防雷知識及器件選擇
2017-02-26 18:31:11 點擊：
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路相繼出現(xiàn),且廣泛用于通信、測量、監(jiān)控和計算機系統(tǒng)等電子設(shè)備(系統(tǒng))中.這類元器件具有著極為廣闊的發(fā)展前景.然而,他最明顯的缺點就是抗過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電壓的損壞,繼而造成電路和設(shè)備的損壞.
一、設(shè)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產(chǎn)生強烈的沖擊電磁場,在設(shè)備和傳輸線上感生雷電過電壓,從而損壞設(shè)備或傳輸線路.從所掌握的資料表明,除少數(shù)屬雷電直擊或空間感應(yīng)外,絕大部分是因為雷電行波從室外的傳輸線引人而損壞設(shè)備的.這些室外傳輸線包括傳輸信息的金屬引入(出)線路和用以饋電的交(直)流線路.傳輸信息線路有架空線路、埋地線路、鋼軌或其他類似的傳導(dǎo)體.而架空線主要指通信明線、架空電(廣)纜或其他性能相近的線路;埋地線路則有埋地(對稱、同軸)電纜和光纜等.傳輸線路上引入的過電壓分為縱向(共模)過電壓和橫向(差模)過電壓兩類.在平衡(對稱)線路上某點出現(xiàn)的線與地之間的過電壓成為縱向過電壓;平衡(對稱)線路間或不平衡線路(如同軸電纜)的線路與地之間出現(xiàn)的過電壓成為橫向過電壓.一般情況下,橫向過電壓低于縱向過電壓.但在比較極端的情況下,橫向過電壓可具有與縱向過電壓相同的幅值和特續(xù)時間.若某些系統(tǒng)有中繼設(shè)備和遠(yuǎn)供回路時(如通信系統(tǒng)的增音機),當(dāng)前、后段的線路感應(yīng)有不同的過電壓時,還會造成順線路方向的縱向過電壓,同樣損壞設(shè)備,這一點易為人們所忽視.傳輸線路因其自身結(jié)構(gòu)的原因、雷電行波傳輸過程的差異,以及縱向保護(hù)元件動作時間的不同等,令分別出現(xiàn)在量平衡獻(xiàn)上的縱向過電壓不相等,從而形成橫向過電壓(不平衡線路上的橫向過電壓即縱向過電壓).縱向過電壓損壞設(shè)備線于地(機殼0之間的絕緣,但橫向過電壓則像信號般在線間傳輸,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(nèi)部電路.
二、雷擊保護(hù)的基本原則
欲使設(shè)備得到很好的保護(hù),首先應(yīng)對其所處的環(huán)境、受雷電影響的程度做出客觀的估計,因他于出現(xiàn) 過電壓的幅值、概率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備抗電能力、保護(hù)水平和接地等有關(guān).不過,防雷工作應(yīng)作為一項系統(tǒng)工程來考慮,強調(diào)全面防護(hù)(包括建筑物、傳輸線路、設(shè)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(hù),允許有一定的風(fēng)險率,這當(dāng)然應(yīng)通過一定的技術(shù)經(jīng)濟比較以后才可確定.總的來說,考慮防雷時可歸納為如下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(yīng)正確的選擇線路的路由、站址(設(shè)備安放點),有意識的盡量避開在理論上、經(jīng)驗上和實際上證實的雷擊區(qū)或雷擊點.
2. 對雷電進(jìn)行橫截
這需要外加一定的保護(hù)元器件,旁路或限制進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的雷電壓(流),從而減輕系統(tǒng)受損的程度或在系統(tǒng)能承受的水平之下.
3. 提高系統(tǒng)的耐雷水平
從改善系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)人手,通過對危險性的估計,規(guī)定線路、設(shè)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(shè)備的伏秒特性).
三、保護(hù)元件的選擇
上一張?zhí)岬降娜龡l保護(hù)原則中,后面兩條均需要外加一些保護(hù)元件才能實現(xiàn).本章僅就常用保護(hù)元件的選擇問題作進(jìn)一步論述.
1. 保護(hù)元件的分類
保護(hù)元件的分類
保護(hù)元件從不同角度考慮,可粗分如下.
(1) 從導(dǎo)通的類型分
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
開關(guān)型:順態(tài)二極管
限幅型 :壓敏電阻、穩(wěn)壓管(齊納管) 、開關(guān)二極管
(2) 從功能分.
開關(guān)型
過壓保護(hù) 放電型
(并聯(lián)用) 限幅型
過流保護(hù) 非自復(fù)型
(串聯(lián)用) 自復(fù)型:正溫度系數(shù)熱敏電阻
不中斷 隔離變壓器
傳輸信號 排流線圈
上述的保護(hù)元件可以是單個元件,也可以由幾種不同功能的元件組合而成為更復(fù)雜的組件(后文還會提及).
2. 保護(hù)元件應(yīng)具備的特性
本文主要介紹過電壓保護(hù)元件的特性.過電壓保護(hù)元件與迅速的將外來的沖擊能量全部或部分分瀉放掉,不讓其進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部,達(dá)到保護(hù)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電壓,且其殘壓應(yīng)低于設(shè)備的安全值.
(3) 對過電壓的影響速度要快.在正常狀態(tài)時是高阻抗.且從高(低)阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)到低(高)阻抗?fàn)顟B(tài)的時間極短.
(4) 元件本身有高的可靠性和穩(wěn)定性,受多次沖擊而性能不變.
3. 主要保護(hù)元件的電氣性能
(1) 氣體放電管.將一個或一個以上的放電間隙封裝在玻璃、陶瓷管或其它介質(zhì)內(nèi),管內(nèi)再充以一定壓力的惰性氣體(如氬氣等),就構(gòu)成了一支氣體放電管(下稱放電管).常用的有二極管和三極管,亦曾稱有五級放電管.
