电源防雷器的设计原理

针对市场上出现了各种各样的防雷器,质量参差不齐,有一些甚至闻所未问(如:不用接地的避雷器,到为止,都弄不明白它的工作原理),因此,通过介绍避雷器的工作原理及组成,对客户甄别真假、优劣,有所帮助。
防雷器元件从响应特性看,有软硬两种。属于硬响应特性的放电元件有火花间隙(基于斩弧技术的角型火花隙和同轴放电火花隙)和气体放电管,属于软响应特性的放电元件有金属氧化物压敏电阻和瞬态抑制二极管。这些元件的区别在于放电能力、响应特性和残压,避雷器就是利用它们不同的优缺点,扬长避短,组合成各种避雷器,保护电路。
一、火花间隙(Arc chopping)
1、放电间隙:原理是两个如牛角现状的电极,距离很短,用绝缘材料分开,当两个电极间的电场强度达到击穿强度时,电极之间形成电流通路。当雷电波来到的时候首先在间隙处击穿,使间隙的空气电离,形成短路,雷电流通过间隙流入大地,而此时间隙两端的电压很低,从而达到保护线路的目的。电场强度低于击穿间隙时,放电间隙型避雷器-又恢复绝缘状态。常用于高压线路的避雷防护中。在低压系统,常用于电源的前级保护。
火花间隙型避雷器产品的优劣,在于制成电极的材料、间隙距离及绝缘材料。
优点:具有很强放电能力、通流量大,10/350μs脉冲波形能够疏导50KA的脉冲电流,用于8/20μs脉冲电流,可以大于100KA,很高的绝缘电阻以及很小的寄生电容,漏电流小。对正常工作的设备不会带来任何有害影响。
缺点:残压高(2.5~3.5KV),反应时间长(≦100ns),动作电压精度较低,有工频续流,因此在保护电路中应串联一个熔断器,使得工频续流迅速被切断。
注:由于两只放电管分别装在一个回路的两根导线上,有时会不同时放电,使两导线之间出现电位差,为了使两根导线上的放电管能接近统一时间放电,减少两线之间的电位差,又研制了三级放电管。可以看作是由两只二级放电管合并在一起构成的。三级放电管中间的一级作为公共地线,另两级分别接在回路的两条导线上。
2、气体放电管(Gas discharge tube,GDT):是一种陶瓷或玻璃封装,管内再充以一定压力的惰性气体(如氩气),开关型的保护元件,有二电极和三电极两种结构。当电场强度达到击穿惰性气体强度时,就引起间隙放电,从而限制极间的电压。8/20μs脉冲电流能够疏导10KA。放电电压不稳定,当电压大于12V、电流电压100mA时,会产生后续电流。通常用于测量、控制、调节技术电路和电子数据处理传输电路中。
二、金属氧化物压敏电阻(Metal oxide varistor,MOV):
以氧化锌为主要成分的金属氧化物半导体非线性电阻,当加在电阻两端的电压小于压敏电压时,压敏电阻呈高阻状态,如果并联在电路上,该阀片呈断路状态;当加在压敏电阻两端的电压大于压敏电压时,压敏电阻就会击穿,呈现低阻值,甚至接近短路状态。压敏电阻这种被击穿状态是可以恢复的,当高于压敏电压的电压被撤销以后,它又恢复高阻状态。当电力线被雷击时,雷电波的高电压使压敏电阻击穿,雷电流通过压敏电阻流入大地,使电力线上的类电压被钳制在安全范围内。
氧化锌压敏电阻避雷器,市场上流通很多,我国在20世纪80年代末才大批生产,被认为目前最新型、技术最先进,会做专题详细介绍。我国的输电线路的避雷器,都采用氧化锌避雷器。
优点:开关电压范围宽:6V~1.5KV,反应速度快(25ns),残压低(可以达到终端设备的安全工作电压),通流量大(2KA/cm2),无续流,寿命长。
缺点:容易老化,动作几次后,漏电流会增大,从而导致压敏电阻过热,最终导致老化失效。
电容较大,许多情况下不在高频、超高频系统中使用。该电容又与导线电容构成一个低通。该低通会造成信号的严重衰减。但在频率低于30KHZ时,这种衰减可以忽略。
三、瞬态抑制式二极管(Transient voltage suppressor,TVS):
