浪涌電壓

浪涌包括浪涌沖擊、電流沖擊和功率沖擊，可分為由雷擊引起的浪涌以及電氣系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的操作浪涌。出現(xiàn)在建筑物內(nèi)的浪涌從近kV到幾十kV，如不加以限制會(huì)導(dǎo)致：引起電子設(shè)備的誤動(dòng)；電源設(shè)備和貴重的計(jì)算機(jī)及各種硬件設(shè)備的損壞，造成直接經(jīng)濟(jì)損失；在電子芯片中留下潛伏性的隱患，使電子設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定和老化加速。

現(xiàn)在，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注浪涌電壓對(duì)制造系統(tǒng)、信息系統(tǒng)造成的影響。這主要是因?yàn)椋F(xiàn)代工業(yè)的核心是自動(dòng)化，自動(dòng)化依靠計(jì)算機(jī)(常用就是PLC，這是一種通用的工業(yè)計(jì)算機(jī))來(lái)控制。計(jì)算機(jī)對(duì)于浪涌電壓十分敏感。浪涌電壓是導(dǎo)致計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作、數(shù)據(jù)丟失的主要原因。浪涌電壓也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)軟損傷，軟損傷就是計(jì)算機(jī)受到浪涌電壓作用后，可靠性降低，壽命縮短。浪涌電壓導(dǎo)致現(xiàn)代化制造系統(tǒng)出現(xiàn)的故障主要包括：

（1） 存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)丟失

（2） I/O接口電路復(fù)位，導(dǎo)致控制過(guò)程中斷

（3） 線(xiàn)路板上的器件損壞

（4） 預(yù)置的校準(zhǔn)值漂移

（5） 程序跑飛、系統(tǒng)死鎖

（6） 變頻器、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等的輸入整流模塊故障

（7） 控制器發(fā)出錯(cuò)誤指令，導(dǎo)致系統(tǒng)誤動(dòng)作

浪涌防護(hù)是現(xiàn)代制造系統(tǒng)、信息系統(tǒng)中必須考慮的問(wèn)題。需要注意的是，浪涌保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)也發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)的浪涌保護(hù)措施，只要保護(hù)電氣設(shè)備的絕緣不被浪涌電壓損壞即可。而現(xiàn)代浪涌保護(hù)措施，要確保控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)在浪涌電壓的條件下，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作。最近，發(fā)生在高鐵上的重大事故，據(jù)說(shuō)是因?yàn)樘鞖鈵毫?，?dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)作。這有可能是雷電導(dǎo)致的浪涌電壓使信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)作。因此，在進(jìn)行現(xiàn)代化的自動(dòng)系統(tǒng)集成時(shí)，必須充分考慮浪涌電壓的防護(hù)。能夠?qū)ψ詣?dòng)控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)提供可靠浪涌保護(hù)的設(shè)備叫做“正弦波跟蹤浪涌保護(hù)器”。使用這種設(shè)備，不僅能夠保護(hù)電氣設(shè)備的絕緣不被損壞，還能夠保證控制設(shè)備、信息設(shè)備的可靠工作。事實(shí)證明，在浪涌保護(hù)方面的投資會(huì)通過(guò)減少設(shè)備損壞、降低維護(hù)成本、延長(zhǎng)系統(tǒng)正常工作時(shí)間等途徑很快收回。從維護(hù)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行的角度，安裝浪涌保護(hù)器是十分必要的。

浪涌電壓浪涌電壓保護(hù)機(jī)理

浪涌電壓保護(hù)的基本要求是：在電路沒(méi)有干擾時(shí)，不影響設(shè)備的正常運(yùn)行；工作電路中一旦有浪電壓侵入時(shí)，將浪涌電壓抑制在設(shè)備可接受的閾值范圍內(nèi)，保證設(shè)備有受到浪涌干擾時(shí)的正常運(yùn)行，并且防止電路元器件和系統(tǒng)的損壞。從電路聯(lián)接關(guān)系的角度來(lái)看，保護(hù)的方式有兩種，一是將設(shè)備從受干擾的工作電路中斷開(kāi)，二是給浪涌電壓提供泄放通道，最終使浪涌電壓不作用到被保護(hù)的設(shè)備上。由于保護(hù)器件在系統(tǒng)正常工作和浪涌干擾時(shí)所表現(xiàn)出的電氣性能完全不同，保護(hù)器件的伏安特性必須具有強(qiáng)烈的非線(xiàn)性特征。而對(duì)于一般的元器件，其電阻基本不隨運(yùn)行工況的改變而變化，其伏安特性表現(xiàn)出良好的線(xiàn)性特征。