放電管主要的電氣指標(biāo)有標(biāo)稱直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、耐工頻電流能力和耐沖擊電流能力等.標(biāo)稱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合,而不導(dǎo)致電路工作不正常.放電管未擊穿前相當(dāng)于開路狀態(tài).沖擊擊穿電壓則指放電管在沖擊電壓作用下的擊穿(動作)電壓值.這個值非常重要,他代表其保護(hù)效果的好與壞,通常他甚至高于標(biāo)稱直流擊穿電壓值.如標(biāo)稱值為230V的放電管,其沖擊擊穿電壓值(殘壓)約高達(dá)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(dāng)陡度降得很緩慢時,即為標(biāo)稱直流擊穿電壓值.這一特性常以放電管沖擊擊穿電壓和放電(動作)時間關(guān)系的“伏秒特性”曲線來描述(如圖2所示).圖中的曲線越平直、越靠近Vdc值,則其保護(hù)效果越好.
耐電流能力可以說是壽命指標(biāo),也可以說是能力指標(biāo).表明他承受工頻點六和沖擊電流的水平,也是一個重要的指標(biāo).耐沖擊電流的數(shù)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(dá)20kA(8/20μs)以上.對于氣體放電管的指標(biāo)要求,國標(biāo)GB9043和I-TU-T(原CCITT)的K.12建議都有明確規(guī)定.應(yīng)特別提出的是“橫向電壓”指標(biāo),以其3個(以上)間隙的擊穿時間差來衡量,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)點是將3個以上的間隙密封于一個空間內(nèi),當(dāng)其中任一間隙擊穿放電時,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(hù)有很好的效果.
1個三級放電管[如土3(a)所示]其保護(hù)效果優(yōu)于使用3個二級放電管[如圖3(b)所示],更優(yōu)于僅使用兩個縱向保護(hù)二級放電管[如圖3(b)所示中沒有G3的情況].通常在a、b線上所感應(yīng)的雷電壓Uae(U’ae)和Ube(U’be),當(dāng)線路結(jié)構(gòu)、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(dāng)放電管一旦擊穿,可能出現(xiàn)下列兩種情況.
4所示的時間差ta-tb,橫向電壓Uab(U’ab)≠0,GB9043中規(guī)定ta-tb≤200ns,當(dāng)沖擊波形的上升速率規(guī)定后,實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(xiàn)象,故對他的擊穿電壓(包括直流和沖擊)值不能簡單的一個別樣品的個別數(shù)據(jù)來判定.多年來,我們通過對大量實測擊穿電壓值進(jìn)行研究,觀察其實際分布情況,并利用亨利直線法進(jìn)行檢驗.結(jié)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(tǒng)計評定方法是可行的,這已在GB9043中使用,ITU-T也以此為基礎(chǔ)修改了K.12建議.其實,保護(hù)性能的優(yōu)劣,主要比較保護(hù)元件在沖擊電壓(電流)作用下放電時,極間殘壓的高低,當(dāng)然是越低越好.以往對殘壓這個概念有些人產(chǎn)生誤解,認(rèn)為擊穿(放電)后的極間電壓(如圖1所示的VC)為殘壓,其實不然.因為比VC高得多的VA等早已進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部,甚至損壞設(shè)備(電路).所以,對殘壓的更準(zhǔn)確理解為包括為使保護(hù)元件動作的過電壓,保護(hù)元件動作前的瞬態(tài)、保護(hù)元件動作后的端電壓和保護(hù)動作引起的電路順保護(hù)元件動作后的端電壓和保護(hù)動作引起的電路瞬態(tài)等.因而在進(jìn)行保護(hù)設(shè)計時必須考慮上述各種過電壓值,否則,該保護(hù)設(shè)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(dǎo)體過電壓抑制器件,典型的限幅型過電壓保護(hù)器件.實際上是一種電阻值隨外加電壓變化的非線性元件(如突5所示)與放電管相比,他對沖擊電壓的相應(yīng)更快,可達(dá)納妙級.壓敏電阻的主要技術(shù)指標(biāo)有壓敏電壓、殘壓或殘壓比、耐流能力和極間電容等.
從圖5可看出通過壓敏電阻的電流I不同時,兩端的電壓是不同的(非線性),為了便于統(tǒng)一、比較和使用,規(guī)定通過的電流為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(biāo)稱值.而被保護(hù)點的工作電壓值應(yīng)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某一量級的沖擊(浪涌)電流是兩端的電壓值.當(dāng)不同的壓敏電阻統(tǒng)一相同的沖擊電流(如10kA)時,殘壓低的保護(hù)效果較好.若已通過不同的沖擊電流而評定其殘壓高低或保護(hù)效果的優(yōu)劣是不準(zhǔn)確的.因為不同產(chǎn)品、規(guī)格的壓民電阻其伏安特性會有較大差異.壓敏電阻有一個衡量其吸收能量能力的指標(biāo),稱為非線性系數(shù)α,其定義為:
(……)
從保護(hù)觀點來看,顯然α值越小越好,α值越小,說明流經(jīng)壓敏電阻的電流變化很大,而端電壓變化很小.也就是說,增加的電流部分,幾乎全部都被非線性電阻吸收.若α值接近于零,表示端電壓與其上流過電流的大小無關(guān),近乎常數(shù),這是最理想了的.優(yōu)勢,相關(guān)的資料上沒有提供殘壓指標(biāo),卻給出“殘壓比”的數(shù)值,作用都是一樣的.“殘壓比”意指通
過某一量級沖擊電流時的殘壓(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(dāng)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),給保戶設(shè)計帶來方便.目前的殘壓比約為1.5~3.0.選用壓敏電阻時,多以標(biāo)稱值即壓敏電壓值為依據(jù),在進(jìn)行保護(hù)設(shè)計時更關(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.但實際使用時則有具體情況酌情選用.常用的壓敏點阻耐沖擊電流能力亦高達(dá)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(非動作時)并非無限大,工作與有恒定電壓的情況下,會存在一定的漏電流,若產(chǎn)品質(zhì)量不好,漏電流會逐漸增大甚至自行損壞.況且,長時間流過這些微弱電流也會形成溫升,只是慢慢老化而縮短壽命或發(fā)生爆炸.隨著技術(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(臨時稱謂)是由兩個背靠背的PN結(jié)組成的開關(guān)型半導(dǎo)體元件.亦有稱半導(dǎo)體浪涌抑制器,相對氣體放電管而言,亦有稱固體放電管或半導(dǎo)體放電管,皆因其伏安特性(如圖6所示)與氣體放電管類似之故,但其機理卻截然不同,這樣稱呼是不恰當(dāng)?shù)?它具有響應(yīng)速度快(納妙級)、擊穿電壓一致性好、殘壓低等優(yōu)點,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(biāo)有不動作電壓、最高限制電壓、耐流能力、極間電容及源電流等.
