電(diàn)子产品的雷電(diàn)浪涌保护

2021-04-12

在晴朗的晴天，地面通常在高层大气中带有(yǒu)轻微的负電(diàn)荷，并带有(yǒu)相应的正電(diàn)荷。这将在全球范围内产生大约120 V / m的平均電(diàn)场强度。相比之下，雷暴云在通过雷击放電(diàn)之前产生的電(diàn)场强度约為(wèi)25 kV / m。这在该云层与地面或其他(tā)带電(diàn)云层之间产生了十到一亿伏特的電(diàn)位差。这种强度的场会导致空气分(fēn)子在正電(diàn)荷和负電(diàn)荷之间電(diàn)离，从而形成一个传导通道，雷電(diàn)可(kě)以沿着该传导通道行进。尽管大多(duō)数导電(diàn)通道是在云层之间形成的，但至少有(yǒu)十分(fēn)之一的形式在云层和地面之间形成，形成了特征性的闪電(diàn)。

闪電(diàn)效果

对于云之间的那些放電(diàn)，放電(diàn)将产生短暂的高强度无線(xiàn)電(diàn)波。这些通常对電(diàn)子设备无害，除非它们碰巧对此类信号敏感并在合理(lǐ)范围内接近放電(diàn)。除非来自发射的電(diàn)磁干扰（EMI）的瞬态干扰将成為(wèi)一个重大问题，否则我们可(kě)以降低这些放電(diàn)对地面设备的影响。主要问题来自那些到达電(diàn)子设备附近大地的放電(diàn)。这些雷击是我们作為(wèi)電(diàn)气设计工程师所经历的大多(duō)数破坏性影响的原因。

对電(diàn)气设备和電(diàn)缆的直接雷击通常如此之大，以至于无法采取内置的措施来防止这种情况的发生。连接到建筑物(wù)的避雷针依靠其将放電(diàn)電(diàn)流直接转移到大地，作為(wèi)主要的保护机制。除非设备放置不当或故意，否则直接撞击電(diàn)气设备的可(kě)能(néng)性通常较低。在存在显着的大气電(diàn)场强度的情况下，它会鼓励電(diàn)离。 

電(diàn)气设备的可(kě)信风险来自设备附近的对地放電(diàn)。雷击期间发生的巨大能(néng)量转移会导致附近電(diàn)气系统中以各种方式临时产生破坏性電(diàn)流。主要影响通常是暂时的電(diàn)磁干扰，由磁耦合或電(diàn)容耦合感应的瞬态電(diàn)压，以及由局部接地電(diàn)位偏移引起的浪涌電(diàn)流。我们将简要总结这三个效果：

電(diàn)磁干扰

放電(diàn)電(diàn)流的流动会在放電(diàn)期间产生EMI的宽带发射。虽然这仅代表设备整體(tǐ)電(diàn)磁环境的一部分(fēn)，但短暂的高场强会干扰宽范围内未屏蔽的组件和传输線(xiàn)。

磁/電(diàn)容耦合

当放電(diàn)電(diàn)流流经電(diàn)缆附近时，感应效应会导致瞬变感应到電(diàn)缆上。这在架空電(diàn)線(xiàn)杆或塔架之间的距离较長(cháng)的架空電(diàn)缆中尤為(wèi)普遍。電(diàn)气设备通常会连接到電(diàn)源電(diàn)缆和信号電(diàn)缆，这些電(diàn)缆通过导電(diàn)桥架，管道或通过架空電(diàn)缆携带而受到影响。電(diàn)缆越長(cháng)，通过耦合效应引起高压瞬变的可(kě)能(néng)性就越高。这使得用(yòng)于遠(yuǎn)程控制和监视的遠(yuǎn)程设备特别容易受到此类事件的影响。

為(wèi)了达到足够高的磁耦合或電(diàn)容耦合水平，从而引起较大的感应電(diàn)流，雷電(diàn)流必须非常接近電(diàn)缆。但是，这种感应的瞬态電(diàn)流通常可(kě)以由设备和系统设计来适应。通常，对现场信号電(diàn)缆进行屏蔽或屏蔽，以减少一般的EMI和噪声拾取。使用(yòng)双绞線(xiàn)電(diàn)缆可(kě)以将線(xiàn)路之间的電(diàn)压降低到不会造成设备损坏的水平。但是，除非添加额外的保护功能(néng)，否则仍会以可(kě)能(néng)损坏敏感组件的電(diàn)平产生共模電(diàn)压。

