防雷知識及器件選擇
2017-02-26 18:31:11 點(diǎn)擊：
隨著(zhù)微電子技術(shù)的發(fā)展,大規模及超大規模集成電路相繼出現,且廣泛用于通信、測量、監控和計算機系統等電子設備(系統)中.這類(lèi)元器件具有著(zhù)極為廣闊的發(fā)展前景.然而,他最明顯的缺點(diǎn)就是抗過(guò)電壓能力和抗干擾性能力很低,易受雷電等電磁脈沖和其他過(guò)電壓的損壞,繼而造成電路和設備的損壞.
一、設備受雷擊的途徑
雷電直擊地面(物體)和/或空中雷云間放電時(shí)產(chǎn)生強烈的沖擊電磁場(chǎng),在設備和傳輸線(xiàn)上感生雷電過(guò)電壓,從而損壞設備或傳輸線(xiàn)路.從所掌握的資料表明,除少數屬雷電直擊或空間感應外,絕大部分是因為雷電行波從室外的傳輸線(xiàn)引人而損壞設備的.這些室外傳輸線(xiàn)包括傳輸信息的金屬引入(出)線(xiàn)路和用以饋電的交(直)流線(xiàn)路.傳輸信息線(xiàn)路有架空線(xiàn)路、埋地線(xiàn)路、鋼軌或其他類(lèi)似的傳導體.而架空線(xiàn)主要指通信明線(xiàn)、架空電(廣)纜或其他性能相近的線(xiàn)路;埋地線(xiàn)路則有埋地(對稱(chēng)、同軸)電纜和光纜等.傳輸線(xiàn)路上引入的過(guò)電壓分為縱向(共模)過(guò)電壓和橫向(差模)過(guò)電壓兩類(lèi).在平衡(對稱(chēng))線(xiàn)路上某點(diǎn)出現的線(xiàn)與地之間的過(guò)電壓成為縱向過(guò)電壓;平衡(對稱(chēng))線(xiàn)路間或不平衡線(xiàn)路(如同軸電纜)的線(xiàn)路與地之間出現的過(guò)電壓成為橫向過(guò)電壓.一般情況下,橫向過(guò)電壓低于縱向過(guò)電壓.但在比較極端的情況下,橫向過(guò)電壓可具有與縱向過(guò)電壓相同的幅值和特續時(shí)間.若某些系統有中繼設備和遠供回路時(shí)(如通信系統的增音機),當前、后段的線(xiàn)路感應有不同的過(guò)電壓時(shí),還會(huì )造成順線(xiàn)路方向的縱向過(guò)電壓,同樣損壞設備,這一點(diǎn)易為人們所忽視.傳輸線(xiàn)路因其自身結構的原因、雷電行波傳輸過(guò)程的差異,以及縱向保護元件動(dòng)作時(shí)間的不同等,令分別出現在量平衡獻上的縱向過(guò)電壓不相等,從而形成橫向過(guò)電壓(不平衡線(xiàn)路上的橫向過(guò)電壓即縱向過(guò)電壓).縱向過(guò)電壓損壞設備線(xiàn)于地(機殼0之間的絕緣,但橫向過(guò)電壓則像信號般在線(xiàn)間傳輸,盡管其幅值不很高,卻足以損壞既敏感,耐壓水平又很低的元器件和內部電路.
二、雷擊保護的基本原則
欲使設備得到很好的保護,首先應對其所處的環(huán)境、受雷電影響的程度做出客觀(guān)的估計,因他于出現 過(guò)電壓的幅值、概率、網(wǎng)絡(luò )結構、設備抗電能力、保護水平和接地等有關(guān).不過(guò),防雷工作應作為一項系統工程來(lái)考慮,強調全面防護(包括建筑物、傳輸線(xiàn)路、設備和接地等),綜合治理,且要做到科學(xué)、可靠、使用和經(jīng)濟.我們并不一定要求對雷電進(jìn)行100%的防護,允許有一定的風(fēng)險率,這當然應通過(guò)一定的技術(shù)經(jīng)濟比較以后才可確定.總的來(lái)說(shuō),考慮防雷時(shí)可歸納為如下3種主要方法.
1. 采用躲避的方法
這是非常重要的、經(jīng)濟有效的措施.應正確的選擇線(xiàn)路的路由、站址(設備安放點(diǎn)),有意識的盡量避開(kāi)在理論上、經(jīng)驗上和實(shí)際上證實(shí)的雷擊區或雷擊點(diǎn).
2. 對雷電進(jìn)行橫截
這需要外加一定的保護元器件,旁路或限制進(jìn)入系統內的雷電壓(流),從而減輕系統受損的程度或在系統能承受的水平之下.
3. 提高系統的耐雷水平
從改善系統的結構人手,通過(guò)對危險性的估計,規定線(xiàn)路、設備的介質(zhì)絕緣強度、耐沖擊能力等,提高其自身的耐雷能力(改善設備的伏秒特性).
三、保護元件的選擇
上一張提到的三條保護原則中,后面兩條均需要外加一些保護元件才能實(shí)現.本章僅就常用保護元件的選擇問(wèn)題作進(jìn)一步論述.
1. 保護元件的分類(lèi)
保護元件的分類(lèi)
保護元件從不同角度考慮,可粗分如下.
(1) 從導通的類(lèi)型分
空間空隙:如空氣隙碳精放電器
放電型
密封間隙:如氣體放電管
開(kāi)關(guān)型:順態(tài)二極管
限幅型 :壓敏電阻、穩壓管(齊納管) 、開(kāi)關(guān)二極管
(2) 從功能分.
開(kāi)關(guān)型
過(guò)壓保護 放電型
(并聯(lián)用) 限幅型
過(guò)流保護 非自復型
(串聯(lián)用) 自復型:正溫度系數熱敏電阻
不中斷 隔離變壓器
傳輸信號 排流線(xiàn)圈
上述的保護元件可以是單個(gè)元件,也可以由幾種不同功能的元件組合而成為更復雜的組件(后文還會(huì )提及).
2. 保護元件應具備的特性
本文主要介紹過(guò)電壓保護元件的特性.過(guò)電壓保護元件與迅速的將外來(lái)的沖擊能量全部或部分分瀉放掉,不讓其進(jìn)入設備內部,達到保護的目的,其必須具備如下的性能.
(1) 能承受一定的沖擊能量,尤其是在于其強大的雷電流作用下也不致?lián)p壞.
(2) 能迅速的抑制瞬間過(guò)電壓,且其殘壓應低于設備的安全值.
(3) 對過(guò)電壓的影響速度要快.在正常狀態(tài)時(shí)是高阻抗.且從高(低)阻抗狀態(tài)轉到低(高)阻抗狀態(tài)的時(shí)間極短.
(4) 元件本身有高的可靠性和穩定性,受多次沖擊而性能不變.
3. 主要保護元件的電氣性能
(1) 氣體放電管.將一個(gè)或一個(gè)以上的放電間隙封裝在玻璃、陶瓷管或其它介質(zhì)內,管內再充以一定壓力的惰性氣體(如氬氣等),就構成了一支氣體放電管(下稱(chēng)放電管).常用的有二極管和三極管,亦曾稱(chēng)有五級放電管.
