防雷相关知识(五)——过压保护原理

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本报告向初次涉足过压保护者介绍其基本原理。要保护电气和电子系统重要的是在电磁兼容性保护区内设置一套包容全部有源导线在内的完整的电位补偿系统。过压保护装置中放电器元件的物理特性在实际应用中既有优点，亦有缺点，因此采用多和元件组合的保护电路运用得更为广泛。 近年来使用人员和保险公司要求在电气和电子设备中安装过压放电器和雷击电流放电器的呼声越来越强烈，其原因是由过电压造成的损失越来越多，而一代接一代的电器和设备却越来越敏感。 根据这种市场需求，在过去七到十年间有许多公司加强了对过压保护的研究，因而有大量过压保护产品系列的问世。 但是能满足包括从具有当代技术水平的能传导10／350us脉冲电流的雷击电流放电器；用于二次配电的可插式过压放电器；电器电源保护装置直到电源滤波器所有技术要求的产品系列却是极为少见的。 同样这种产品系列应该包括用于所有电路，即除电源外，还应包括用于测量、控制、调节技术电路和电子数据处理传输电路以及适用于无线和有线通讯的放电器，以便客户使用。 简单而草率地把放电器装在各种线路中并不意味着最优的过压保护。只有正确安装才能使放电器达到预期效果。 电位补偿系统 放电器正常发挥效用的前提是将过压而引起的电流以最短的途径通过电位补偿系统接地。因此，建立一个合格的电位补偿系统至关重要。在安装电位补偿系统时，应使相互间必须进行信息交换的电路和电子设备与电位补偿系统的导线连接保持最短距离。 根据感应定理，电感量越大，瞬变电流在电路中产生的电压越高；U=L·di/dt 电感量主要和导线长度有关，而和导线截面关系不大，因此，应使导线尽可能地短。多条导线的并联连接可显著地降低电位补偿系统的电感量。为了将这两条付诸实践，理论上可以把应与电位补偿装置连在一起的所有电路和设备连在同一块金属板上。基于金属板的构想在补装电位补偿系统时可采用线状、星状或网状结构。设计新的设备时原则上应只采用网状电位补偿装置。 将有源线路引入电位补偿装置 瞬变电压或瞬变电流意味着其存在时间仅为微秒或毫微秒。 过压保护的基本原理是，在瞬态过电压存在的极短时间内，在被保护区域内的所有导电部件之间建立起一个等电位。这种导电部件也包括电路中的有源导线。人们需要响应速度快于微秒的元件，对于静电放电甚至快于毫微秒。这种元件能够在极短的时间间隔内，将非常强大直到高达数倍于十千安的电流导出。在预期的雷击情况下按10/350us脉冲计算，电流高达50千安。通过完备的电位补偿装置，可以在极短的时间内形成一个等电位岛，这个等电位岛对于远处的电位差甚至可高达数十万伏。重要的是，在需要保护的区域内，所有导电部件都可认为具有接近相等或绝对相等的电位，因而不存在显著的电位差。 放电器的安装及其作用 过压放电器元件从响应特性来看，有软硬之分。 属于硬响应特性的放电元件有气体放电管和放电间隙型放电器，二者要么是基于斩弧技术（Arc-Chopping）的角型火花隙，要么是同轴放电火花隙。属于软响应特性的放电元件有压敏电阻和抑制二极管。所有这些元件的区别在于放电能力，响应特性以及残余电压。由于这些元件各有其优缺点，人们将其组合成特殊保护电路，以扬长避短。 闪电电流和闪电后续电流需要放电性能极强的放电器。为了将闪电电流通过电位补偿系统导入接地装置，建议使用根据斩弧技术带角型火花隙的雷击电流放电器。只有用它才能传导大于50千安的10／350us脉冲电流而且可以实现自动灭弧，这种产品的应用的额定电压可达400伏。此外这种放电器当短路电流达4千安时，不会引起额定电流为125安的保险丝熔断。 由于这些良好的参数的组合，使得在保护区域内安装的仪器和设备的不间断工作特性得以大大提高。特别要指出的是，这里不仅取决于幅值很高的电流可以进行处理，更重要的是脉冲形式起着决定性的作用。二者必须同时考虑。因此，虽然角型火花隙也能够输导最高达100千安的电流，但以其脉冲形式为缩短的（8／80us）。这种脉冲是冲击电流脉冲，1992年10月以前作为开发雷击电流放电器的基础。 尽管雷击电流放电器放电能力很好，但总有其缺点：其剩余电压高达2.5至3.5千伏。因此，在整体安装雷击电流放电器时，应与其它的放电器组合使用。 为了将强电流从数据处理电路以及测量、控制和调节技术电路中传导出，可使用气体放电管，常规的气体放电管可以在试验脉冲8／20us情况下，将10千安的电流传导出。在这种信息线路中预期不会出现更为强大的放电电流，因为所接入导线的截面相对较小，通常也不再能承载较大的瞬态电流。 气体放电管的响应时间在毫微秒范围中段，虽已应用于电信设备数十

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GDT被放置在敏感设备的前面且同时也与被保护设备并联使用，它有着高阻抗器件的功用、在正常工作下不会对信号有影响。

由于其快速响应及精准的击穿电压特性，GDT适用于安防监控设备、高数据速率电信应用（如VDSL和xDSL）及对电力线路进行浪涌保护等应用。当与PPTC器件和晶闸管组成协同保护方案时，他们可帮助设备制造商满足最严格的监管标准。