地球電(diàn)位变化

几乎所有(yǒu)雷電(diàn)放電(diàn)都超过3 kA，十分(fēn)之一左右超过100 kA。绝大多(duō)数的地雷直接终止于地面。那些击中建筑物(wù)的建筑物(wù)通常通过避雷针和接地棒直接引向地面。很(hěn)大的放電(diàn)電(diàn)流流入接地端子，并把電(diàn)荷耗散到地球质量中。该電(diàn)流的一个影响是，它提高了触击位置的参考地電(diàn)位。例如，终止于地面的阻抗為(wèi)0.1Ω的100kA放電(diàn)電(diàn)流将在冲击点处产生10,000伏的電(diàn)势。任何靠近触击点接地的设备都将被绑定到相同的参考電(diàn)位。虽然这不会影响该设备，但由于它在本地看到的電(diàn)势差没有(yǒu)变化，它会在此本地接地与连接到距离已接地一定距离的设备的任何電(diàn)缆的接地之间看到巨大的電(diàn)位差。由于两个接地電(diàn)位之间的差异，这将导致出现非常高的瞬态電(diàn)压。

雷击

由于EMI和磁/電(diàn)容耦合效应，在電(diàn)源或信号電(diàn)缆上感应出的瞬变相对较容易防止。可(kě)以使用(yòng)当今的電(diàn)磁辐射饱和环境中所需的标准屏蔽和屏蔽技术来应对此类瞬变。 

由于潜在的地球移动而引起的瞬变是一个更為(wèi)重要的问题。屏蔽不会抵消物(wù)理(lǐ)上分(fēn)开的地面之间可(kě)能(néng)出现的暂时性差异。几十伏的过電(diàn)压会严重损坏低功率半导體(tǐ)组件。在这种情况下感应的瞬态電(diàn)压将需要我们现在讨论的其他(tā)保护机制。

保护选项

電(diàn)涌保护装置可(kě)用(yòng)于保护電(diàn)气和電(diàn)子设备免受高压瞬变的潜在破坏性影响。这些设备也称為(wèi)避雷器，避雷针和防雷装置。電(diàn)涌保护電(diàn)路几乎瞬时工作，以提供低阻抗路径来传导大電(diàn)流，以消除过大的保护差，并吸收多(duō)余的電(diàn)流并将其转移到地面，以防止瞬变或電(diàn)涌的影响。浪涌電(diàn)流消退后，理(lǐ)想情况下，设备应自动恢复正常运行，因此能(néng)够防止任何后续浪涌。但是，我们还将简要介绍更传统的一发式保护设备的完整性。

電(diàn)涌保护器有(yǒu)两种主要类型。滤波器為(wèi)高频瞬态電(diàn)流提供了屏障，同时允许低频功率電(diàn)流不受影响地通过。另一方面，每当设备的電(diàn)压超过预设值时，瞬变分(fēn)流器就会提供一条非常低的接地阻抗路径。在这里，我们集中在瞬态分(fēn)流器上，因為(wèi)这些瞬态分(fēn)流器可(kě)提供所需的保护，以防止雷击引起的地電(diàn)位变化。

由于并非所有(yǒu)電(diàn)路都可(kě)能(néng)受到这些瞬变的影响，因此经常采用(yòng)的方法是使用(yòng)连接在通用(yòng)设备，系统和外部噪声或瞬变源之间的其他(tā)保护性组件或设备。有(yǒu)几个可(kě)用(yòng)的组件，可(kě)以防止过多(duō)的能(néng)量到达设备或系统的敏感部分(fēn)。这些通过将電(diàn)涌转向大地或断开信号線(xiàn)来工作。可(kě)接受的设备可(kě)以快速运行，并且能(néng)够在短时间内承载大電(diàn)流，同时将跨接電(diàn)压或流经受保护设备的電(diàn)流限制在可(kě)能(néng)发生损坏的水平。在避免服務(wù)中断的情况下，通常首选免维护和自动重置的设备。 

空气火花(huā)隙

该保护机构由两个导電(diàn)電(diàn)极组成，这两个导電(diàn)電(diàn)极在物(wù)理(lǐ)上是分(fēn)开的，并且位于不受控制的环境中。通常不导電(diàn)，当两个電(diàn)极之间的電(diàn)位差达到定义值时，它们之间的空气就会電(diàn)离，放電(diàn)電(diàn)流会在它们之间流动。这种電(diàn)离会在两个電(diàn)极之间产生一条低電(diàn)阻路径，从而使電(diàn)流流过，直到空气不再被電(diàn)离為(wèi)止。電(diàn)极之间的距离将确定发生電(diàn)离时的電(diàn)势差值。这有(yǒu)效地对本地接地点产生了受控的雷击。

尽管火花(huā)隙价格便宜，但它们的工作電(diàn)压将受到环境条件（例如温度和湿度）的影响，并会受到空气中污染物(wù)的影响。它们的性能(néng)也可(kě)能(néng)随时间变化，并由于電(diàn)极腐蚀而因其运行而降低性能(néng)，如果定期激活它们，则可(kě)能(néng)需要更换。