放電管主要的電氣指標有標稱(chēng)直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、耐工頻電流能力和耐沖擊電流能力等.標稱(chēng)直流擊穿電壓是在放電管擊間施加緩慢上升的指示放電管發(fā)生了擊穿時(shí)刻的直流電壓(如圖1所示中的VA).它反映了放電管可以使用的場(chǎng)合,而不導致電路工作不正常.放電管未擊穿前相當于開(kāi)路狀態(tài).沖擊擊穿電壓則指放電管在沖擊電壓作用下的擊穿(動(dòng)作)電壓值.這個(gè)值非常重要,他代表其保護效果的好與壞,通常他甚至高于標稱(chēng)直流擊穿電壓值.如標稱(chēng)值為230V的放電管,其沖擊擊穿電壓值(殘壓)約高達600~800v(1Kv/μs),如圖1所示中的VA.
沖擊擊穿電壓值與施加至極間沖擊波性的波前(沿)陡度有明顯的關(guān)系,即波前越陡,電壓值越高,反之亦然.當陡度降得很緩慢時(shí),即為標稱(chēng)直流擊穿電壓值.這一特性常以放電管沖擊擊穿電壓和放電(動(dòng)作)時(shí)間關(guān)系的“伏秒特性”曲線(xiàn)來(lái)描述(如圖2所示).圖中的曲線(xiàn)越平直、越靠近Vdc值,則其保護效果越好.
耐電流能力可以說(shuō)是壽命指標,也可以說(shuō)是能力指標.表明他承受工頻點(diǎn)六和沖擊電流的水平,也是一個(gè)重要的指標.耐沖擊電流的數值與所加沖擊電流波形直接相關(guān),不同的波形,其值差別很大.放電管的耐沖擊電流可達20kA(8/20μs)以上.對于氣體放電管的指標要求,國標GB9043和I-TU-T(原CCITT)的K.12建議都有明確規定.應特別提出的是“橫向電壓”指標,以其3個(gè)(以上)間隙的擊穿時(shí)間差來(lái)衡量,也是三級以上的放電管所獨有的.三(多)級放電管最大的優(yōu)點(diǎn)是將3個(gè)以上的間隙密封于一個(gè)空間內,當其中任一間隙擊穿放電時(shí),由于氣體的電離和光的作用等,提前引發(fā)其余間隙迅速放電,令各電極間的電位差很小,即橫向電壓很低.這對平衡電路的橫向保護有很好的效果.
1個(gè)三級放電管[如土3(a)所示]其保護效果優(yōu)于使用3個(gè)二級放電管[如圖3(b)所示],更優(yōu)于僅使用兩個(gè)縱向保護二級放電管[如圖3(b)所示中沒(méi)有G3的情況].通常在a、b線(xiàn)上所感應的雷電壓Uae(U’ae)和Ube(U’be),當線(xiàn)路結構、絕緣等條件相同,放電管尚未擊穿前,Uae(U’ae)≈Ube(U’be),則Uab(U’ab)≈0.但當放電管一旦擊穿,可能出現下列兩種情況.
4所示的時(shí)間差ta-tb,橫向電壓Uab(U’ab)≠0,GB9043中規定ta-tb≤200ns,當沖擊波形的上升速率規定后,實(shí)際上是限制了橫向電壓的值.
由于氣體介質(zhì)中的擊穿放電是隨機現象,故對他的擊穿電壓(包括直流和沖擊)值不能簡(jiǎn)單的一個(gè)別樣品的個(gè)別數據來(lái)判定.多年來(lái),我們通過(guò)對大量實(shí)測擊穿電壓值進(jìn)行研究,觀(guān)察其實(shí)際分布情況,并利用亨利直線(xiàn)法進(jìn)行檢驗.結果表明,放電管的擊穿電壓基本上符合正態(tài)分布.所以,用統計評定方法是可行的,這已在GB9043中使用,ITU-T也以此為基礎修改了K.12建議.其實(shí),保護性能的優(yōu)劣,主要比較保護元件在沖擊電壓(電流)作用下放電時(shí),極間殘壓的高低,當然是越低越好.以往對殘壓這個(gè)概念有些人產(chǎn)生誤解,認為擊穿(放電)后的極間電壓(如圖1所示的VC)為殘壓,其實(shí)不然.因為比VC高得多的VA等早已進(jìn)入設備內部,甚至損壞設備(電路).所以,對殘壓的更準確理解為包括為使保護元件動(dòng)作的過(guò)電壓,保護元件動(dòng)作前的瞬態(tài)、保護元件動(dòng)作后的端電壓和保護動(dòng)作引起的電路順保護元件動(dòng)作后的端電壓和保護動(dòng)作引起的電路瞬態(tài)等.因而在進(jìn)行保護設計時(shí)必須考慮上述各種過(guò)電壓值,否則,該保護設計是不成功的.
(2) 壓敏電阻.壓敏電阻是一種由氧化鋅(或碳化硅)晶體微粒組成的多晶半導體過(guò)電壓抑制器件,典型的限幅型過(guò)電壓保護器件.實(shí)際上是一種電阻值隨外加電壓變化的非線(xiàn)性元件(如突5所示)與放電管相比,他對沖擊電壓的相應更快,可達納妙級.壓敏電阻的主要技術(shù)指標有壓敏電壓、殘壓或殘壓比、耐流能力和極間電容等.
從圖5可看出通過(guò)壓敏電阻的電流I不同時(shí),兩端的電壓是不同的(非線(xiàn)性),為了便于統一、比較和使用,規定通過(guò)的電流為1mA是兩端的電壓成為“壓敏電壓”(也有成起始電壓),記作U1mA,也是標稱(chēng)值.而被保護點(diǎn)的工作電壓值應低于此值,越僅為U1mA值得0.75倍或更低.殘壓含義如前所述,他指壓敏電阻上通過(guò)某一量級的沖擊(浪涌)電流是兩端的電壓值.當不同的壓敏電阻統一相同的沖擊電流(如10kA)時(shí),殘壓低的保護效果較好.若已通過(guò)不同的沖擊電流而評定其殘壓高低或保護效果的優(yōu)劣是不準確的.因為不同產(chǎn)品、規格的壓民電阻其伏安特性會(huì )有較大差異.壓敏電阻有一個(gè)衡量其吸收能量能力的指標,稱(chēng)為非線(xiàn)性系數α,其定義為:
(……)
從保護觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,顯然α值越小越好,α值越小,說(shuō)明流經(jīng)壓敏電阻的電流變化很大,而端電壓變化很小.也就是說(shuō),增加的電流部分,幾乎全部都被非線(xiàn)性電阻吸收.若α值接近于零,表示端電壓與其上流過(guò)電流的大小無(wú)關(guān),近乎常數,這是最理想了的.優(yōu)勢,相關(guān)的資料上沒(méi)有提供殘壓指標,卻給出“殘壓比”的數值,作用都是一樣的.“殘壓比”意指通
過(guò)某一量級沖擊電流時(shí)的殘壓(如突5所示的U1)值與壓敏電壓(U1mA)值之比,即:
殘壓比=U1/U1mA所以,當知道殘壓比后,從上式可很容易算的殘壓值U1(某量級的沖擊電流下),給保戶(hù)設計帶來(lái)方便.目前的殘壓比約為1.5~3.0.選用壓敏電阻時(shí),多以標稱(chēng)值即壓敏電壓值為依據,在進(jìn)行保護設計時(shí)更關(guān)鍵的是知道其殘壓值.
