浪湧保護器(SPD)的工作原理及構造

時間: 2021-1-18 9:22:04 發布者: admin

浪湧保護器(Surge protection Device)是電子設備雷電防護中不可短少的一種安裝,過去常稱為“避雷器”或“過電壓維護器”英文簡寫為SPD。浪湧保護器的作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限製在設備或係統所能接受的電壓範圍內,或將強大的雷電流泄流入地,維護被維護的設備或係統不受衝擊而損壞。

浪湧保護器的類型和構造按不同的用處有所不同,但它至少應包含一個非線性電壓限製元件。用於浪湧保護器的根本元器件有:放電間隙、充氣放電管、壓敏電阻、抑止二極管和扼流線圈等。

 

一、SPD的分類

按工作原理分:

1.開關型:其工作原理是當沒有瞬時過電壓時呈現為高阻抗,但一旦響應雷電瞬時過電壓時,其阻抗就突變為低值,允許雷電流經過。用作此類安裝時器件有:放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等。

2.限壓型:其工作原理是當沒有瞬時過電壓時為高阻擾,但隨電湧電流和電壓的增加其阻抗會不時減小,其電流電壓特性為激烈非線性。用作此類安裝的器件有:氧化鋅、壓敏電阻、抑止二極管、雪崩二極管等。

3.分流型或扼流型

分流型:與被維護的設備並聯,對雷電脈衝呈現為低阻抗,而對正常工作頻率呈現為高阻抗。

扼流型:與被維護的設備串聯,對雷電脈衝呈現為高阻抗,而對正常的工作頻率呈現為低阻抗。

用作此類安裝的器件有:扼流線圈、高通濾波器、低通濾波器、1/4波長短路器等。

按用處分:

(1)電源維護器:交流電源維護器、直流電源維護器、開關電源保護器等。

(2)信號維護器:低頻信號維護器、高頻信號維護器、天饋維護器等。

 

二、SPD的根本元器件及其工作原理1.放電間隙(又稱維護間隙)∶

它普通由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成,其中一根金屬棒與所需維護設備的電源相線L1或零線(N)相連,另一根金屬棒與接地線(PE)相銜接,當瞬時過電壓襲來時,間隙被擊穿,把一局部過電壓的電荷引入大地,防止了被維護設備上的電壓升高。這種放電間隙的兩金屬棒之間的間隔可按需求調整,構造較簡單,其缺陷時滅弧性能差。改良型的放電間隙為角型間隙,它的滅弧功用較前者為好,它是靠回路的電動力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。

 

2.氣體放電管:

它是由互相分開的一對冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體(Ar)的玻璃管或陶瓷管內組成的。為了進步放電管的觸發概率,在放電管內還有助觸發劑。這種充氣放電管有二極型的,也有三極型的,

氣體放電管的技術參數主要有:直放逐電電壓Udc;衝擊放電電壓Up(普通狀況下Up(2~3)Udc;工頻而授電流In;衝擊而授電流Ip;絕緣電阻R(>109 2 ) ;極間電容(1-5PF)

氣體放電管可在直流和交流條件下運用,其所選用的直放逐電電壓Udc分別如下:在直流條件下運用:Udc1.8UO (UO為線路正常工作的直流電壓)在交流條件下運用:U dc1.44Un (Un為線路正常工作的交流電壓有效值)

 

3.壓敏電阻:

它是以Zn0為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻,當作用在其兩端的電壓到達一定數值後,電阻對電壓非常敏感。它的工作原理相當於多個半導體P-N的串並聯。壓敏電阻的特性是非線性特性好(I=CUa中的非線性係數a),通流容量大(~2KA/cm2),常態走漏電流小(10-7~10-6A),殘壓低(取決於壓敏電阻的工作電壓和通流容量),對瞬時過電壓響應時間快(~10-8s),無續流。

 

壓敏電阻的技術參數主要有:壓敏電壓(即開關電壓)UN,參考電壓Ulma;殘壓Ures;殘壓比K(K=Ures/UN)﹔最大通流容量Imax;走漏電流;響應時間。壓敏電阻的運用條件有:壓敏電壓:UN[ ( 2×1.2)/0.7]UO (UO為工頻電源額定電壓)

