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防雷器的設計原理
時間: 2019-06-03 01:16:59 瀏覽次數:815
防雷器的設計原理: 針對現在市場上出現了各種各樣的防雷器,質量參差不齊,有一些甚至聞所未問(如:不用接地的避雷器,到現在為止,都弄不明白它的工作原理),因此,通過介
      防雷器的設計原理:
      針對現在市場上出現了各種各樣的防雷器,質量參差不齊,有一些甚至聞所未問(如:不用接地的避雷器,到現在為止,都弄不明白它的工作原理),因此,通過介紹避雷器的工作原理及組成,對客戶甄別真假、優劣,有所幫助。
      防雷器元件從響應特性看,有軟硬兩種。屬于硬響應特性的放電元件有火花間隙(基于斬弧技術的角型火花隙和同軸放電火花隙)和氣體放電管,屬于軟響應特性的放電元件有金屬氧化物壓敏電阻和瞬態抑制二極管。這些元件的區別在于放電能力、響應特性和殘壓,避雷器就是利用它們不同的優缺點,揚長避短,組合成各種避雷器,保護電路。
      火花間隙
      1、放電間隙:原理是兩個如牛角現狀的電極,距離很短,用絕緣材料分開,當兩個電極間的電場強度達到擊穿強度時,電極之間形成電流通路。當雷電波來到的時候首先在間隙處擊穿,使間隙的空氣電離,形成短路,雷電流通過間隙流入大地,而此時間隙兩端的電壓很低,從而達到保護線路的目的。電場強度低于擊穿間隙時,放電間隙型避雷器又恢復絕緣狀態。常用于高壓線路的避雷防護中。在低壓系統,常用于電源的前級保護。
      火花間隙(Arc chopping)型避雷器產品的優劣,在于制成電極的材料、間隙距離及絕緣材料。
      優點:具有很強放電能力、通流量大,10/350μs脈沖波形能夠疏導50KA的脈沖電流,用于8/20μs脈沖電流,可以大于100KA,很高的絕緣電阻以及很小的寄生電容,漏電流小。對正常工作的設備不會帶來任何有害影響。
      缺點:殘壓高(2.5~3.5KV),反應時間長(≦100ns),動作電壓精度較低,有工頻續流,因此在保護電路中應串聯一個熔斷器,使得工頻續流迅速被切斷。
      注:由于兩只放電管分別裝在一個回路的兩根導線上,有時會不同時放電,使兩導線之間出現電位差,為了使兩根導線上的放電管能接近統一時間放電,減少兩線之間的電位差,又研制了三級放電管。可以看作是由兩只二級放電管合并在一起構成的。三級放電管中間的一級作為公共地線,另兩級分別接在回路的兩條導線上。
      2、氣體放電管(Gas discharge tube,GDT):是一種陶瓷或玻璃封裝,管內再充以一定壓力的惰性氣體(如氬氣),開關型的保護元件,有二電極和三電極兩種結構。當電場強度達到擊穿惰性氣體強度時,就引起間隙放電,從而限制極間的電壓。8/20μs脈沖電流能夠疏導10KA。放電電壓不穩定,當電壓大于12V、電流電壓100mA時,會產生后續電流。通常用于測量、控制、調節技術電路和電子數據處理傳輸電路中。
      壓敏電阻
      金屬氧化物壓敏電阻(Metal oxide varistor,MOV)
      以氧化鋅為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻,當加在電阻兩端的電壓小于壓敏電壓時,壓敏電阻呈高阻狀態,如果并聯在電路上,該閥片呈斷路狀態;當加在壓敏電阻兩端的電壓大于壓敏電壓時,壓敏電阻就會擊穿,呈現低阻值,甚至接近短路狀態。壓敏電阻這種被擊穿狀態是可以恢復的,當高于壓敏電壓的電壓被撤銷以后,它又恢復高阻狀態。當電力線被雷擊時,雷電波的高電壓使壓敏電阻擊穿,雷電流通過壓敏電阻流入大地,使電力線上的類電壓被鉗制在安全范圍內。
      氧化鋅壓敏電阻避雷器,現在市場上流通很多,中國在20世紀80年代末才大批生產,被認為目前最新型、技術最先進,會做專題詳細介紹。現在中國的輸電線路的避雷器,都采用氧化鋅避雷器。
      優點:開關電壓范圍寬:6V~1.5KV,反應速度快(25ns),殘壓低(可以達到終端設備的安全工作電壓),通流量大(2KA/cm2),無續流,壽命長。
      缺點:容易老化,動作幾次后,漏電流會增大,從而導致壓敏電阻過熱,最終導致老化失效。