壓敏電阻能力的強弱以耐流能力(通流容量)來(lái)衡量.理論上耐流能力越強越好,這樣可以承受較強電流的沖擊.但實(shí)際使用時(shí)則有具體情況酌情選用.常用的壓敏點(diǎn)阻耐沖擊電流能力亦高達10kA(8/20μs)以上,只是體積和電容量隨通流容量的增大而增大.
還需要考慮的是壓敏電阻的阻值(非動(dòng)作時(shí))并非無(wú)限大,工作與有恒定電壓的情況下,會(huì )存在一定的漏電流,若產(chǎn)品質(zhì)量不好,漏電流會(huì )逐漸增大甚至自行損壞.況且,長(cháng)時(shí)間流過(guò)這些微弱電流也會(huì )形成溫升,只是慢慢老化而縮短壽命或發(fā)生爆炸.隨著(zhù)技術(shù)水平的提高,上述情況已有所改善.
(3) 瞬態(tài)二極管.瞬態(tài)二極管(臨時(shí)稱(chēng)謂)是由兩個(gè)背靠背的PN結組成的開(kāi)關(guān)型半導體元件.亦有稱(chēng)半導體浪涌抑制器,相對氣體放電管而言,亦有稱(chēng)固體放電管或半導體放電管,皆因其伏安特性(如圖6所示)與氣體放電管類(lèi)似之故,但其機理卻截然不同,這樣稱(chēng)呼是不恰當的.它具有響應速度快(納妙級)、擊穿電壓一致性好、殘壓低等優(yōu)點(diǎn),但耐流能力卻不如氣體放電管及壓敏電阻.
瞬態(tài)二極管的主要技術(shù)指標有不動(dòng)作電壓、最高限制電壓、耐流能力、極間電容及源電流等.
不動(dòng)作電壓或稱(chēng)最低限制電壓,它指該管保持高阻狀態(tài)時(shí)所能承受的最高電壓值(如圖6所示的UA).此值因與流過(guò)的電流有關(guān),因而規定電流為1mA時(shí)的電壓即為不動(dòng)作電壓.從某種意義上講,不動(dòng)作電壓可以認為是生產(chǎn)廠(chǎng)家給出的標稱(chēng)值,反映它在不影響正常工作情況下所能應用的場(chǎng)合.最高限制電壓(如圖6所示的UB)是在規定電壓上升速率的條件下,管子兩端允許出現的最高電壓值.電壓上升速率有兩種規定:其一是100kV/s的速率下得出的值,表明電壓上升速率較緩慢時(shí),必須在此值以下動(dòng)作(導通),反映的是“準穩態(tài)”性能;其二是1kV/μs的速率下得出的值,反映管子在碰見(jiàn)瞬態(tài)電壓(如雷電壓)時(shí),兩端可能出現的最高電壓值,該值越低,則保護效果越好,類(lèi)似于“殘壓”的概念.目前規定此值小于400V,約為氣體放電管的一半.耐流能力的含義與前述相同.瞬態(tài)二極管這種能力低于氣體放電管和壓敏電阻.此外,極間電容與漏電流是靜態(tài)指標,只要不影響正常工作即可.極間電容值較大則限制了它在高頻段上的使用.
(4) 穩態(tài)(齊納)管和開(kāi)關(guān)二極管.他們均屬于半導體元件,因其動(dòng)作速度快(納妙級),限幅電壓很低,是電子設備中“細”保護必不可少的元件,靠其伏安特性的箝位作用而達到限幅保護的目的.耐流能力低是其突出的缺點(diǎn).穩壓管利用它反偏電壓超過(guò)規定值(如圖7所示U2)時(shí)而進(jìn)入導通狀態(tài),流經(jīng)管子的電流迅速增加,從高阻狀態(tài)旋即進(jìn)入低阻狀態(tài).管子兩端的電壓變化很少,箝位在所要求的電壓上.如果將兩個(gè)穩壓管反極性串聯(lián)在一起,就能達到以正、反向限幅保護的目的(如圖7所示).不過(guò),硅管比鍺管能耐受更大的功率,故保護多使用擴散結硅穩定管,市場(chǎng)出售的2CW系列管,可提供從幾伏至上百伏的限幅保護.正向使
用則可實(shí)現0.7V的極低限幅電壓的保護值.
硅開(kāi)關(guān)二極管與齊納不同,其方向特性在擊穿之后不能恢復.所以,主要利用正向特性進(jìn)行極低電壓的保護,限幅電壓也為0.7V.當然,若用n個(gè)管子串聯(lián),可得0.7nV的限幅值.常用的國產(chǎn)管有2CK114或2CK115等.
(5) 正溫度系數熱敏電阻器.這是一種電阻值隨溫度增加而增加的非線(xiàn)性元件,主要起限流作用.當受外來(lái)的過(guò)電流(非雷擊)影響時(shí),規定的短時(shí)間內電阻值急劇增加,從而限制回路上的過(guò)電流(如工頻)在允許的范圍內,保證了設備的安全.但他對雷電的反應很遲鈍,不起防雷電(過(guò)電流)作用,只是很多保護電路上都有使用,便在此略提一下.
針對上述的幾種保護元件的特性,現做一粗略的比較,如表1所示,以供參考.
4. 保護元件的選擇
選擇保護元件主要考慮以下幾點(diǎn).
(1) 首先應確定保護元件的靜態(tài)工作范圍,據此選取合適的標稱(chēng)值.如氣體放電管的標稱(chēng)直流擊穿電壓、壓敏電阻的壓敏電壓值、瞬態(tài)二極管的不動(dòng)作電壓值和穩態(tài)管的穩壓值等.這些標稱(chēng)值應高于該電路可能出現的最高穩態(tài)電壓值(供電電壓、信號峰值電壓等的疊加值).至于開(kāi)關(guān)二極管很多是以?xún)芍还芊聪虿⒙?lián)使用,獲得雙向保護[如圖a8所示],這時(shí),a、b線(xiàn)間的穩態(tài)電壓值必須小于0.7V(并留有余量),否則會(huì )影響電路的正常工作.若這時(shí)不能滿(mǎn)足要求,可以如圖8(b)所示的方法獲得0.7nV的電壓值.而穩壓管亦可采用此方法,甚至必要時(shí)穩壓管和開(kāi)關(guān)管按需混串后再并聯(lián)使用.這樣可以獲得多種穩態(tài)電壓值和不同的電容值.
(2) 保護元件本身固有電容值是否影響信號的傳輸,它對高頻電路(如天饋線(xiàn)輸入、人部分)中的保護元件尤為重要,氣體放電關(guān)在這方面有較大的優(yōu)勢,其電容值約5pF或更低.
