弱电设备的浪涌保护

弱电设备的浪涌保护弱电设备的浪涌保护 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 iec1024 iec1312 itu 的 k 系列等 iec1024 iec1312 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 gb50057 94 信息产业部 移动通信基站防雷 与接地设计规范 yd5068 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 2 抑制浪涌的原理抑制浪涌的原理 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 50ns 的波长 10kv 电压脉冲 对于 50 电阻的放电能量也只有 e 100mj 可是它的第一拐点频率 达 2 66mhz 第二拐点为 48mhz 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 100mj 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 100mj 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 100mj 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