有一類(lèi)元件，當(dāng)其兩端電壓差在正常范圍內(nèi)時(shí)，電阻很大，幾乎沒(méi)有電流通過(guò)；一旦元件兩端電壓差增大到一定的門(mén)檻值時(shí)，電阻迅速減少，幾乎為零。利用這類(lèi)元件可以做成并聯(lián)型浪涌保護(hù)器，從而保護(hù)了設(shè)備。實(shí)際上，浪涌侵入時(shí)保護(hù)器不可能完全呈短路狀態(tài)，兩端電壓也不可能達(dá)到零，只能達(dá)到一個(gè)較小的值，稱(chēng)作箝位電壓，只要這個(gè)箝位電壓小于被保護(hù)設(shè)備的安全電壓，就能有效地保護(hù)設(shè)備。

另外有一類(lèi)元件則具有相反的非線(xiàn)性特征，在正常工作電壓下，電阻幾乎完全為零，當(dāng)控制電壓（信號(hào)電壓或電源電壓）達(dá)到一定的門(mén)檻值時(shí)，元件馬上呈現(xiàn)出很大的電阻值，利用這類(lèi)元件可以做成串聯(lián)型浪涌保護(hù)器。由于其呈現(xiàn)出高阻態(tài)，電路相當(dāng)于斷開(kāi)，使被保護(hù)設(shè)備免遭浪涌電壓的侵入。

根據(jù)IEC組織提出的DBSG的基本方法，電子信息系統(tǒng)雷電及浪涌的防護(hù)應(yīng)當(dāng)采取以下六大技術(shù)措施：（1）直擊雷防護(hù)、（2）屏蔽和隔離、（3）合理布線(xiàn)、（4）等電位連接、（5）共用接地、（6）安裝使用浪涌保護(hù)器。 在一個(gè)完善的電子信息系統(tǒng)防雷工程中，這六個(gè)防護(hù)措施都應(yīng)當(dāng)考慮。但是目前最薄弱的就是安裝使用浪涌保護(hù)器（SPD）。

浪涌電壓浪涌保護(hù)器

浪涌保護(hù)器（SPD）是用來(lái)限制瞬態(tài)過(guò)電壓及泄放相應(yīng)瞬態(tài)過(guò)電流，保護(hù)電子電氣設(shè)備安全的裝置，又可稱(chēng)為電涌保護(hù)器（或防雷器、防雷保安器、避雷器等）。它至少應(yīng)含有一個(gè)非線(xiàn)性元件。浪涌保護(hù)器實(shí)際上也是一種等電位連接器。通過(guò)對(duì)一個(gè)被保護(hù)系統(tǒng)科學(xué)合理地使用浪涌保護(hù)器，可以使系統(tǒng)內(nèi)所有安裝浪涌保護(hù)器的各設(shè)備端口，在雷電和浪涌沖擊的瞬間實(shí)現(xiàn)均壓或者相互等電位，從而避免系統(tǒng)內(nèi)有害的瞬時(shí)電位差，保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

目前的浪涌保護(hù)器主要由氣體放電管、固體放電管、放電間隙、壓敏電阻、快恢復(fù)二極管、瞬態(tài)抑制二極管、晶閘管、溫度保險(xiǎn)絲、快速熔絲、高低通濾波器等器件，根據(jù)不同電壓、電流、功率、頻率、傳輸速率、駐波系數(shù)、插損、帶寬、阻抗等要求，采用不同形式的電路而制成。浪涌保護(hù)器一般分為兩大類(lèi)：（1）電源浪涌保護(hù)器（又可分為交流和直流浪涌保護(hù)器）（2）信號(hào)浪涌保護(hù)器（又可分為過(guò)程控制、通用信號(hào)以及天饋線(xiàn)路浪涌保護(hù)器）

交流配電系統(tǒng)耐沖擊電壓類(lèi)別以及用浪涌保護(hù)器分級(jí)保護(hù)示意圖如下：

由于雷擊的能量是非常巨大的，需要通過(guò)分級(jí)泄放的方法，將雷擊能量逐步泄放到大地。第一級(jí)防雷器可以對(duì)于直接雷擊電流進(jìn)行泄放，或者當(dāng)電源傳輸線(xiàn)路遭受直接雷擊時(shí)傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放，對(duì)于有可能發(fā)生直接雷擊的地方，必須進(jìn)行CLASS—I的防雷。第二級(jí)防雷器是針對(duì)前級(jí)防雷器的殘余電壓以及區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護(hù)設(shè)備，對(duì)于前級(jí)發(fā)生較大雷擊能量吸收時(shí)，仍有一部分對(duì)設(shè)備或第三級(jí)防雷器而言是相當(dāng)巨大的能量會(huì)傳導(dǎo)過(guò)來(lái)，需要第二級(jí)防雷器進(jìn)一步吸收。同時(shí)，經(jīng)過(guò)第一級(jí)防雷器的傳輸線(xiàn)路也會(huì)感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射LEMP，當(dāng)線(xiàn)路足夠長(zhǎng)感應(yīng)雷的能量就變得足夠大，需要第二級(jí)防雷器進(jìn)一步對(duì)雷擊能量實(shí)施泄放。第三級(jí)防雷器是對(duì)LEMP和通過(guò)第二級(jí)防雷器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)。