最小參考電壓:Ulma(1.8~2) Uac(直流條件下運用)Ulma(2.22.5)Uac(在交流條件下運用,Uac為交流工作電壓)壓敏電阻的最大參考電壓應由被維護電子設備的耐受電壓來肯定,應使壓敏電阻的殘壓低於被維護電子設備的而損電壓程度,即(Ulma) maxUb/K,上式中K為殘壓比,Ub 為被維護設備的而損電壓。

 

4.抑止二極管:

抑止二極管具有籍位限壓功用,它是工作在反向擊穿區,由於它具有箱位電壓低和動作響應快的優點,特別合適用作多級維護電路中的最末幾級維護元件。抑止二極管在擊穿區內的伏安特性可用下式表示:I=CU a ,上式中α為非線性係數,關於齊納二極管a =79,在雪崩二極管a =57.抑止二極管的技術參數主要有

(1)額定擊穿電壓,它是指在指定反向擊穿電流(常為lma)下的擊穿電壓,這於齊納二極管額定擊穿電壓普通在2.9V4.7V範圍內,而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V200V範圍內。

 

(2)最大籍位電壓:它是指管子在經過規則波形的大電流時,其兩端呈現的最高電壓。

 

(3)脈衝功率:它是指在規則的電流波形(10/1000 u s)下,管子兩端的最大籍位電壓與管子中電流等值之積。

 

(4)反向變位電壓:它是指管子在反向走漏區,其兩端所能施加的最大電壓,在此電壓下管子不應擊穿。此反向變位電壓應明顯高於被維護電子係統的最高運行電壓峰值,也即不能在係統正常運轉時處於弱導通狀態。

 

(5)最大走漏電流:它是指在反向變位電壓作用下,管子中流過的最大反向電流。

 

(6)響應時間: 10-11s

5.扼流線圈:扼流線圈是一個以鐵氧體為磁芯的共模幹擾抑止器件,它由兩個尺寸相同,匝數相同的線圈對稱地繞製在同一個鐵氧體環形磁芯上,構成一個四端器件,要關於共模信號呈現出大電感具有抑止作用,而關於差模信號呈現出很小的漏電感簡直不起作用。扼流線圈運用在均衡線路中能有效地抑止共模幹擾信號(如雷電幹擾),而對線路正常傳輸的差模信號無影響。

 

這種扼流線圈在製造時應滿足以下請求:

1)繞製在線圈磁芯上的導線要互相絕緣,以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發作擊穿短路。

2)當線圈流過瞬時大電流時,磁芯不要呈現飽和。

3)線圈中的磁芯應與線圈絕緣,以避免在瞬時過電壓作用下兩者之間發作擊穿。4)線圈應盡可能繞製單層,這樣做可減小線圈的寄生電容,加強線圈對瞬時過電壓的而授才能。

 

6.1/4波長短路器

1/4波長短路器是依據雷電波的頻譜剖析和天饋線的駐波理論所製造的微波信號浪湧保護器,這種維護器中的金屬短路棒長度是依據工作信號頻率(90OMHZ1800MHZ)1/4波長的大小來肯定的。此並聯的短路棒長度關於該工作信號頻率來說,其阻抗無量大,相當於開路,不影響該信號的傳輸,但關於雷電波來說,由於雷電能量主要散布在n+KHZ以下,此短路棒關於雷電波阻抗很小,相當於短路,雷電能量級被泄放入地。

由於1/4波長短路棒的直徑普通為幾毫米,因而耐衝擊電流性能好,可到達30KA(8/20 u s)以上,而且殘壓很小,此殘壓主要是由短路棒的本身電感所惹起的,其缺乏之處是工頻帶較窄,帶寬約為2%~20%左右,另一個缺陷是不能對天饋設備加直流偏置,使某些應用遭到限製。

 

三、SPD的根本電路

浪湧保護器的電路依據不同需求,有不同的方式,其根本元器件就是上麵引見的幾種,一個技術通曉的防雷產品研討工作者,可設計出五花八門的電路,好似一盒積木可搭出不同的構造圖案。研製出既有效又性能價錢比好的產品,是防雷工作者的重擔。