(3) 保護遠見(jiàn)的殘壓無(wú)論何時(shí)都應低于被保護設備或電路的損壞電壓,最好還有一定的程度.氣體放電管一節中曾提到“伏秒特性”,其實(shí)每一種保護元件都有此特性,它能動(dòng)態(tài)的反映保護效果.同樣,每一被保護設備或電路也有它們各自的“伏秒特性”,只不過(guò)它動(dòng)態(tài)的反映地是其損壞值(安全值).保護設計時(shí)這兩種伏秒特性要互相配合好.顯然,從保護角度來(lái)看,保護元件的伏秒特性任何時(shí)候都應在被保護對象的伏秒特性之下(如圖9所示),這是的保護是“全方位”的、最有效的.如圖10(a)所示中表示C點(diǎn)左邊為“保護區”,設備得以保護,而C點(diǎn)的右邊卻是設備(被保護的)反過(guò)來(lái)“保護”了保護元件,設備必遭損壞,為失去保護區,這與設計的初衷是相反的.
通常保護元件的數據僅提供沖擊波形前沿為某一上升速率下的殘壓值,也即是其伏秒特性中的某點(diǎn),遠非其全部,這當然給保護設計帶來(lái)困難.所以,必要時(shí)應測出保護元件的伏秒特性.至于被保護對象的伏秒特性更是無(wú)從可得,非親自努力獲取不可,難度自然更大一些,如果能這樣,當時(shí)最佳選擇.倘若為了簡(jiǎn)化工作,按個(gè)方面要求選好保護元件并安裝好,再用不同上升速率的或可能出現的沖擊波形進(jìn)行模擬雷擊試驗,以檢驗保護效果能否達到預期的目的.
(4) 根據設備或電路的需要,選取有足夠耐流能力的保護元件.我們總希望有盡量多的沖擊電流(能量)通過(guò)它旁路,不進(jìn)入設備內部,而其本身亦安全無(wú)恙.否則,被擊壞之后,若不能及時(shí)發(fā)現和更換,隨之而來(lái)的浪涌即會(huì )造成損壞.那么,如何確定需要的耐流能力?首先考慮環(huán)境條件、雷暴日數、雷電強弱以及損壞概率等.如果用于緊靠外線(xiàn)連接處,保護元件需承受如上推斷的最大的沖擊(浪涌)電流.其次,要考慮被保護對象是與架空線(xiàn)路連接還是與埋地線(xiàn)路連接.例如,架空線(xiàn)上出現雷電流的概率,超過(guò)100kA的約占2%,若經(jīng)過(guò)線(xiàn)路或各種設施的衰減而達到設備時(shí)電流就小得多,考慮到電流值用不著(zhù)達到100kA的水平,連接信號傳輸線(xiàn)路的情況亦如此.我們一般將使用的環(huán)境劃分為非暴露環(huán)境和暴露環(huán)境,既非暴露環(huán)境指城市中心區和低暴露活動(dòng)的地區,其間出現的過(guò)電壓極少超過(guò)保護遠見(jiàn)的殘壓;暴露環(huán)境之處非暴露環(huán)境外的其他區域、環(huán)境,也包括必須采取一切有效保護措施才能獲得滿(mǎn)意保護效果的特性環(huán)境,如市郊、新經(jīng)濟開(kāi)發(fā)區及強雷暴活動(dòng)地區等.一般而言,使用在非暴露環(huán)境的保護元件2.5~5kA的耐流能力應不會(huì )損壞,暴露環(huán)境則需要5~20kA甚至更高.
四、 保護元件的應用
1． 多級保護
2． 從上面的介紹可知,耐沖擊能力強的保護元件其殘壓較高,動(dòng)作速度亦相對較慢,反之亦然.而從線(xiàn)路襲入的過(guò)電壓均具有較大的沖擊能量.所以,設置在緊靠外線(xiàn)側的保護元件首當其沖,應能承受產(chǎn)大能量的沖擊,因而用氣體放電管或壓敏電阻最為適合.特殊情況下(如非暴露環(huán)境)也可用瞬態(tài)二極管.習慣上,這稱(chēng)之為第一級保護.由于經(jīng)第一級保護后其殘壓人達數百伏甚至上千伏之高,尚足以擊壞其后的元(器)件,尤其像晶體管、集成電路之類(lèi)的電路,故也俗稱(chēng)為“粗”保護,很能突出這一保護級的特點(diǎn).由此可見(jiàn),第一級保護之后還必須設置一些對雷電能迅速相應的、殘壓足夠低的保護元件(如壓敏電阻、穩壓管、開(kāi)關(guān)二極管等),稱(chēng)為第二級保護.經(jīng)過(guò)第二級之后,殘壓依然較高,只有采用三級甚至四級以上的保護才足以把外來(lái)的過(guò)電壓限制到足夠低的水平上而達到預期的目的.第二(三)級之后的保護相應的稱(chēng)為“細”保護.防雷技術(shù)上把這些通過(guò)“粗”、“細”保護結合起來(lái)逐級限幅的方法稱(chēng)之為“多
級保護”.“粗”、“細”保護的技術(shù)視具體需要而定.
3． 當進(jìn)行多級保護設計時(shí),注意的不能如圖11所示那樣簡(jiǎn)單的把幾種具有不同耐流能力、響應速度元件并聯(lián)在一起,以為它必然按我們所希望的G1→G2→G3順序動(dòng)作(放電、導通),實(shí)際上不一定如此.因為G3和G2的響應速度均高于G1,且其伏秒特性處于不同量極,G1最高、G2次之、G3最低.極可能出現G3先于G2動(dòng)作(導通),G2先于G1動(dòng)作(導通),或G2導通后G1不能放電.因而,巨大的沖擊能量?jì)H有耐流能力較低的G2或G3單獨承擔,他們自然易遭損壞.如欲達到所希望的順序放電、導通的目的,應如圖12所示的方法連接,各保護元件間分別串接一個(gè)網(wǎng)絡(luò )(或元件),它可以是電阻、電容、電感或它們的組合網(wǎng)絡(luò ).我們稱(chēng)之為保護級之間的“隔離”.如果“隔離”不夠,后繼的動(dòng)作可能影響到前級而損壞耐流能力弱的保護元件或造成保護及之間的過(guò)流.
另外,還應注意的是,即使是用兩個(gè)相同型號、規格的保護元件,假定每一個(gè)的耐沖擊電流能力為5kA(8/20μs),并聯(lián)之后的耐流能力不能視之為10kA(8/20μs).因為這兩個(gè)保護元件的特性、響應時(shí)間等不盡相同,不會(huì )同時(shí)動(dòng)作.若10kA的沖擊電流襲入,它們會(huì )先后損壞,失去保護功能.
2．增強保護效果的其他措施
當進(jìn)行保護設計時(shí),還可以采取如下措施以增強保護效果.
(1) 設備電路的接地良好.
(2) 利用增大電流負反饋來(lái)限制晶體管等的過(guò)流.
(3) 裝有如濾波器等頻率分割部件時(shí),可在不影響電路正常工作的前提下,盡量提高高通濾波器的截頻或盡量降低低通濾波器的截頻,增大阻帶衰耗.
(4) 在不影響正常工作的條件下,電路中可串入近兩大的限流電阻和并聯(lián)電容器(容量盡量大),以限制其他過(guò)流河旁路過(guò)電流.
(5) 盡可能縮短保護元件的引線(xiàn),直接裝在需要保護的電路上.
(6) 在易受浪涌沖擊的電路中應選用碳膜電阻,不要使用耐沖能力較差的金屬膜電阻.