排气管

火花(huā)隙保护的一种变化是，导電(diàn)電(diàn)极在受控的环境中物(wù)理(lǐ)隔离，通常是填充有(yǒu)特定气體(tǐ)的密封容器。这样可(kě)以改善对放電(diàn)電(diàn)压的控制，并减少环境条件的影响。常用(yòng)的材料包括密封在陶瓷容器中的低压氩气/氢气混合物(wù)，其击穿電(diàn)压从90 V开始，额定電(diàn)流超过5kA。

气體(tǐ)放電(diàn)管的一个缺点是气體(tǐ)電(diàn)离所需的时间有(yǒu)限，从而限制了对浪涌電(diàn)流的保护，而浪涌電(diàn)流的陡峭上升沿到浪涌波形。额定電(diàn)压為(wèi)100V直流击穿的典型電(diàn)子管，其上升时间為(wèi)200V / µs的浪涌，直到基于0.5µs的電(diàn)离时间，電(diàn)压达到200V左右时，電(diàn)子管才会击穿。这没有(yǒu)考虑到100V额定值的任何容差。通常，此类设备的公差為(wèi)20％。另一个缺点是，由于气压和成分(fēn)随时间的变化，它们的寿命受到限制。

一旦发生击穿并且气體(tǐ)已被离子化，如果在持续时间内流过足够的電(diàn)流，则气體(tǐ)可(kě)能(néng)会转化為(wèi)离子化的等离子體(tǐ)。如果電(diàn)路可(kě)以支持这么大的電(diàn)流，则该等离子體(tǐ)可(kě)以以相对较小(xiǎo)的電(diàn)位差放電(diàn)数千安培。必须仔细设计保护電(diàn)路，以防止源设备電(diàn)源消除了源极浪涌電(diàn)流后气體(tǐ)放電(diàn)管的工作持续下去。

气體(tǐ)放電(diàn)管通常适合与低功率電(diàn)路配合使用(yòng)，在任何浪涌条件下，其浪涌電(diàn)压都会缓慢上升，并且可(kě)以承受電(diàn)压过冲情况。

半导體(tǐ)器件

半导體(tǐ)器件的优点是它们的快速操作和它们工作的广泛電(diàn)压范围。只要電(diàn)流保持在规格范围内，它们就可(kě)以提供准确且可(kě)重复的電(diàn)压钳位功能(néng)。浪涌抑制二极管，也称為(wèi)瞬态電(diàn)压抑制（TVS）二极管，对于持续时间少于1 ms的脉冲，可(kě)以处理(lǐ)几kW的浪涌。浪涌抑制二极管和标准齐纳二极管之间的差异仅在于结區(qū)增大的尺寸，从而降低了電(diàn)流密度。这些组件提供了一些可(kě)用(yòng)保护组件最快的响应时间（通常為(wèi)几纳秒(miǎo)），但以相对较低的能(néng)量吸收能(néng)力為(wèi)代价。浪涌抑制二极管的缺点之一是其相对较高的成本。

压敏電(diàn)阻 

压敏電(diàn)阻是与電(diàn)压相关的電(diàn)阻，其中流过器件的電(diàn)流对器件两端的電(diàn)压的变化具有(yǒu)非線(xiàn)性关系。由于压敏電(diàn)阻通常使用(yòng)金属氧化物(wù)制造，因此通常称為(wèi)金属氧化物(wù)压敏電(diàn)阻（MOV）。金属氧化物(wù)颗粒的作用(yòng)类似于半导體(tǐ)结。这使它们对浪涌的响应时间与基于二极管的组件相当。与浪涌抑制二极管相比，它们的优势在于，整个器件的功率消耗很(hěn)大，而不仅仅是结區(qū)。然而，缺点是它们在低電(diàn)压下具有(yǒu)更高的泄漏電(diàn)流。它们还受环境因素（例如温度）的影响更大，并且会随着时间的流逝而退化，尤其是如果定期暴露在高電(diàn)流瞬变中。

浪涌继電(diàn)器

浪涌继電(diàn)器设计用(yòng)于在出现大電(diàn)流浪涌时断开信号線(xiàn)，并可(kě)以处理(lǐ)相对较高的功率水平。它们依靠電(diàn)触点的物(wù)理(lǐ)运动来形成或断开電(diàn)路。它们具有(yǒu)稳定和灵敏的优点，但是它们的主要缺点是它们的运行速度。继電(diàn)器触点充分(fēn)移动以影响電(diàn)流所花(huā)费的时间可(kě)能(néng)是几毫秒(miǎo)。如果将電(diàn)涌继電(diàn)器配置為(wèi)在電(diàn)流过大的情况下使電(diàn)路断开，则在触点断开的初始时间内，触点之间的電(diàn)弧会加剧延迟。这增加了電(diàn)涌電(diàn)流首次出现到電(diàn)流最终停止之间的时间。

