件泻流能力较差，功率较小。
（2）开关型：主要指气体放电管，它响应较慢，瞬态的发生可能快于它的响应时间。主要是根据短路原理把浪涌通过保护接地线返回，而防止进入通信设备。这种原理工作的器件续流问题，影响了其使用范围。
（3）混合型：这主要是指MOV或TVS与开关管的联合使用,这种类型综合利用大功率器件与快速响应器件的优势，具有广阔的使用和开发前景，但是由于不具备频率选择功能，而不适应通信接口中使用。
（4）正弦波跟踪型：这是一种新技术，它能跟踪交流正弦波，对通过其它保护装置上的微小尖峰和瞬态做出响应。它只对瞬态干扰进行分析而做出响应，是其中包括数据、信号、电话等通信中，实现浪涌抑制的理想选择，也是目前国内外有关专家努力研究的热点。
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