初探浪涌保护保护原理及工程应用

发表于：2004.2防雷技术

浪涌（surge）是存在于供电系统中的一种电压/电流的波动现象，形成线路浪涌的原因很多，为防止线路浪涌对设备造成损坏，一般都在线路上采用防浪涌器件。根据保护原理的不同，一般设备采用的防护元件也不同，以下对保护元件的种类和工程安装的保护形式进行了简单的阐述。

1.  保护元件种类

1.1瞬态保护元件主要有以下三种：

1）              限压型器件；

2）              开关型器件：

3）              滤波型器件。

1.2限压型器件的工作原理

限压型器件主要作用是当线路电压高于系统工作电压时，把线路电压箝位于正常水平上。以氧化锌为例，当工作电流增大时，它将降低其阻抗以保持其电压不变。氧化锌（MOV）和抑制二极管（TVS）这两种产品的共同特点是：无论流经其电流怎样变化，器件两端的电压总是保持不变的。

MOV是由许多颗粒物相互挤压成型的三维结构，任何2个颗粒之间都形成一个半导体结（PN结）半导体结的数量决定了整体器件的耐压等级，而整体器件的尺寸决定其通流量。（氧化锌产品一般从直径/厚度就可以判断其通流能力）MOV同时对大电流的处理非常迅速，但由于产品的不同效果也并非完全理想。抑制二极管（TVS）是由加大了半导体结（PN结）而构成的加强型齐纳管，其工作曲线非常接近理想值，但由于承受的电流相对较小所以一般用做电子设备内部的保护器件。

图1.限压型器件的特性曲线

1.3开关型器件的工作原理

开关型器件的工作原理是当器件两端的工作电压达到器件自身的启动电压时，开关器件则迅速导通，并且只要系统能够提供维持其导通的电压，开关型产品将持续保持导通状态。这也是为什么保护间隙存在续流的原因。气体放电管、保护间隙、阶跃二极管都属于这种工作原理。

    气体放电管（GDT）一般是由一对置于充满气体的玻璃管或陶瓷管内的电极组成。气体放电管的工作电压一般可做到90V左右。而且该产品的导通电压反映的是低速脉冲时的特性，当频率增高时，其特性会下降。和气体放电管一样保护间隙也存在同样问题，而且GDT或保护间隙导通后在其两端会存在一定的维持电压，状态接近短路，由于其电流因素这种状态很难自行断开，所以GDT和保护间隙不能单独应用于电力电源系统中，但这类产品的通流能力是非常大的。与之相反的是阶跃二极管（BOD），它是一种半导体开关元件，通流能力非常小，所以应用场合较少。

图2（电压）开关型产品的特性曲线

   1.4滤波型产品的保护原理

高、低通滤波器和电源滤波器是比较常见的产品。滤波器一般由电感和电容组件构成。原理主要应用了电感和电容在不同频率时的特性，电感器在高频时呈现开路状态，电容器在高频呈现短路状态。

   低通滤波器一般用于电源的射频干扰（RFI）防护。有人认为：既然低通滤波器可以消除高频，而瞬态有包含高频，因此把低通用于防雷保护上。这种做法从原理上似乎成立，但是从工程实际上来说是不成立的。

图3雷电脉冲的频率特性图        4滤波器的工作频率特性

一个雷电的脉冲的频率特性如图3，滤波器的工作频率特性如图4；如果我们对脉冲状态下的滤波器进行测试就会发现实际上滤波器使脉冲增大了（图5.1）。那么如何会增大呢？我们可以从频率测试的角度来分析：标准的频率测试，一般是使信号源的内阻与被负载的阻抗匹配一致一般为50/75欧姆，而实际上测试电源的内阻往往小于50/75欧姆，

图5测试设备原理图            图5.1瞬态脉冲下的滤波器输出

 图6实际滤波器的频率特性

而负载的电阻是随意的，有时甚至是开路的。图6显示了实际条件下的频率特性曲线。不难看出，最初测试振荡频率被放大了，这也说明了为什么滤波器会使脉冲更加恶化。另一个问题是由于磁饱和和损坏滤波器内电感器的磁心，使它无法适应脉冲的大电流而导致设备最终的损坏。而如果改变滤波器的部分结构，他还是可以运用在射频系统的雷电防护上的。在射频传防护上，由于雷电脉冲的信号范围小于射频信号的宽度，所以可以采用高通滤波器或者带通滤波器作为射频系统中的防雷器件。