不動作電壓或稱最低限制電壓,它指該管保持高阻狀態(tài)時所能承受的最高電壓值(如圖6所示的UA).此值因與流過的電流有關(guān),因而規(guī)定電流為1mA時的電壓即為不動作電壓.從某種意義上講,不動作電壓可以認(rèn)為是生產(chǎn)廠家給出的標(biāo)稱值,反映它在不影響正常工作情況下所能應(yīng)用的場合.最高限制電壓(如圖6所示的UB)是在規(guī)定電壓上升速率的條件下,管子兩端允許出現(xiàn)的最高電壓值.電壓上升速率有兩種規(guī)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,必須在此值以下動作(導(dǎo)通),反映的是“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”性能;其二是1kV/μs的速率下得出的值,反映管子在碰見瞬態(tài)電壓(如雷電壓)時,兩端可能出現(xiàn)的最高電壓值,該值越低,則保護(hù)效果越好,類似于“殘壓”的概念.目前規(guī)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(biāo),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(wěn)態(tài)(齊納)管和開關(guān)二極管.他們均屬于半導(dǎo)體元件,因其動作速度快(納妙級),限幅電壓很低,是電子設(shè)備中“細(xì)”保護(hù)必不可少的元件,靠其伏安特性的箝位作用而達(dá)到限幅保護(hù)的目的.耐流能力低是其突出的缺點.穩(wěn)壓管利用它反偏電壓超過規(guī)定值(如圖7所示U2)時而進(jìn)入導(dǎo)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.如果將兩個穩(wěn)壓管反極性串聯(lián)在一起,就能達(dá)到以正、反向限幅保護(hù)的目的(如圖7所示).不過,硅管比鍺管能耐受更大的功率,故保護(hù)多使用擴散結(jié)硅穩(wěn)定管,市場出售的2CW系列管,可提供從幾伏至上百伏的限幅保護(hù).正向使
用則可實現(xiàn)0.7V的極低限幅電壓的保護(hù)值.
硅開關(guān)二極管與齊納不同,其方向特性在擊穿之后不能恢復(fù).所以,主要利用正向特性進(jìn)行極低電壓的保護(hù),限幅電壓也為0.7V.當(dāng)然,若用n個管子串聯(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(shù)熱敏電阻器.這是一種電阻值隨溫度增加而增加的非線性元件,主要起限流作用.當(dāng)受外來的過電流(非雷擊)影響時,規(guī)定的短時間內(nèi)電阻值急劇增加,從而限制回路上的過電流(如工頻)在允許的范圍內(nèi),保證了設(shè)備的安全.但他對雷電的反應(yīng)很遲鈍,不起防雷電(過電流)作用,只是很多保護(hù)電路上都有使用,便在此略提一下.
針對上述的幾種保護(hù)元件的特性,現(xiàn)做一粗略的比較,如表1所示,以供參考.
4. 保護(hù)元件的選擇
選擇保護(hù)元件主要考慮以下幾點.
(1) 首先應(yīng)確定保護(hù)元件的靜態(tài)工作范圍,據(jù)此選取合適的標(biāo)稱值.如氣體放電管的標(biāo)稱直流擊穿電壓、壓敏電阻的壓敏電壓值、瞬態(tài)二極管的不動作電壓值和穩(wěn)態(tài)管的穩(wěn)壓值等.這些標(biāo)稱值應(yīng)高于該電路可能出現(xiàn)的最高穩(wěn)態(tài)電壓值(供電電壓、信號峰值電壓等的疊加值).至于開關(guān)二極管很多是以兩只管反向并聯(lián)使用,獲得雙向保護(hù)[如圖a8所示],這時,a、b線間的穩(wěn)態(tài)電壓值必須小于0.7V(并留有余量),否則會影響電路的正常工作.若這時不能滿足要求,可以如圖8(b)所示的方法獲得0.7nV的電壓值.而穩(wěn)壓管亦可采用此方法,甚至必要時穩(wěn)壓管和開關(guān)管按需混串后再并聯(lián)使用.這樣可以獲得多種穩(wěn)態(tài)電壓值和不同的電容值.
(2) 保護(hù)元件本身固有電容值是否影響信號的傳輸,它對高頻電路(如天饋線輸入、人部分)中的保護(hù)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(hù)遠(yuǎn)見的殘壓無論何時都應(yīng)低于被保護(hù)設(shè)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(jié)中曾提到“伏秒特性”,其實每一種保護(hù)元件都有此特性,它能動態(tài)的反映保護(hù)效果.同樣,每一被保護(hù)設(shè)備或電路也有它們各自的“伏秒特性”,只不過它動態(tài)的反映地是其損壞值(安全值).保護(hù)設(shè)計時這兩種伏秒特性要互相配合好.顯然,從保護(hù)角度來看,保護(hù)元件的伏秒特性任何時候都應(yīng)在被保護(hù)對象的伏秒特性之下(如圖9所示),這是的保護(hù)是“全方位”的、最有效的.如圖10(a)所示中表示C點左邊為“保護(hù)區(qū)”,設(shè)備得以保護(hù),而C點的右邊卻是設(shè)備(被保護(hù)的)反過來“保護(hù)”了保護(hù)元件,設(shè)備必遭損壞,為失去保護(hù)區(qū),這與設(shè)計的初衷是相反的.