一旦浪涌電(diàn)流瞬态经过，浪涌继電(diàn)器将重置回其默认状态。该操作也可(kě)能(néng)相对较慢，并且该操作的物(wù)理(lǐ)性质可(kě)能(néng)使其易于产生被视為(wèi)電(diàn)路的瞬时连接/断开的接触反弹效应。根据電(diàn)路的性质，这种物(wù)理(lǐ)反弹可(kě)能(néng)会产生相应的電(diàn)影响。

電(diàn)涌继電(diàn)器还需要维护以保持触点清洁，或者如果触点在密封的外壳内，则需要进行更换。触点的重复操作会由于電(diàn)弧和冲击损坏引起的金属腐蚀作用(yòng)而导致过度磨损。

保险丝

作為(wèi)一站式保护装置，防浪涌保险丝提供有(yǒu)效的保护，并使用(yòng)弹簧张紧机构来实现快速启动时间。但是，如果瞬态浪涌電(diàn)流具有(yǒu)快速上升的沿，则它们可(kě)能(néng)容易出现電(diàn)压过冲问题。它们依靠浪涌電(diàn)流将金属線(xiàn)熔化成设定值，而不是直接根据電(diàn)势差来确定其额定值。因此，必须将它们与電(diàn)阻元件结合使用(yòng)以实现保护功能(néng)。当然，主要缺点是激活后需要手动更换保险丝。必须注意，普通的保险丝将无法应对雷電(diàn)引起的瞬变。必须使用(yòng)专业的電(diàn)涌保护保险丝。

断路器

断路器通常设计用(yòng)于電(diàn)力系统。尽管可(kě)以将能(néng)量处理(lǐ)能(néng)力提高到认為(wèi)必要的任何水平，但是响应速度约為(wèi)数十毫秒(miǎo)，通常太慢而无法有(yǒu)效地抵抗短时间的瞬变。它们还需要在激活后进行手动复位，从操作的角度看，它们实际上是一键式保护设备。至于保险丝，标准断路器无法应对雷電(diàn)引起的瞬变。如果需要断路器，请始终确保选择正确额定值的断路器来应对此类瞬变。

電(diàn)涌保护实施最佳实践

通常会发现一台设备无法提供所需的解决方案，例如响应时间，電(diàn)流能(néng)力，环境耐受性或可(kě)靠性。在这种情况下，答(dá)案很(hěn)可(kě)能(néng)是将两个或多(duō)个不同类型层叠在一起。这使设计人员可(kě)以结合每种设备提供的优势并提高总體(tǐ)保护水平。最常见的组合使用(yòng)的是高電(diàn)流，作用(yòng)相对较慢的组件，其作用(yòng)较快但额定功率较低，从而将電(diàn)压和電(diàn)流输出降至最低。可(kě)以在保护電(diàn)路的外围使用(yòng)高浪涌電(diàn)流容量的设备来转移大部分(fēn)瞬态过電(diàn)压，然后再使用(yòng)更精确的设备提供全面的浪涌保护解决方案。

電(diàn)涌保护设备可(kě)以根据其实现方式来实现一系列功能(néng)。它们可(kě)以将瞬态電(diàn)流分(fēn)流到地面，钳位電(diàn)势差，防止过多(duō)的能(néng)量进入電(diàn)路或从信号線(xiàn)中滤除特定频率。通常，它们完成这些功能(néng)的组合，以实现所需的端部保护。理(lǐ)想的電(diàn)涌保护设备将至少具有(yǒu)钳位電(diàn)压，可(kě)处理(lǐ)极高的電(diàn)涌電(diàn)流，并减小(xiǎo)電(diàn)涌的快速上升沿。

保护来自于通过低阻抗路径将浪涌電(diàn)流分(fēn)流到大地。如果要实现電(diàn)涌保护设备的额定性能(néng)，则必须正确设计和实施此路径。设计或实施不当的转移路径可(kě)能(néng)会使保护電(diàn)路失效。

应将保护应用(yòng)于设备的所有(yǒu)外部连接；输出信号连接与输入電(diàn)源線(xiàn)和信号连接一样容易受到影响。最显着的风险不一定来自连接了最長(cháng)電(diàn)缆的连接器，而是终止于接地端的连接，该接地端实际上距离被保护设备的接地端最遠(yuǎn)。同一连接可(kě)能(néng)并不总是满足这两个条件。

在设备中设计浪涌保护或抑制时，在计算瞬态電(diàn)压保护要求时，必须考虑连接電(diàn)缆的電(diàn)感。设计应基于最坏情况的電(diàn)缆选件，以确保其对所有(yǒu)可(kě)能(néng)的安装均有(yǒu)效。

选择保护组件时，请记住单价与性能(néng)之间存在关联。在计算保护元件预算时，请始终考虑被保护设备的价值。