      電容較大,許多情況下不在高頻、超高頻系統中使用。該電容又與導線電容構成一個低通。該低通會造成信號的嚴重衰減。但在頻率低于30KHZ時,這種衰減可以忽略。
      二極管
      瞬態抑制式二極管(Transient voltage suppressor,TVS):
      1、二極放電管:有兩種形式:一是齊納型(為單向雪崩擊穿),二是雙向的硅壓敏電阻。性能類似開關二極管等。在規定的反向電壓作用下,兩端電壓大于門限電壓時,其工作阻抗能立即降至很低的水平以允許大電流通過,并將兩端電壓鉗制在很低的水平,從而有效地保護末端電子產品中的精密元件避免損壞。雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈動功率,并把電壓鉗制在預定水平。適用于交流電路。
      優點:動作時間極快,達到皮秒級。限制電壓低,擊穿電壓低,應用于各種電子領域。
      缺點:電流負荷量小,電容相當高,一般在20pF以下,現在的陶瓷放電管能夠做到3~5pF。
      電子信息系統所需的浪涌保護系統一般采用兩級或三級組成。采用氣體放電管、壓敏電阻和抑制二極管,并利用各種浪涌抑制器的特點,實現可靠保護。氣體放電管一般放在線路輸入端作為一級浪涌保護器件,承受大的浪涌電流,屬于泄流型器件。二級保護器件采用壓敏電阻,可在極短時間內(ns)將浪涌電壓限制在較低的水平。對于高度靈敏的電子電路,可采用抑制二極管作為三級保護。在更短的時間內將浪涌電壓限制在末端電子設備的絕緣水平以內。如圖,當雷電等浪涌到來時,抑制二極管首先導通,把瞬間過電壓精確地控制在一定的水平,如果浪涌電流較大,則壓敏電阻啟動并泄放一定的浪涌電流,這時壓敏電阻兩端的電壓會有所升高,直至推動前級氣體放電管放電,把大電流泄放到地。當三種器件在線路中的距離較遠時,導通順序會從氣體放電管開始,依次導通。
      避雷器的工作,是從反應時間最快、設備的最末端開始的,然后逐級往前端啟動的。單純用氣體放電管保護后端的設備會出現下列問題:導通時間過長,殘壓過大,有可能超過后端設備的耐壓水平。放電后,會產生工頻續流。為避免上述問題,采用另外一種電路(圖三)。為了解決產生工頻續流的問題,同時也避免壓敏電阻因漏電流過大而發熱自爆或老化,我們在氣體放電管上串聯一個壓敏電阻,這樣就可避免產生工頻續流,又可以防止壓敏電阻因漏電流而自爆、老化。但新的問題又產生了,這樣避雷器的動作時間為氣體放電管的導通時間和壓敏電阻導通時間的總和。假設氣體放電管的導通時間為100ns,壓敏電阻的導通時間為25ns,則它們總的反應時間為125ns。為了減小反應時間,在電路中并入一個壓敏電阻,這樣可使總的反應時間為25ns。當過電壓出現時,抑制二極管作為動作最快的元件首先動作,線路設計為,在抑制二極管可能毀壞之前,放電電流即隨著幅值的上升轉換到前置的放電路徑上,即充氣式放電路上。
Us+△u≥Ug
Us:抑制二極管上的電壓
△u:去耦感應線圈上的電壓
Ug:氣體放電管的動作電壓
      如果放電電流小于該值,則充氣放電管不動作。采用這種線路不僅可以在低保護水平的條件下利用放電器動作迅速的優點,同時還可以達到很高的放電電容。這樣就可以消除抑制二極管過載一級熔斷器在出現電源續流時頻繁切斷電路的缺點。
      頻率較高的線路也可以采用歐姆式電阻作為去耦元件,與低電容橋接線路共同使用。
      2、三極放電管:在兩根的導線上,安裝兩個二極放電管,會出現電位差,因此就有三極放電管,多了一極做公共接地,可以減少時間差(0.15~0.2μs),由此產生的橫向雷電壓幅值。
      市場上普通電源避雷器器件一般采用壓敏電阻,用于一級、二級和三級電源。這種組合方式在距離大于5米時,導通時間從第一級開始逐級向后導通。若第一級采用氣體放電管,二級和三級采用壓敏電阻,則必須滿足第一級與第二級滿足大于十米的距離,第二級與第三級滿足大于5米的距離,這樣才能保證前一級先動作。否則可能導致第一級不動作的現象,而二級和三級避雷器又沒有那么大的通流量,導致避雷器無法切實保護設備。這點在工程設計中一定要引起注意。
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