通常保護(hù)元件的數(shù)據(jù)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,遠(yuǎn)非其全部,這當(dāng)然給保護(hù)設(shè)計帶來困難.所以,必要時應(yīng)測出保護(hù)元件的伏秒特性.至于被保護(hù)對象的伏秒特性更是無從可得,非親自努力獲取不可,難度自然更大一些,如果能這樣,當(dāng)時最佳選擇.倘若為了簡化工作,按個方面要求選好保護(hù)元件并安裝好,再用不同上升速率的或可能出現(xiàn)的沖擊波形進(jìn)行模擬雷擊試驗,以檢驗保護(hù)效果能否達(dá)到預(yù)期的目的.
(4) 根據(jù)設(shè)備或電路的需要,選取有足夠耐流能力的保護(hù)元件.我們總希望有盡量多的沖擊電流(能量)通過它旁路,不進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部,而其本身亦安全無恙.否則,被擊壞之后,若不能及時發(fā)現(xiàn)和更換,隨之而來的浪涌即會造成損壞.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(shù)、雷電強弱以及損壞概率等.如果用于緊靠外線連接處,保護(hù)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(hù)對象是與架空線路連接還是與埋地線路連接.例如,架空線上出現(xiàn)雷電流的概率,超過100kA的約占2%,若經(jīng)過線路或各種設(shè)施的衰減而達(dá)到設(shè)備時電流就小得多,考慮到電流值用不著達(dá)到100kA的水平,連接信號傳輸線路的情況亦如此.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(qū)和低暴露活動的地區(qū),其間出現(xiàn)的過電壓極少超過保護(hù)遠(yuǎn)見的殘壓;暴露環(huán)境之處非暴露環(huán)境外的其他區(qū)域、環(huán)境,也包括必須采取一切有效保護(hù)措施才能獲得滿意保護(hù)效果的特性環(huán)境,如市郊、新經(jīng)濟開發(fā)區(qū)及強雷暴活動地區(qū)等.一般而言,使用在非暴露環(huán)境的保護(hù)元件2.5~5kA的耐流能力應(yīng)不會損壞,暴露環(huán)境則需要5~20kA甚至更高.
四、 保護(hù)元件的應(yīng)用
1． 多級保護(hù)
2． 從上面的介紹可知,耐沖擊能力強的保護(hù)元件其殘壓較高,動作速度亦相對較慢,反之亦然.而從線路襲入的過電壓均具有較大的沖擊能量.所以,設(shè)置在緊靠外線側(cè)的保護(hù)元件首當(dāng)其沖,應(yīng)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(xí)慣上,這稱之為第一級保護(hù).由于經(jīng)第一級保護(hù)后其殘壓人達(dá)數(shù)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、集成電路之類的電路,故也俗稱為“粗”保護(hù),很能突出這一保護(hù)級的特點.由此可見,第一級保護(hù)之后還必須設(shè)置一些對雷電能迅速相應(yīng)的、殘壓足夠低的保護(hù)元件(如壓敏電阻、穩(wěn)壓管、開關(guān)二極管等),稱為第二級保護(hù).經(jīng)過第二級之后,殘壓依然較高,只有采用三級甚至四級以上的保護(hù)才足以把外來的過電壓限制到足夠低的水平上而達(dá)到預(yù)期的目的.第二(三)級之后的保護(hù)相應(yīng)的稱為“細(xì)”保護(hù).防雷技術(shù)上把這些通過“粗”、“細(xì)”保護(hù)結(jié)合起來逐級限幅的方法稱之為“多
級保護(hù)”.“粗”、“細(xì)”保護(hù)的技術(shù)視具體需要而定.
3． 當(dāng)進(jìn)行多級保護(hù)設(shè)計時,注意的不能如圖11所示那樣簡單的把幾種具有不同耐流能力、響應(yīng)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順序動作(放電、導(dǎo)通),實際上不一定如此.因為G3和G2的響應(yīng)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(xiàn)G3先于G2動作(導(dǎo)通),G2先于G1動作(導(dǎo)通),或G2導(dǎo)通后G1不能放電.因而,巨大的沖擊能量僅有耐流能力較低的G2或G3單獨承擔(dān),他們自然易遭損壞.如欲達(dá)到所希望的順序放電、導(dǎo)通的目的,應(yīng)如圖12所示的方法連接,各保護(hù)元件間分別串接一個網(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).我們稱之為保護(hù)級之間的“隔離”.如果“隔離”不夠,后繼的動作可能影響到前級而損壞耐流能力弱的保護(hù)元件或造成保護(hù)及之間的過流.
另外,還應(yīng)注意的是,即使是用兩個相同型號、規(guī)格的保護(hù)元件,假定每一個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).因為這兩個保護(hù)元件的特性、響應(yīng)時間等不盡相同,不會同時動作.若10kA的沖擊電流襲入,它們會先后損壞,失去保護(hù)功能.
2．增強保護(hù)效果的其他措施
當(dāng)進(jìn)行保護(hù)設(shè)計時,還可以采取如下措施以增強保護(hù)效果.
(1) 設(shè)備電路的接地良好.
(2) 利用增大電流負(fù)反饋來限制晶體管等的過流.
(3) 裝有如濾波器等頻率分割部件時,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),以限制其他過流河旁路過電流.
(5) 盡可能縮短保護(hù)元件的引線,直接裝在需要保護(hù)的電路上.