(7) 高頻電路中使用穩壓管作“細”保護時(shí),應考慮其固有電容值對工作狀態(tài)的影響.由于其PN結電容量隨端電壓而改變,即反偏電壓越大,結電容量越小,令偏壓時(shí)則最高(如圖13所示).所以,可根據電路對電容的要求,給該穩壓管加上一定的偏執電壓.亦可用如表而敘述的一些方法達到地電容的保護目的
一、設備受雷擊的途徑
雷電直擊地面(物體)和/或空中雷云間放電時(shí)產(chǎn)生強烈的沖擊電磁場(chǎng),在設備和傳輸線(xiàn)上感生雷電過(guò)電壓,從而損壞設備或傳輸線(xiàn)路.從所掌握的資料表明,除少數屬雷電直擊或空間感應外,絕大部分是因為雷電行波從室外的傳輸線(xiàn)引人而損壞設備的.這些室外傳輸線(xiàn)包括傳輸信息的金屬引入(出)線(xiàn)路和用以饋電的交(直)流線(xiàn)路.傳輸信息線(xiàn)路有架空線(xiàn)路、埋地線(xiàn)路、鋼軌或其他類(lèi)似的傳導體.而架空線(xiàn)主要指通信明線(xiàn)、架空電(廣)纜或其他性能相近的線(xiàn)路;埋地線(xiàn)路則有埋地(對稱(chēng)、同軸)電纜和光纜等.傳輸線(xiàn)路上引入的過(guò)電壓分為縱向(共模)過(guò)電壓和橫向(差模)過(guò)電壓兩類(lèi).在平衡(對稱(chēng))線(xiàn)路上某點(diǎn)出現的線(xiàn)與地之間的過(guò)電壓成為縱向過(guò)電壓;平衡(對稱(chēng))線(xiàn)路間或不平衡線(xiàn)路(如同軸電纜)的線(xiàn)路與地之間出現的過(guò)電壓成為橫向過(guò)電壓.一般情況下,橫向過(guò)電壓低于縱向過(guò)電壓.但在比較極端的情況下,橫向過(guò)電壓可具有與縱向過(guò)電壓相同的幅值和特續時(shí)間.若某些系統有中繼設備和遠供回路時(shí)(如通信系統的增音機),當前、后段的線(xiàn)路感應有不同的過(guò)電壓時(shí),還會(huì )造成順線(xiàn)路方向的縱向過(guò)電壓,同樣損壞設備,這一點(diǎn)易為人們所忽視.傳輸線(xiàn)路因其自身結構的原因、雷電行波傳輸過(guò)程的差異,以及縱向保護元件動(dòng)作時(shí)間的不同等,令分別出現在量平衡獻上的縱向過(guò)電壓不相等,從而形成橫向過(guò)電壓(不平衡線(xiàn)路上的橫向過(guò)電壓即縱向過(guò)電壓).縱向過(guò)電壓損壞設備線(xiàn)于地(機殼0之間的絕緣,但橫向過(guò)電壓則像信號般在線(xiàn)間傳輸,盡管其幅值不很高,卻足以損壞既敏感,耐壓水平又很低的元器件和內部電路.
二、雷擊保護的基本原則
欲使設備得到很好的保護,首先應對其所處的環(huán)境、受雷電影響的程度做出客觀(guān)的估計,因他于出現 過(guò)電壓的幅值、概率、網(wǎng)絡(luò )結構、設備抗電能力、保護水平和接地等有關(guān).不過(guò),防雷工作應作為一項系統工程來(lái)考慮,強調全面防護(包括建筑物、傳輸線(xiàn)路、設備和接地等),綜合治理,且要做到科學(xué)、可靠、使用和經(jīng)濟.我們并不一定要求對雷電進(jìn)行100%的防護,允許有一定的風(fēng)險率,這當然應通過(guò)一定的技術(shù)經(jīng)濟比較以后才可確定.總的來(lái)說(shuō),考慮防雷時(shí)可歸納為如下3種主要方法.
1. 采用躲避的方法
這是非常重要的、經(jīng)濟有效的措施.應正確的選擇線(xiàn)路的路由、站址(設備安放點(diǎn)),有意識的盡量避開(kāi)在理論上、經(jīng)驗上和實(shí)際上證實(shí)的雷擊區或雷擊點(diǎn).
2. 對雷電進(jìn)行橫截
這需要外加一定的保護元器件,旁路或限制進(jìn)入系統內的雷電壓(流),從而減輕系統受損的程度或在系統能承受的水平之下.
3. 提高系統的耐雷水平
從改善系統的結構人手,通過(guò)對危險性的估計,規定線(xiàn)路、設備的介質(zhì)絕緣強度、耐沖擊能力等,提高其自身的耐雷能力(改善設備的伏秒特性).
三、保護元件的選擇
上一張提到的三條保護原則中,后面兩條均需要外加一些保護元件才能實(shí)現.本章僅就常用保護元件的選擇問(wèn)題作進(jìn)一步論述.
1. 保護元件的分類(lèi)
保護元件的分類(lèi)
保護元件從不同角度考慮,可粗分如下.
(1) 從導通的類(lèi)型分
空間空隙:如空氣隙碳精放電器
放電型
密封間隙:如氣體放電管
開(kāi)關(guān)型:順態(tài)二極管
限幅型 :壓敏電阻、穩壓管(齊納管) 、開(kāi)關(guān)二極管
(2) 從功能分.
開(kāi)關(guān)型
過(guò)壓保護 放電型
(并聯(lián)用) 限幅型
過(guò)流保護 非自復型
(串聯(lián)用) 自復型:正溫度系數熱敏電阻
不中斷 隔離變壓器
傳輸信號 排流線(xiàn)圈
上述的保護元件可以是單個(gè)元件,也可以由幾種不同功能的元件組合而成為更復雜的組件(后文還會(huì )提及).
2. 保護元件應具備的特性
本文主要介紹過(guò)電壓保護元件的特性.過(guò)電壓保護元件與迅速的將外來(lái)的沖擊能量全部或部分分瀉放掉,不讓其進(jìn)入設備內部,達到保護的目的,其必須具備如下的性能.
(1) 能承受一定的沖擊能量,尤其是在于其強大的雷電流作用下也不致?lián)p壞.
(2) 能迅速的抑制瞬間過(guò)電壓,且其殘壓應低于設備的安全值.
(3) 對過(guò)電壓的影響速度要快.在正常狀態(tài)時(shí)是高阻抗.且從高(低)阻抗狀態(tài)轉到低(高)阻抗狀態(tài)的時(shí)間極短.
(4) 元件本身有高的可靠性和穩定性,受多次沖擊而性能不變.
3. 主要保護元件的電氣性能
(1) 氣體放電管.將一個(gè)或一個(gè)以上的放電間隙封裝在玻璃、陶瓷管或其它介質(zhì)內,管內再充以一定壓力的惰性氣體(如氬氣等),就構成了一支氣體放電管(下稱(chēng)放電管).常用的有二極管和三極管,亦曾稱(chēng)有五級放電管.