2.防浪涌设备的保护原理

从保护原理上基本可以分为：开路式防护和短路式防护，两种保护形式。

   2.1开路保护形式

在线路中串联一个开路的电子组件，则脉冲电流无法进入损坏设备，而其电压则保持在开路状态。这种保护手段相当在雷击发生时将用电设备断开。在线/地间采用变压器和光电耦合器就是属于这种保护方式，而且具有一定的保护效果。但是这种保护方式的保护水平是有一定局限的。

图6开路防护原理         图7短路防护原理

   2.1短路保护形式

在线路中并联一个短路的电子组件，则设备不会受到脉冲电压的影响，使脉冲电流被短路组件短路入地。绝大多数防雷产品军采用这种防护手段。虽然这是行之有效的防护手段，但是还不能完全的达到理想的效果。

2.3防护产品的工作

电源系统中并联防护装置是按照短路保护原理工作的。例如：单相避雷器的标称工作电压为240V、最大工作电压为280V有效值（峰值为396V/按1.4倍计算）的FURSE ESP 在线式电源避雷器，当其电压端的电压小于396V时避雷器呈现高阻状态，当线路电压高于这一电压时，设备内阻迅速降低。（表1避雷器的动态电阻）

从表1中可以看出，他显示了避雷器的特性，其阻抗随电流的加大而降低这也是解释避雷器工作原理的所在。

简单的变阻器类防护装置虽然也是按照这以原理设计的，但它是并不能完全满足保护要求。最大的商用变阻器标称有820V/500A，780V/300A的允通电压，但这仅仅是变阻器自身的技术参数（不是避雷器整体的参数）；当保护失效时，该允通电压将成倍增加，也就是设备端电压成倍增加的原因。

所以在选用避雷器时，应该考虑的不仅仅是设备元件的技术参数，还要看作为整体后的技术参数。

2.4工程应用的保护原则

   在防护产品的工程应用中同样存在两个问题；优先保护和优先供电。

图8 优先供电               图9优先保护

在工程上往往忽略了优先保护与优先供电的问题，看上去图8与图9没有什么大的区别，但是正说明了优先供电与优先保护的区别。

2.4.1优先供电，在避雷器的安装时单独在增加避雷器的控制开关，这种安装方案有2种目的：

1.              防止避雷器在发生故障时影响供电回路的正常工作，及时与供电系统脱离避免引起供电故障。

2.              优先保证了供电的连续性，即避雷器启动后（遭受一次性破坏冲击后）与供电系统脱离，保证后续设备的正常供电，但是一旦存在二次雷电冲击则失去对后续设备的保护作用。

2.4.2优先保护，是指在避雷器的安装时与被保护设备共用分端器或熔断器。在系统遭受雷击时避雷器启动后，使被保护设备处于断电状态，从而起到优先保护的目的。

2.4.3产品的选择

   一般单一模块化产品自身的设计都是优先保护（模块内部有热脱钩装置），但是由于产品的品质和工程安装因素（一般工程安装都在避雷器前加装分断器）使最终结果成为优先供电形式，从另一个角度上可以理解为保护了避雷器自身的安全而抛开了被保护设备的安全。

  2.4.4冗余保护技术的应用

冗余保护技术即在避雷器内部对一条连路的保护有多组保护系统组成，形成了优先保护的形式；由于一条连路中的部分器件失效后不影响避雷器整体的保护模式。由于采用冗余保护技术所以不用在工程安装时单独增加分断器。采用冗余保护技术的电源产品具备分段显示功能，当内部元件有损坏时产品有更换指示。提醒工作人员及时更换避雷器，防止在出现故障时对被保护设备的影响。所以，具有冗余保护能力的电源防雷产品无疑提高了供电连续性与保护连续性的概率。

                                                   图10冗余保护示意图

参考资料：

Electronic Systems Protection Handbook--英国FURSE公司技术资料

冯宗恒 等IEC 60364 建筑物电器装置第5-53部分：电器设备的选择和安装-隔离、开关和控制设备，防雷世界2004.1