(6) 在易受浪涌沖擊的電路中應(yīng)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(wěn)壓管作“細(xì)”保護(hù)時,應(yīng)考慮其固有電容值對工作狀態(tài)的影響.由于其PN結(jié)電容量隨端電壓而改變,即反偏電壓越大,結(jié)電容量越小,令偏壓時則最高(如圖13所示).所以,可根據(jù)電路對電容的要求,給該穩(wěn)壓管加上一定的偏執(zhí)電壓.亦可用如表而敘述的一些方法達(dá)到地電容的保護(hù)目的
一、設(shè)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產(chǎn)生強烈的沖擊電磁場,在設(shè)備和傳輸線上感生雷電過電壓,從而損壞設(shè)備或傳輸線路.從所掌握的資料表明,除少數(shù)屬雷電直擊或空間感應(yīng)外,絕大部分是因為雷電行波從室外的傳輸線引人而損壞設(shè)備的.這些室外傳輸線包括傳輸信息的金屬引入(出)線路和用以饋電的交(直)流線路.傳輸信息線路有架空線路、埋地線路、鋼軌或其他類似的傳導(dǎo)體.而架空線主要指通信明線、架空電(廣)纜或其他性能相近的線路;埋地線路則有埋地(對稱、同軸)電纜和光纜等.傳輸線路上引入的過電壓分為縱向(共模)過電壓和橫向(差模)過電壓兩類.在平衡(對稱)線路上某點出現(xiàn)的線與地之間的過電壓成為縱向過電壓;平衡(對稱)線路間或不平衡線路(如同軸電纜)的線路與地之間出現(xiàn)的過電壓成為橫向過電壓.一般情況下,橫向過電壓低于縱向過電壓.但在比較極端的情況下,橫向過電壓可具有與縱向過電壓相同的幅值和特續(xù)時間.若某些系統(tǒng)有中繼設(shè)備和遠(yuǎn)供回路時(如通信系統(tǒng)的增音機),當(dāng)前、后段的線路感應(yīng)有不同的過電壓時,還會造成順線路方向的縱向過電壓,同樣損壞設(shè)備,這一點易為人們所忽視.傳輸線路因其自身結(jié)構(gòu)的原因、雷電行波傳輸過程的差異,以及縱向保護(hù)元件動作時間的不同等,令分別出現(xiàn)在量平衡獻(xiàn)上的縱向過電壓不相等,從而形成橫向過電壓(不平衡線路上的橫向過電壓即縱向過電壓).縱向過電壓損壞設(shè)備線于地(機殼0之間的絕緣,但橫向過電壓則像信號般在線間傳輸,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(nèi)部電路.
二、雷擊保護(hù)的基本原則
欲使設(shè)備得到很好的保護(hù),首先應(yīng)對其所處的環(huán)境、受雷電影響的程度做出客觀的估計,因他于出現(xiàn) 過電壓的幅值、概率、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備抗電能力、保護(hù)水平和接地等有關(guān).不過,防雷工作應(yīng)作為一項系統(tǒng)工程來考慮,強調(diào)全面防護(hù)(包括建筑物、傳輸線路、設(shè)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(hù),允許有一定的風(fēng)險率,這當(dāng)然應(yīng)通過一定的技術(shù)經(jīng)濟比較以后才可確定.總的來說,考慮防雷時可歸納為如下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(yīng)正確的選擇線路的路由、站址(設(shè)備安放點),有意識的盡量避開在理論上、經(jīng)驗上和實際上證實的雷擊區(qū)或雷擊點.
2. 對雷電進(jìn)行橫截
這需要外加一定的保護(hù)元器件,旁路或限制進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的雷電壓(流),從而減輕系統(tǒng)受損的程度或在系統(tǒng)能承受的水平之下.
3. 提高系統(tǒng)的耐雷水平
從改善系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)人手,通過對危險性的估計,規(guī)定線路、設(shè)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(shè)備的伏秒特性).
三、保護(hù)元件的選擇
上一張?zhí)岬降娜龡l保護(hù)原則中,后面兩條均需要外加一些保護(hù)元件才能實現(xiàn).本章僅就常用保護(hù)元件的選擇問題作進(jìn)一步論述.
1. 保護(hù)元件的分類
保護(hù)元件的分類
保護(hù)元件從不同角度考慮,可粗分如下.
(1) 從導(dǎo)通的類型分
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
開關(guān)型:順態(tài)二極管
限幅型 :壓敏電阻、穩(wěn)壓管(齊納管) 、開關(guān)二極管
(2) 從功能分.
開關(guān)型
過壓保護(hù) 放電型
(并聯(lián)用) 限幅型
過流保護(hù) 非自復(fù)型
(串聯(lián)用) 自復(fù)型:正溫度系數(shù)熱敏電阻
不中斷 隔離變壓器
傳輸信號 排流線圈
上述的保護(hù)元件可以是單個元件,也可以由幾種不同功能的元件組合而成為更復(fù)雜的組件(后文還會提及).
2. 保護(hù)元件應(yīng)具備的特性
本文主要介紹過電壓保護(hù)元件的特性.過電壓保護(hù)元件與迅速的將外來的沖擊能量全部或部分分瀉放掉,不讓其進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部,達(dá)到保護(hù)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電壓,且其殘壓應(yīng)低于設(shè)備的安全值.
(3) 對過電壓的影響速度要快.在正常狀態(tài)時是高阻抗.且從高(低)阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)到低(高)阻抗?fàn)顟B(tài)的時間極短.
(4) 元件本身有高的可靠性和穩(wěn)定性,受多次沖擊而性能不變.
3. 主要保護(hù)元件的電氣性能
(1) 氣體放電管.將一個或一個以上的放電間隙封裝在玻璃、陶瓷管或其它介質(zhì)內(nèi),管內(nèi)再充以一定壓力的惰性氣體(如氬氣等),就構(gòu)成了一支氣體放電管(下稱放電管).常用的有二極管和三極管,亦曾稱有五級放電管.