放電管主要的電氣指標有標稱(chēng)直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、耐工頻電流能力和耐沖擊電流能力等.標稱(chēng)直流擊穿電壓是在放電管擊間施加緩慢上升的指示放電管發(fā)生了擊穿時(shí)刻的直流電壓(如圖1所示中的VA).它反映了放電管可以使用的場(chǎng)合,而不導致電路工作不正常.放電管未擊穿前相當于開(kāi)路狀態(tài).沖擊擊穿電壓則指放電管在沖擊電壓作用下的擊穿(動(dòng)作)電壓值.這個(gè)值非常重要,他代表其保護效果的好與壞,通常他甚至高于標稱(chēng)直流擊穿電壓值.如標稱(chēng)值為230V的放電管,其沖擊擊穿電壓值(殘壓)約高達600~800v(1Kv/μs),如圖1所示中的VA.
沖擊擊穿電壓值與施加至極間沖擊波性的波前(沿)陡度有明顯的關(guān)系,即波前越陡,電壓值越高,反之亦然.當陡度降得很緩慢時(shí),即為標稱(chēng)直流擊穿電壓值.這一特性常以放電管沖擊擊穿電壓和放電(動(dòng)作)時(shí)間關(guān)系的“伏秒特性”曲線(xiàn)來(lái)描述(如圖2所示).圖中的曲線(xiàn)越平直、越靠近Vdc值,則其保護效果越好.
耐電流能力可以說(shuō)是壽命指標,也可以說(shuō)是能力指標.表明他承受工頻點(diǎn)六和沖擊電流的水平,也是一個(gè)重要的指標.耐沖擊電流的數值與所加沖擊電流波形直接相關(guān),不同的波形,其值差別很大.放電管的耐沖擊電流可達20kA(8/20μs)以上.對于氣體放電管的指標要求,國標GB9043和I-TU-T(原CCITT)的K.12建議都有明確規定.應特別提出的是“橫向電壓”指標,以其3個(gè)(以上)間隙的擊穿時(shí)間差來(lái)衡量,也是三級以上的放電管所獨有的.三(多)級放電管最大的優(yōu)點(diǎn)是將3個(gè)以上的間隙密封于一個(gè)空間內,當其中任一間隙擊穿放電時(shí),由于氣體的電離和光的作用等,提前引發(fā)其余間隙迅速放電,令各電極間的電位差很小,即橫向電壓很低.這對平衡電路的橫向保護有很好的效果.
1個(gè)三級放電管[如土3(a)所示]其保護效果優(yōu)于使用3個(gè)二級放電管[如圖3(b)所示],更優(yōu)于僅使用兩個(gè)縱向保護二級放電管[如圖3(b)所示中沒(méi)有G3的情況].通常在a、b線(xiàn)上所感應的雷電壓Uae(U’ae)和Ube(U’be),當線(xiàn)路結構、絕緣等條件相同,放電管尚未擊穿前,Uae(U’ae)≈Ube(U’be),則Uab(U’ab)≈0.但當放電管一旦擊穿,可能出現下列兩種情況.
4所示的時(shí)間差ta-tb,橫向電壓Uab(U’ab)≠0,GB9043中規定ta-tb≤200ns,當沖擊波形的上升速率規定后,實(shí)際上是限制了橫向電壓的值.
由于氣體介質(zhì)中的擊穿放電是隨機現象,故對他的擊穿電壓(包括直流和沖擊)值不能簡(jiǎn)單的一個(gè)別樣品的個(gè)別數據來(lái)判定.多年來(lái),我們通過(guò)對大量實(shí)測擊穿電壓值進(jìn)行研究,觀(guān)察其實(shí)際分布情況,并利用亨利直線(xiàn)法進(jìn)行檢驗.結果表明,放電管的擊穿電壓基本上符合正態(tài)分布.所以,用統計評定方法是可行的,這已在GB9043中使用,ITU-T也以此為基礎修改了K.12建議.其實(shí),保護性能的優(yōu)劣,主要比較保護元件在沖擊電壓(電流)作用下放電時(shí),極間殘壓的高低,當然是越低越好.以往對殘壓這個(gè)概念有些人產(chǎn)生誤解,認為擊穿(放電)后的極間電壓(如圖1所示的VC)為殘壓,其實(shí)不然.因為比VC高得多的VA等早已進(jìn)入設備內部,甚至損壞設備(電路).所以,對殘壓的更準確理解為包括為使保護元件動(dòng)作的過(guò)電壓,保護元件動(dòng)作前的瞬態(tài)、保護元件動(dòng)作后的端電壓和保護動(dòng)作引起的電路順保護元件動(dòng)作后的端電壓和保護動(dòng)作引起的電路瞬態(tài)等.因而在進(jìn)行保護設計時(shí)必須考慮上述各種過(guò)電壓值,否則,該保護設計是不成功的.
(2) 壓敏電阻.壓敏電阻是一種由氧化鋅(或碳化硅)晶體微粒組成的多晶半導體過(guò)電壓抑制器件,典型的限幅型過(guò)電壓保護器件.實(shí)際上是一種電阻值隨外加電壓變化的非線(xiàn)性元件(如突5所示)與放電管相比,他對沖擊電壓的相應更快,可達納妙級.壓敏電阻的主要技術(shù)指標有壓敏電壓、殘壓或殘壓比、耐流能力和極間電容等.
從圖5可看出通過(guò)壓敏電阻的電流I不同時(shí),兩端的電壓是不同的(非線(xiàn)性),為了便于統一、比較和使用,規定通過(guò)的電流為1mA是兩端的電壓成為“壓敏電壓”(也有成起始電壓),記作U1mA,也是標稱(chēng)值.而被保護點(diǎn)的工作電壓值應低于此值,越僅為U1mA值得0.75倍或更低.殘壓含義如前所述,他指壓敏電阻上通過(guò)某一量級的沖擊(浪涌)電流是兩端的電壓值.當不同的壓敏電阻統一相同的沖擊電流(如10kA)時(shí),殘壓低的保護效果較好.若已通過(guò)不同的沖擊電流而評定其殘壓高低或保護效果的優(yōu)劣是不準確的.因為不同產(chǎn)品、規格的壓民電阻其伏安特性會(huì )有較大差異.壓敏電阻有一個(gè)衡量其吸收能量能力的指標,稱(chēng)為非線(xiàn)性系數α,其定義為:
(……)
從保護觀(guān)點(diǎn)來(lái)看,顯然α值越小越好,α值越小,說(shuō)明流經(jīng)壓敏電阻的電流變化很大,而端電壓變化很小.也就是說(shuō),增加的電流部分,幾乎全部都被非線(xiàn)性電阻吸收.若α值接近于零,表示端電壓與其上流過(guò)電流的大小無(wú)關(guān),近乎常數,這是最理想了的.優(yōu)勢,相關(guān)的資料上沒(méi)有提供殘壓指標,卻給出“殘壓比”的數值,作用都是一樣的.“殘壓比”意指通
過(guò)某一量級沖擊電流時(shí)的殘壓(如突5所示的U1)值與壓敏電壓(U1mA)值之比,即:
殘壓比=U1/U1mA所以,當知道殘壓比后,從上式可很容易算的殘壓值U1(某量級的沖擊電流下),給保戶(hù)設計帶來(lái)方便.目前的殘壓比約為1.5~3.0.選用壓敏電阻時(shí),多以標稱(chēng)值即壓敏電壓值為依據,在進(jìn)行保護設計時(shí)更關(guān)鍵的是知道其殘壓值.
