浅析电涌产生及电涌保护

万军令 姜学智 徐宏磊 董泸锴 方 政 潘 伟 薛汝和

摘要:随着微电子技术快速发展,半导体器件集成化不断提高,元件间距在减小,半导体厚度在变薄。电子设备受到瞬态过电压破坏的可能性越来越大。外部电涌和内部电涌过电压成为电子设备损坏和工作中断的主要因素。文章论述了电涌的产生及电涌保护。

关键词:电涌;电涌保护器;保护模式;MOV构成;MOV的指标

中图分类号:TM862文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0181-02

随着微电子技术迅速发展,半体器件集成化不断提高,元件间距减小,半导体厚度变薄。电子设备受到瞬态过电压破坏的可能性越来越大。外部电涌和内部电涌过电压成为电子设备损坏和工作中断的主要因素。为保证精密电子设备系统能正常工作,要求对电涌防护设计应更合理,同时应选择合格的电涌保护器。

一、电涌的产生

电涌是瞬态过电压,在电路中出现的瞬时过电压波动,在电路中通常持续时间仅有百万分之一秒。电涌是微秒量级异常大电流脉冲,波头时间一般在0.25～20μs,单位能量一般在2.5～10MJ/Ω。电涌的来源有两类:外部电涌和内部电涌。外部电涌主要来源于雷电,内部电涌是供电网中开关操作在电力线路上产生的过电压。

雷电是导致电涌最明显的因素,雷电击中输电线路导致巨大的过电压,一次普通闪电电压可达到3～200百万V,电流为2000～3000A。内部电涌在低压电源线上绝大部分(88%)产生于内部用电设备的开启。 电涌产生的高电压远远超出了计算机和其它微电子设备承受的电压水平,造成计算机等电器设备芯片损坏,部件老化,造成电子设备损坏,对生产生活造成极大危害。

二、电涌防护原理

(一)电涌防护最常见方式

电涌防护最常见方式是利用浪涌保护器(Surge protection Device),又称为 “电涌保护器”、“防雷器”或“过电压保护器”,英文简写为SPD。电涌保护器的作用是把串入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内,将强大的电流泄流入地,保护设备或系统不受高电压冲击损坏。电涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同,但至少包含一个非线性电压限制元件。常用电涌保护器有MOV(Metal Oxide Varistor)同气体放电管等。

电涌包含强大的能量因此不能被阻止。基于这种原因,保护敏感电气设备免受电涌损坏的策略是把电涌从设备分流后流入大地。

(二)浪涌保护器MOV由三部分组成

中间是一根金属氧化物材料,由两个半导体连接着电源和地线。当产生浪涌时MOV立即动作,响应时间为1～3毫微秒。MOV中的“V”是变阻器,在响应的一瞬间,MOV的电阻从最大值降到近乎零欧姆,过电流经MOV流入大地。被保护电气设备继续在正常工作电压下运行。其半导体元件具有随电压变化而改变电阻的性质。当电压低于某个特定值时,半导体中的电子运动产生高电阻。反之,当电压超过该特定值时,电子运动会发生变化,半导体电阻降低接近零欧姆。电压正常,浪涌保护器MOV闲在一旁,不影响电力线路。

(三)评价浪涌保护器MOV优劣的指标

1.箝位电压:表示将导致MOV接通地线的电压值。箝位电压越低,表示保护性能越好。

2.能量吸收/耗散能力:此标称值表示浪涌保护器在烧毁前能够吸收多少能量,单位为焦耳。其数值越高,保护性能就越好。

3.响应时间:浪涌保护器不会立刻断开,它们对电涌做出响应会有略微的延迟。

(四)气体放电管

另一种常见的浪涌保护装置是气体放电管。这些气体放电管作用与MOV相同 ,它们将多余电流从火线移到地线,通过在两根电线之间使用惰性气体作为导体实现此功能。 当电压处于某一特定范围时,该气体的组成决定了它是不良导体。如果电压出现浪涌并超过这一范围,电流的强度将足以使气体电离,从而使气体放电管成为非常良好的导体。它会将电流传导至地线,直到电压恢复正常水平,随后又会成为不良导体。

三、浪涌保护器(SPD)保护模式

SPD可连接在L、N、PE间,这些连接方式称为保护模式,它们与供电系统接地方式有关。《低压配电设计规范》规定,供电系统接地分为:TN-S系统(三相五线)、TN-C系统(三相四线)TN-C-S 系统(由三相四线改为三相五线)、IT系统(三相三线)和TT系统(三相四线)。

目前,浪涌保护器的保护模式大部分是4模式保护(L-PE,N-PE),即三根火线分别与保护线,中性线与保护线连接。如图1所示。还有是全模式(L-L、L-N、L-PE、N-PE),即三根火线之间,三根火线分别与保护线,三根火线分别与中性线,中性线与保护线。全模式最多有10模式,常用的3相星形接地方式中就是10模式。如图2所示:

模式保护器是4个单片组合在一起,它没有对浪涌电流经过的所有可能的线路都进行保护,如火线—火线之间,火线—中性线。4模式的浪涌保护器有可能使SPD电压保护水平失真,保护水平较差。会造成三种情况:电压抑制水平失真;响应时间不匹配;续流问题存在安全隐患。

全模式保护三根火线通过浪涌抑制元件分别与中性线相连,三根火线通过浪涌抑制元件分别与保护线相连,中性线通过浪涌抑制元件分别与保护线相连,三根火线通过浪涌抑制元件分别相连,全模式下对浪涌电流经过的所有线路都进行了保护。其优点有:全模式的浪涌保护设备对浪涌电流经过的所有可能的线路都进行了保护;有利于对电网与浪涌保护器本身的防护;不会出现电压保护水平失真和元件响应时间不匹配的问题。

四、结语

通过对电涌产生,电涌保护器的作用及电涌保护器接线,使我们在日常工作学习中免受电涌的危害,提高用电设备使用寿命。

作者简介:万军令(1976-),男,山东莱州人,山东黄金集团三山岛金矿电气工程师,研究方向:电气自动化与机械一体化。