放電管主要的電氣指標(biāo)有標(biāo)稱直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、耐工頻電流能力和耐沖擊電流能力等.標(biāo)稱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合,而不導(dǎo)致電路工作不正常.放電管未擊穿前相當(dāng)于開路狀態(tài).沖擊擊穿電壓則指放電管在沖擊電壓作用下的擊穿(動作)電壓值.這個值非常重要,他代表其保護(hù)效果的好與壞,通常他甚至高于標(biāo)稱直流擊穿電壓值.如標(biāo)稱值為230V的放電管,其沖擊擊穿電壓值(殘壓)約高達(dá)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(dāng)陡度降得很緩慢時,即為標(biāo)稱直流擊穿電壓值.這一特性常以放電管沖擊擊穿電壓和放電(動作)時間關(guān)系的“伏秒特性”曲線來描述(如圖2所示).圖中的曲線越平直、越靠近Vdc值,則其保護(hù)效果越好.
耐電流能力可以說是壽命指標(biāo),也可以說是能力指標(biāo).表明他承受工頻點六和沖擊電流的水平,也是一個重要的指標(biāo).耐沖擊電流的數(shù)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(dá)20kA(8/20μs)以上.對于氣體放電管的指標(biāo)要求,國標(biāo)GB9043和I-TU-T(原CCITT)的K.12建議都有明確規(guī)定.應(yīng)特別提出的是“橫向電壓”指標(biāo),以其3個(以上)間隙的擊穿時間差來衡量,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)點是將3個以上的間隙密封于一個空間內(nèi),當(dāng)其中任一間隙擊穿放電時,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(hù)有很好的效果.
1個三級放電管[如土3(a)所示]其保護(hù)效果優(yōu)于使用3個二級放電管[如圖3(b)所示],更優(yōu)于僅使用兩個縱向保護(hù)二級放電管[如圖3(b)所示中沒有G3的情況].通常在a、b線上所感應(yīng)的雷電壓Uae(U’ae)和Ube(U’be),當(dāng)線路結(jié)構(gòu)、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(dāng)放電管一旦擊穿,可能出現(xiàn)下列兩種情況.
4所示的時間差ta-tb,橫向電壓Uab(U’ab)≠0,GB9043中規(guī)定ta-tb≤200ns,當(dāng)沖擊波形的上升速率規(guī)定后,實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(xiàn)象,故對他的擊穿電壓(包括直流和沖擊)值不能簡單的一個別樣品的個別數(shù)據(jù)來判定.多年來,我們通過對大量實測擊穿電壓值進(jìn)行研究,觀察其實際分布情況,并利用亨利直線法進(jìn)行檢驗.結(jié)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(tǒng)計評定方法是可行的,這已在GB9043中使用,ITU-T也以此為基礎(chǔ)修改了K.12建議.其實,保護(hù)性能的優(yōu)劣,主要比較保護(hù)元件在沖擊電壓(電流)作用下放電時,極間殘壓的高低,當(dāng)然是越低越好.以往對殘壓這個概念有些人產(chǎn)生誤解,認(rèn)為擊穿(放電)后的極間電壓(如圖1所示的VC)為殘壓,其實不然.因為比VC高得多的VA等早已進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部,甚至損壞設(shè)備(電路).所以,對殘壓的更準(zhǔn)確理解為包括為使保護(hù)元件動作的過電壓,保護(hù)元件動作前的瞬態(tài)、保護(hù)元件動作后的端電壓和保護(hù)動作引起的電路順保護(hù)元件動作后的端電壓和保護(hù)動作引起的電路瞬態(tài)等.因而在進(jìn)行保護(hù)設(shè)計時必須考慮上述各種過電壓值,否則,該保護(hù)設(shè)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(dǎo)體過電壓抑制器件,典型的限幅型過電壓保護(hù)器件.實際上是一種電阻值隨外加電壓變化的非線性元件(如突5所示)與放電管相比,他對沖擊電壓的相應(yīng)更快,可達(dá)納妙級.壓敏電阻的主要技術(shù)指標(biāo)有壓敏電壓、殘壓或殘壓比、耐流能力和極間電容等.
從圖5可看出通過壓敏電阻的電流I不同時,兩端的電壓是不同的(非線性),為了便于統(tǒng)一、比較和使用,規(guī)定通過的電流為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(biāo)稱值.而被保護(hù)點的工作電壓值應(yīng)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某一量級的沖擊(浪涌)電流是兩端的電壓值.當(dāng)不同的壓敏電阻統(tǒng)一相同的沖擊電流(如10kA)時,殘壓低的保護(hù)效果較好.若已通過不同的沖擊電流而評定其殘壓高低或保護(hù)效果的優(yōu)劣是不準(zhǔn)確的.因為不同產(chǎn)品、規(guī)格的壓民電阻其伏安特性會有較大差異.壓敏電阻有一個衡量其吸收能量能力的指標(biāo),稱為非線性系數(shù)α,其定義為:
(……)
從保護(hù)觀點來看,顯然α值越小越好,α值越小,說明流經(jīng)壓敏電阻的電流變化很大,而端電壓變化很小.也就是說,增加的電流部分,幾乎全部都被非線性電阻吸收.若α值接近于零,表示端電壓與其上流過電流的大小無關(guān),近乎常數(shù),這是最理想了的.優(yōu)勢,相關(guān)的資料上沒有提供殘壓指標(biāo),卻給出“殘壓比”的數(shù)值,作用都是一樣的.“殘壓比”意指通
過某一量級沖擊電流時的殘壓(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(dāng)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),給保戶設(shè)計帶來方便.目前的殘壓比約為1.5~3.0.選用壓敏電阻時,多以標(biāo)稱值即壓敏電壓值為依據(jù),在進(jìn)行保護(hù)設(shè)計時更關(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.但實際使用時則有具體情況酌情選用.常用的壓敏點阻耐沖擊電流能力亦高達(dá)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(非動作時)并非無限大,工作與有恒定電壓的情況下,會存在一定的漏電流,若產(chǎn)品質(zhì)量不好,漏電流會逐漸增大甚至自行損壞.況且,長時間流過這些微弱電流也會形成溫升,只是慢慢老化而縮短壽命或發(fā)生爆炸.隨著技術(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(臨時稱謂)是由兩個背靠背的PN結(jié)組成的開關(guān)型半導(dǎo)體元件.亦有稱半導(dǎo)體浪涌抑制器,相對氣體放電管而言,亦有稱固體放電管或半導(dǎo)體放電管,皆因其伏安特性(如圖6所示)與氣體放電管類似之故,但其機理卻截然不同,這樣稱呼是不恰當(dāng)?shù)?它具有響應(yīng)速度快(納妙級)、擊穿電壓一致性好、殘壓低等優(yōu)點,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(biāo)有不動作電壓、最高限制電壓、耐流能力、極間電容及源電流等.