壓敏電阻能力的強弱以耐流能力(通流容量)來(lái)衡量.理論上耐流能力越強越好,這樣可以承受較強電流的沖擊.但實(shí)際使用時(shí)則有具體情況酌情選用.常用的壓敏點(diǎn)阻耐沖擊電流能力亦高達10kA(8/20μs)以上,只是體積和電容量隨通流容量的增大而增大.
還需要考慮的是壓敏電阻的阻值(非動(dòng)作時(shí))并非無(wú)限大,工作與有恒定電壓的情況下,會(huì )存在一定的漏電流,若產(chǎn)品質(zhì)量不好,漏電流會(huì )逐漸增大甚至自行損壞.況且,長(cháng)時(shí)間流過(guò)這些微弱電流也會(huì )形成溫升,只是慢慢老化而縮短壽命或發(fā)生爆炸.隨著(zhù)技術(shù)水平的提高,上述情況已有所改善.
(3) 瞬態(tài)二極管.瞬態(tài)二極管(臨時(shí)稱(chēng)謂)是由兩個(gè)背靠背的PN結組成的開(kāi)關(guān)型半導體元件.亦有稱(chēng)半導體浪涌抑制器,相對氣體放電管而言,亦有稱(chēng)固體放電管或半導體放電管,皆因其伏安特性(如圖6所示)與氣體放電管類(lèi)似之故,但其機理卻截然不同,這樣稱(chēng)呼是不恰當的.它具有響應速度快(納妙級)、擊穿電壓一致性好、殘壓低等優(yōu)點(diǎn),但耐流能力卻不如氣體放電管及壓敏電阻.
瞬態(tài)二極管的主要技術(shù)指標有不動(dòng)作電壓、最高限制電壓、耐流能力、極間電容及源電流等.
不動(dòng)作電壓或稱(chēng)最低限制電壓,它指該管保持高阻狀態(tài)時(shí)所能承受的最高電壓值(如圖6所示的UA).此值因與流過(guò)的電流有關(guān),因而規定電流為1mA時(shí)的電壓即為不動(dòng)作電壓.從某種意義上講,不動(dòng)作電壓可以認為是生產(chǎn)廠(chǎng)家給出的標稱(chēng)值,反映它在不影響正常工作情況下所能應用的場(chǎng)合.最高限制電壓(如圖6所示的UB)是在規定電壓上升速率的條件下,管子兩端允許出現的最高電壓值.電壓上升速率有兩種規定:其一是100kV/s的速率下得出的值,表明電壓上升速率較緩慢時(shí),必須在此值以下動(dòng)作(導通),反映的是“準穩態(tài)”性能;其二是1kV/μs的速率下得出的值,反映管子在碰見(jiàn)瞬態(tài)電壓(如雷電壓)時(shí),兩端可能出現的最高電壓值,該值越低,則保護效果越好,類(lèi)似于“殘壓”的概念.目前規定此值小于400V,約為氣體放電管的一半.耐流能力的含義與前述相同.瞬態(tài)二極管這種能力低于氣體放電管和壓敏電阻.此外,極間電容與漏電流是靜態(tài)指標,只要不影響正常工作即可.極間電容值較大則限制了它在高頻段上的使用.
(4) 穩態(tài)(齊納)管和開(kāi)關(guān)二極管.他們均屬于半導體元件,因其動(dòng)作速度快(納妙級),限幅電壓很低,是電子設備中“細”保護必不可少的元件,靠其伏安特性的箝位作用而達到限幅保護的目的.耐流能力低是其突出的缺點(diǎn).穩壓管利用它反偏電壓超過(guò)規定值(如圖7所示U2)時(shí)而進(jìn)入導通狀態(tài),流經(jīng)管子的電流迅速增加,從高阻狀態(tài)旋即進(jìn)入低阻狀態(tài).管子兩端的電壓變化很少,箝位在所要求的電壓上.如果將兩個(gè)穩壓管反極性串聯(lián)在一起,就能達到以正、反向限幅保護的目的(如圖7所示).不過(guò),硅管比鍺管能耐受更大的功率,故保護多使用擴散結硅穩定管,市場(chǎng)出售的2CW系列管,可提供從幾伏至上百伏的限幅保護.正向使
用則可實(shí)現0.7V的極低限幅電壓的保護值.
硅開(kāi)關(guān)二極管與齊納不同,其方向特性在擊穿之后不能恢復.所以,主要利用正向特性進(jìn)行極低電壓的保護,限幅電壓也為0.7V.當然,若用n個(gè)管子串聯(lián),可得0.7nV的限幅值.常用的國產(chǎn)管有2CK114或2CK115等.
(5) 正溫度系數熱敏電阻器.這是一種電阻值隨溫度增加而增加的非線(xiàn)性元件,主要起限流作用.當受外來(lái)的過(guò)電流(非雷擊)影響時(shí),規定的短時(shí)間內電阻值急劇增加,從而限制回路上的過(guò)電流(如工頻)在允許的范圍內,保證了設備的安全.但他對雷電的反應很遲鈍,不起防雷電(過(guò)電流)作用,只是很多保護電路上都有使用,便在此略提一下.
針對上述的幾種保護元件的特性,現做一粗略的比較,如表1所示,以供參考.
4. 保護元件的選擇
選擇保護元件主要考慮以下幾點(diǎn).
(1) 首先應確定保護元件的靜態(tài)工作范圍,據此選取合適的標稱(chēng)值.如氣體放電管的標稱(chēng)直流擊穿電壓、壓敏電阻的壓敏電壓值、瞬態(tài)二極管的不動(dòng)作電壓值和穩態(tài)管的穩壓值等.這些標稱(chēng)值應高于該電路可能出現的最高穩態(tài)電壓值(供電電壓、信號峰值電壓等的疊加值).至于開(kāi)關(guān)二極管很多是以?xún)芍还芊聪虿⒙?lián)使用,獲得雙向保護[如圖a8所示],這時(shí),a、b線(xiàn)間的穩態(tài)電壓值必須小于0.7V(并留有余量),否則會(huì )影響電路的正常工作.若這時(shí)不能滿(mǎn)足要求,可以如圖8(b)所示的方法獲得0.7nV的電壓值.而穩壓管亦可采用此方法,甚至必要時(shí)穩壓管和開(kāi)關(guān)管按需混串后再并聯(lián)使用.這樣可以獲得多種穩態(tài)電壓值和不同的電容值.
(2) 保護元件本身固有電容值是否影響信號的傳輸,它對高頻電路(如天饋線(xiàn)輸入、人部分)中的保護元件尤為重要,氣體放電關(guān)在這方面有較大的優(yōu)勢,其電容值約5pF或更低.
(3) 保護遠見(jiàn)的殘壓無(wú)論何時(shí)都應低于被保護設備或電路的損壞電壓,最好還有一定的程度.氣體放電管一節中曾提到“伏秒特性”,其實(shí)每一種保護元件都有此特性,它能動(dòng)態(tài)的反映保護效果.同樣,每一被保護設備或電路也有它們各自的“伏秒特性”,只不過(guò)它動(dòng)態(tài)的反映地是其損壞值(安全值).保護設計時(shí)這兩種伏秒特性要互相配合好.顯然,從保護角度來(lái)看,保護元件的伏秒特性任何時(shí)候都應在被保護對象的伏秒特性之下(如圖9所示),這是的保護是“全方位”的、最有效的.如圖10(a)所示中表示C點(diǎn)左邊為“保護區”,設備得以保護,而C點(diǎn)的右邊卻是設備(被保護的)反過(guò)來(lái)“保護”了保護元件,設備必遭損壞,為失去保護區,這與設計的初衷是相反的.