1、二极放电管:有两种形式:一是齐纳型(为单向雪崩击穿),二是双向的硅压敏电阻。性能类似开关二极管等。在规定的反向电压作用下,两端电压大于门限电压时,其工作阻抗能立即降至很低的水平以允许大电流通过,并将两端电压钳制在很低的水平,从而有效地保护末端电子产品中的精密元件避免损坏。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉动功率,并把电压钳制在预定水平。适用于交流电路。
优点:动作时间极快,达到皮秒级。限制电压低,击穿电压低,应用于各种电子领域。
缺点:电流负荷量小,电容相当高,一般在20pF以下,陶瓷放电管能够做到3~5pF。
电子信息系统所需的浪涌保护系统一般采用两级或三级组成。采用气体放电管、压敏电阻和抑制二极管,并利用各种浪涌抑制器的特点,实现可靠保护。气体放电管一般放在线路输入端作为一级浪涌保护器件,承受大的浪涌电流,属于泄流型器件。二级保护器件采用压敏电阻,可在极短时间内(ns)将浪涌电压限制在较低的水平。对于高度灵敏的电子电路,可采用抑制二极管作为三级保护。在更短的时间内将浪涌电压限制在末端电子设备的绝缘水平以内。如图,当雷电等浪涌到来时,抑制二极管首先导通,把瞬间过电压精确地控制在一定的水平,如果浪涌电流较大,则压敏电阻启动并泄放一定的浪涌电流,这时压敏电阻两端的电压会有所升高,直至推动前级气体放电管放电,把大电流泄放到地。当三种器件在线路中的距离较远时,导通顺序会从气体放电管开始,依次导通。
避雷器的工作,是从反应时间最快、设备的最末端开始的,然后逐级往前端启动的。
,单纯用气体放电管保护后端的设备会出现下列问题:导通时间过长,残压过大,有可能超过后端设备的耐压水平。放电后,会产生工频续流。为避免上述问题,采用另外一种电路(图三)。为了解决产生工频续流的问题,同时也避免压敏电阻因漏电流过大而发热自爆或老化,我们在气体放电管上串联一个压敏电阻,这样就可避免产生工频续流,又可以防止压敏电阻因漏电流而自爆、老化。但新的问题又产生了,这样避雷器的动作时间为气体放电管的导通时间和压敏电阻导通时间的总和。假设气体放电管的导通时间为100ns,压敏电阻的导通时间为25ns,则它们总的反应时间为125ns。为了减小反应时间,在电路中并入一个压敏电阻,这样可使总的反应时间为25ns。
:当过电压出现时,抑制二极管作为动作最快的元件首先动作,线路设计为,在抑制二极管可能毁坏之前,放电电流即随着幅值的上升转换到前置的放电路径上,即充气式放电路上。
Us+△u≥Ug
Us:抑制二极管上的电压
△u:去耦感应线圈上的电压
Ug:气体放电管的动作电压
如果放电电流小于该值,则充气放电管不动作。采用这种线路不仅可以在低保护水平的条件下利用放电器动作迅速的优点,同时还可以达到很高的放电电容。这样就可以消除抑制二极管过载一级熔断器在出现电源续流时频繁切断电路的缺点。
频率较高的线路也可以采用欧姆式电阻作为去耦元件,与低电容桥接线路共同使用。
2、三极放电管:在两根的导线上,安装两个二极放电管,会出现电位差,因此就有三极放电管,多了一极做公共接地,可以减少时间差(0.15~0.2μs),及由此产生的横向雷电压幅值。
市场上普通电源避雷器器件一般采用压敏电阻,用于一级、二级和三级电源。这种组合方式在距离大于5米时,导通时间从第一级开始逐级向后导通。
若第一级采用气体放电管,二级和三级采用压敏电阻,则必须满足第一级与第二级满足大于十米的距离,第二级与第三级满足大于5米的距离,这样才能保证前一级先动作。否则可能导致第一级不动作的现象,而二级和三级避雷器又没有那么大的通流量,导致避雷器无法切实保护设备。这点在工程设计中一定要引起注意。
安装界面
安装界面单相一体化电源防雷箱可用于电源线路的负载设备第二级防护，防止低压设备受到过压干
扰或雷击破坏。安装于防雷分区LPZOA-2 界面。