不動作電壓或稱最低限制電壓,它指該管保持高阻狀態(tài)時所能承受的最高電壓值(如圖6所示的UA).此值因與流過的電流有關(guān),因而規(guī)定電流為1mA時的電壓即為不動作電壓.從某種意義上講,不動作電壓可以認(rèn)為是生產(chǎn)廠家給出的標(biāo)稱值,反映它在不影響正常工作情況下所能應(yīng)用的場合.最高限制電壓(如圖6所示的UB)是在規(guī)定電壓上升速率的條件下,管子兩端允許出現(xiàn)的最高電壓值.電壓上升速率有兩種規(guī)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,必須在此值以下動作(導(dǎo)通),反映的是“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”性能;其二是1kV/μs的速率下得出的值,反映管子在碰見瞬態(tài)電壓(如雷電壓)時,兩端可能出現(xiàn)的最高電壓值,該值越低,則保護(hù)效果越好,類似于“殘壓”的概念.目前規(guī)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(biāo),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(wěn)態(tài)(齊納)管和開關(guān)二極管.他們均屬于半導(dǎo)體元件,因其動作速度快(納妙級),限幅電壓很低,是電子設(shè)備中“細(xì)”保護(hù)必不可少的元件,靠其伏安特性的箝位作用而達(dá)到限幅保護(hù)的目的.耐流能力低是其突出的缺點.穩(wěn)壓管利用它反偏電壓超過規(guī)定值(如圖7所示U2)時而進(jìn)入導(dǎo)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.如果將兩個穩(wěn)壓管反極性串聯(lián)在一起,就能達(dá)到以正、反向限幅保護(hù)的目的(如圖7所示).不過,硅管比鍺管能耐受更大的功率,故保護(hù)多使用擴散結(jié)硅穩(wěn)定管,市場出售的2CW系列管,可提供從幾伏至上百伏的限幅保護(hù).正向使
用則可實現(xiàn)0.7V的極低限幅電壓的保護(hù)值.
硅開關(guān)二極管與齊納不同,其方向特性在擊穿之后不能恢復(fù).所以,主要利用正向特性進(jìn)行極低電壓的保護(hù),限幅電壓也為0.7V.當(dāng)然,若用n個管子串聯(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(shù)熱敏電阻器.這是一種電阻值隨溫度增加而增加的非線性元件,主要起限流作用.當(dāng)受外來的過電流(非雷擊)影響時,規(guī)定的短時間內(nèi)電阻值急劇增加,從而限制回路上的過電流(如工頻)在允許的范圍內(nèi),保證了設(shè)備的安全.但他對雷電的反應(yīng)很遲鈍,不起防雷電(過電流)作用,只是很多保護(hù)電路上都有使用,便在此略提一下.
針對上述的幾種保護(hù)元件的特性,現(xiàn)做一粗略的比較,如表1所示,以供參考.
4. 保護(hù)元件的選擇
選擇保護(hù)元件主要考慮以下幾點.
(1) 首先應(yīng)確定保護(hù)元件的靜態(tài)工作范圍,據(jù)此選取合適的標(biāo)稱值.如氣體放電管的標(biāo)稱直流擊穿電壓、壓敏電阻的壓敏電壓值、瞬態(tài)二極管的不動作電壓值和穩(wěn)態(tài)管的穩(wěn)壓值等.這些標(biāo)稱值應(yīng)高于該電路可能出現(xiàn)的最高穩(wěn)態(tài)電壓值(供電電壓、信號峰值電壓等的疊加值).至于開關(guān)二極管很多是以兩只管反向并聯(lián)使用,獲得雙向保護(hù)[如圖a8所示],這時,a、b線間的穩(wěn)態(tài)電壓值必須小于0.7V(并留有余量),否則會影響電路的正常工作.若這時不能滿足要求,可以如圖8(b)所示的方法獲得0.7nV的電壓值.而穩(wěn)壓管亦可采用此方法,甚至必要時穩(wěn)壓管和開關(guān)管按需混串后再并聯(lián)使用.這樣可以獲得多種穩(wěn)態(tài)電壓值和不同的電容值.
(2) 保護(hù)元件本身固有電容值是否影響信號的傳輸,它對高頻電路(如天饋線輸入、人部分)中的保護(hù)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(hù)遠(yuǎn)見的殘壓無論何時都應(yīng)低于被保護(hù)設(shè)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(jié)中曾提到“伏秒特性”,其實每一種保護(hù)元件都有此特性,它能動態(tài)的反映保護(hù)效果.同樣,每一被保護(hù)設(shè)備或電路也有它們各自的“伏秒特性”,只不過它動態(tài)的反映地是其損壞值(安全值).保護(hù)設(shè)計時這兩種伏秒特性要互相配合好.顯然,從保護(hù)角度來看,保護(hù)元件的伏秒特性任何時候都應(yīng)在被保護(hù)對象的伏秒特性之下(如圖9所示),這是的保護(hù)是“全方位”的、最有效的.如圖10(a)所示中表示C點左邊為“保護(hù)區(qū)”,設(shè)備得以保護(hù),而C點的右邊卻是設(shè)備(被保護(hù)的)反過來“保護(hù)”了保護(hù)元件,設(shè)備必遭損壞,為失去保護(hù)區(qū),這與設(shè)計的初衷是相反的.