通常保護元件的數據僅提供沖擊波形前沿為某一上升速率下的殘壓值,也即是其伏秒特性中的某點(diǎn),遠非其全部,這當然給保護設計帶來(lái)困難.所以,必要時(shí)應測出保護元件的伏秒特性.至于被保護對象的伏秒特性更是無(wú)從可得,非親自努力獲取不可,難度自然更大一些,如果能這樣,當時(shí)最佳選擇.倘若為了簡(jiǎn)化工作,按個(gè)方面要求選好保護元件并安裝好,再用不同上升速率的或可能出現的沖擊波形進(jìn)行模擬雷擊試驗,以檢驗保護效果能否達到預期的目的.
(4) 根據設備或電路的需要,選取有足夠耐流能力的保護元件.我們總希望有盡量多的沖擊電流(能量)通過(guò)它旁路,不進(jìn)入設備內部,而其本身亦安全無(wú)恙.否則,被擊壞之后,若不能及時(shí)發(fā)現和更換,隨之而來(lái)的浪涌即會(huì )造成損壞.那么,如何確定需要的耐流能力?首先考慮環(huán)境條件、雷暴日數、雷電強弱以及損壞概率等.如果用于緊靠外線(xiàn)連接處,保護元件需承受如上推斷的最大的沖擊(浪涌)電流.其次,要考慮被保護對象是與架空線(xiàn)路連接還是與埋地線(xiàn)路連接.例如,架空線(xiàn)上出現雷電流的概率,超過(guò)100kA的約占2%,若經(jīng)過(guò)線(xiàn)路或各種設施的衰減而達到設備時(shí)電流就小得多,考慮到電流值用不著(zhù)達到100kA的水平,連接信號傳輸線(xiàn)路的情況亦如此.我們一般將使用的環(huán)境劃分為非暴露環(huán)境和暴露環(huán)境,既非暴露環(huán)境指城市中心區和低暴露活動(dòng)的地區,其間出現的過(guò)電壓極少超過(guò)保護遠見(jiàn)的殘壓;暴露環(huán)境之處非暴露環(huán)境外的其他區域、環(huán)境,也包括必須采取一切有效保護措施才能獲得滿(mǎn)意保護效果的特性環(huán)境,如市郊、新經(jīng)濟開(kāi)發(fā)區及強雷暴活動(dòng)地區等.一般而言,使用在非暴露環(huán)境的保護元件2.5~5kA的耐流能力應不會(huì )損壞,暴露環(huán)境則需要5~20kA甚至更高.
四、 保護元件的應用
1． 多級保護
2． 從上面的介紹可知,耐沖擊能力強的保護元件其殘壓較高,動(dòng)作速度亦相對較慢,反之亦然.而從線(xiàn)路襲入的過(guò)電壓均具有較大的沖擊能量.所以,設置在緊靠外線(xiàn)側的保護元件首當其沖,應能承受產(chǎn)大能量的沖擊,因而用氣體放電管或壓敏電阻最為適合.特殊情況下(如非暴露環(huán)境)也可用瞬態(tài)二極管.習慣上,這稱(chēng)之為第一級保護.由于經(jīng)第一級保護后其殘壓人達數百伏甚至上千伏之高,尚足以擊壞其后的元(器)件,尤其像晶體管、集成電路之類(lèi)的電路,故也俗稱(chēng)為“粗”保護,很能突出這一保護級的特點(diǎn).由此可見(jiàn),第一級保護之后還必須設置一些對雷電能迅速相應的、殘壓足夠低的保護元件(如壓敏電阻、穩壓管、開(kāi)關(guān)二極管等),稱(chēng)為第二級保護.經(jīng)過(guò)第二級之后,殘壓依然較高,只有采用三級甚至四級以上的保護才足以把外來(lái)的過(guò)電壓限制到足夠低的水平上而達到預期的目的.第二(三)級之后的保護相應的稱(chēng)為“細”保護.防雷技術(shù)上把這些通過(guò)“粗”、“細”保護結合起來(lái)逐級限幅的方法稱(chēng)之為“多
級保護”.“粗”、“細”保護的技術(shù)視具體需要而定.
3． 當進(jìn)行多級保護設計時(shí),注意的不能如圖11所示那樣簡(jiǎn)單的把幾種具有不同耐流能力、響應速度元件并聯(lián)在一起,以為它必然按我們所希望的G1→G2→G3順序動(dòng)作(放電、導通),實(shí)際上不一定如此.因為G3和G2的響應速度均高于G1,且其伏秒特性處于不同量極,G1最高、G2次之、G3最低.極可能出現G3先于G2動(dòng)作(導通),G2先于G1動(dòng)作(導通),或G2導通后G1不能放電.因而,巨大的沖擊能量?jì)H有耐流能力較低的G2或G3單獨承擔,他們自然易遭損壞.如欲達到所希望的順序放電、導通的目的,應如圖12所示的方法連接,各保護元件間分別串接一個(gè)網(wǎng)絡(luò )(或元件),它可以是電阻、電容、電感或它們的組合網(wǎng)絡(luò ).我們稱(chēng)之為保護級之間的“隔離”.如果“隔離”不夠,后繼的動(dòng)作可能影響到前級而損壞耐流能力弱的保護元件或造成保護及之間的過(guò)流.
另外,還應注意的是,即使是用兩個(gè)相同型號、規格的保護元件,假定每一個(gè)的耐沖擊電流能力為5kA(8/20μs),并聯(lián)之后的耐流能力不能視之為10kA(8/20μs).因為這兩個(gè)保護元件的特性、響應時(shí)間等不盡相同,不會(huì )同時(shí)動(dòng)作.若10kA的沖擊電流襲入,它們會(huì )先后損壞,失去保護功能.
2．增強保護效果的其他措施
當進(jìn)行保護設計時(shí),還可以采取如下措施以增強保護效果.
(1) 設備電路的接地良好.
(2) 利用增大電流負反饋來(lái)限制晶體管等的過(guò)流.
(3) 裝有如濾波器等頻率分割部件時(shí),可在不影響電路正常工作的前提下,盡量提高高通濾波器的截頻或盡量降低低通濾波器的截頻,增大阻帶衰耗.
(4) 在不影響正常工作的條件下,電路中可串入近兩大的限流電阻和并聯(lián)電容器(容量盡量大),以限制其他過(guò)流河旁路過(guò)電流.
(5) 盡可能縮短保護元件的引線(xiàn),直接裝在需要保護的電路上.
(6) 在易受浪涌沖擊的電路中應選用碳膜電阻,不要使用耐沖能力較差的金屬膜電阻.
(7) 高頻電路中使用穩壓管作“細”保護時(shí),應考慮其固有電容值對工作狀態(tài)的影響.由于其PN結電容量隨端電壓而改變,即反偏電壓越大,結電容量越小,令偏壓時(shí)則最高(如圖13所示).所以,可根據電路對電容的要求,給該穩壓管加上一定的偏執電壓.亦可用如表而敘述的一些方法達到地電容的保護目的