通常保護(hù)元件的數(shù)據(jù)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,遠(yuǎn)非其全部,這當(dāng)然給保護(hù)設(shè)計帶來困難.所以,必要時應(yīng)測出保護(hù)元件的伏秒特性.至于被保護(hù)對象的伏秒特性更是無從可得,非親自努力獲取不可,難度自然更大一些,如果能這樣,當(dāng)時最佳選擇.倘若為了簡化工作,按個方面要求選好保護(hù)元件并安裝好,再用不同上升速率的或可能出現(xiàn)的沖擊波形進(jìn)行模擬雷擊試驗,以檢驗保護(hù)效果能否達(dá)到預(yù)期的目的.
(4) 根據(jù)設(shè)備或電路的需要,選取有足夠耐流能力的保護(hù)元件.我們總希望有盡量多的沖擊電流(能量)通過它旁路,不進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部,而其本身亦安全無恙.否則,被擊壞之后,若不能及時發(fā)現(xiàn)和更換,隨之而來的浪涌即會造成損壞.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(shù)、雷電強弱以及損壞概率等.如果用于緊靠外線連接處,保護(hù)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(hù)對象是與架空線路連接還是與埋地線路連接.例如,架空線上出現(xiàn)雷電流的概率,超過100kA的約占2%,若經(jīng)過線路或各種設(shè)施的衰減而達(dá)到設(shè)備時電流就小得多,考慮到電流值用不著達(dá)到100kA的水平,連接信號傳輸線路的情況亦如此.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(qū)和低暴露活動的地區(qū),其間出現(xiàn)的過電壓極少超過保護(hù)遠(yuǎn)見的殘壓;暴露環(huán)境之處非暴露環(huán)境外的其他區(qū)域、環(huán)境,也包括必須采取一切有效保護(hù)措施才能獲得滿意保護(hù)效果的特性環(huán)境,如市郊、新經(jīng)濟開發(fā)區(qū)及強雷暴活動地區(qū)等.一般而言,使用在非暴露環(huán)境的保護(hù)元件2.5~5kA的耐流能力應(yīng)不會損壞,暴露環(huán)境則需要5~20kA甚至更高.
四、 保護(hù)元件的應(yīng)用
1． 多級保護(hù)
2． 從上面的介紹可知,耐沖擊能力強的保護(hù)元件其殘壓較高,動作速度亦相對較慢,反之亦然.而從線路襲入的過電壓均具有較大的沖擊能量.所以,設(shè)置在緊靠外線側(cè)的保護(hù)元件首當(dāng)其沖,應(yīng)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(xí)慣上,這稱之為第一級保護(hù).由于經(jīng)第一級保護(hù)后其殘壓人達(dá)數(shù)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、集成電路之類的電路,故也俗稱為“粗”保護(hù),很能突出這一保護(hù)級的特點.由此可見,第一級保護(hù)之后還必須設(shè)置一些對雷電能迅速相應(yīng)的、殘壓足夠低的保護(hù)元件(如壓敏電阻、穩(wěn)壓管、開關(guān)二極管等),稱為第二級保護(hù).經(jīng)過第二級之后,殘壓依然較高,只有采用三級甚至四級以上的保護(hù)才足以把外來的過電壓限制到足夠低的水平上而達(dá)到預(yù)期的目的.第二(三)級之后的保護(hù)相應(yīng)的稱為“細(xì)”保護(hù).防雷技術(shù)上把這些通過“粗”、“細(xì)”保護(hù)結(jié)合起來逐級限幅的方法稱之為“多
級保護(hù)”.“粗”、“細(xì)”保護(hù)的技術(shù)視具體需要而定.
3． 當(dāng)進(jìn)行多級保護(hù)設(shè)計時,注意的不能如圖11所示那樣簡單的把幾種具有不同耐流能力、響應(yīng)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順序動作(放電、導(dǎo)通),實際上不一定如此.因為G3和G2的響應(yīng)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(xiàn)G3先于G2動作(導(dǎo)通),G2先于G1動作(導(dǎo)通),或G2導(dǎo)通后G1不能放電.因而,巨大的沖擊能量僅有耐流能力較低的G2或G3單獨承擔(dān),他們自然易遭損壞.如欲達(dá)到所希望的順序放電、導(dǎo)通的目的,應(yīng)如圖12所示的方法連接,各保護(hù)元件間分別串接一個網(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).我們稱之為保護(hù)級之間的“隔離”.如果“隔離”不夠,后繼的動作可能影響到前級而損壞耐流能力弱的保護(hù)元件或造成保護(hù)及之間的過流.
另外,還應(yīng)注意的是,即使是用兩個相同型號、規(guī)格的保護(hù)元件,假定每一個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).因為這兩個保護(hù)元件的特性、響應(yīng)時間等不盡相同,不會同時動作.若10kA的沖擊電流襲入,它們會先后損壞,失去保護(hù)功能.
2．增強保護(hù)效果的其他措施
當(dāng)進(jìn)行保護(hù)設(shè)計時,還可以采取如下措施以增強保護(hù)效果.
(1) 設(shè)備電路的接地良好.
(2) 利用增大電流負(fù)反饋來限制晶體管等的過流.
(3) 裝有如濾波器等頻率分割部件時,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),以限制其他過流河旁路過電流.
(5) 盡可能縮短保護(hù)元件的引線,直接裝在需要保護(hù)的電路上.
(6) 在易受浪涌沖擊的電路中應(yīng)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(wěn)壓管作“細(xì)”保護(hù)時,應(yīng)考慮其固有電容值對工作狀態(tài)的影響.由于其PN結(jié)電容量隨端電壓而改變,即反偏電壓越大,結(jié)電容量越小,令偏壓時則最高(如圖13所示).所以,可根據(jù)電路對電容的要求,給該穩(wěn)壓管加上一定的偏執(zhí)電壓.亦可用如表而敘述的一些方法達(dá)到地電容的保護(hù)目的
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