1、第一級(jí)保護(hù)

目的是防止浪涌電壓直接從LPZ0區(qū)傳導(dǎo)進(jìn)入LPZ1區(qū)，將數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)伏的浪涌電壓限制到2500—3000V。 入戶(hù)電力變壓器低壓側(cè)安裝的電源防雷器作為第一級(jí)保護(hù)時(shí)應(yīng)為三相電壓開(kāi)關(guān)型電源防雷器，其雷電通流量不應(yīng)低于60KA。該級(jí)電源防雷器應(yīng)是連接在用戶(hù)供電系統(tǒng)入口進(jìn)線(xiàn)各相和大地之間的大容量電源防雷器。一般要求該級(jí)電源防雷器具備每相100KA以上的最大沖擊容量，要求的限制電壓小于1500V，稱(chēng)之為CLASS I級(jí)電源防雷器。這些電磁防雷器是專(zhuān)為承受雷電和感應(yīng)雷擊的大電流以及吸引高能量浪涌而設(shè)計(jì)的，可將大量的浪涌電流分流到大地。它們僅提供限制電壓（沖擊電流流過(guò)電源防雷器時(shí)，線(xiàn)路上出現(xiàn)的最大電壓稱(chēng)為限制電壓）為中等級(jí)別的保護(hù)，因?yàn)镃LASS I級(jí)保護(hù)器主要是對(duì)大浪涌電流進(jìn)行吸收，僅靠它們是不能完全保護(hù)供電系統(tǒng)內(nèi)部的敏感 用電設(shè)備的。 第一級(jí)電源防雷器可防范10/350μs、100KA的雷電波，達(dá)到IEC規(guī)定的最高防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。其技術(shù)參考為：雷電通流量大于或等于100KA（10/350μs）；殘壓值不大于2.5KV；響應(yīng)時(shí)間小于或等于100ns。

2、第二級(jí)防護(hù)

目的是進(jìn)一步將通過(guò)第一級(jí)防雷器的殘余浪涌電壓的值限制到1500—2000V，對(duì)LPZ1—LPZ2實(shí)施等電位連接。分配電柜線(xiàn)路輸出的電源防雷器作為第二級(jí)保護(hù)時(shí)應(yīng)為限壓型電源防雷器，其雷電流容量不應(yīng)低于20KA，應(yīng)安裝在向重要或敏感用電設(shè)備供電的分路配電處。這些電源防雷器對(duì)于通過(guò)了用戶(hù)供電入口處浪涌放電器的剩余浪涌能量進(jìn)行更完善的吸收，對(duì)于瞬態(tài)過(guò)電壓具有極好的抑制作用。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相45kA以上，要求的限制電壓應(yīng)小于1200V，稱(chēng)之為CLASS II級(jí)電源防雷器。一般用戶(hù)供電系統(tǒng)做到第二級(jí)保護(hù)就可以達(dá)到用電設(shè)備運(yùn)行的要求了。第二級(jí)電源防雷器采用C類(lèi)保護(hù)器進(jìn)行相—中、相—地以及中—地的全模式保護(hù)，主要技術(shù)參數(shù)為：雷電通流容量大于或等于40KA(8/20μs)；殘壓峰值不大于1000V；響應(yīng)時(shí)間不大于25ns。

3、第三級(jí)保護(hù)

目的是最終保護(hù)設(shè)備的手段，將殘余浪涌電壓的值降低到1000V以?xún)?nèi)，使浪涌的能量有致?lián)p壞設(shè)備。在電子信息設(shè)備交流電源進(jìn)線(xiàn)端安裝的電源防雷器作為第三級(jí)保護(hù)時(shí)應(yīng)為串聯(lián)式限壓型電源防雷器，其雷電通流容量不應(yīng)低于10KA。最后的防線(xiàn)可在用電設(shè)備內(nèi)部電源部分采用一個(gè)內(nèi)置式的電源防雷器，以達(dá)到完全消除微小的瞬態(tài)過(guò)電壓的目的。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相20KA或更低一些，要求的限制電壓應(yīng)小于1000V。對(duì)于一些特別重要或特別敏感的電子設(shè)備具備第三級(jí)保護(hù)是必要的，同時(shí)也可以保護(hù)用電設(shè)備免受系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)電壓影響。對(duì)于微波通信設(shè)備、移動(dòng)機(jī)站通信設(shè)備及雷達(dá)設(shè)備等使用的整流電源，宜視其工作電壓的保護(hù)需要分別選用工作電壓適配的直流電源防雷器作為末級(jí)保護(hù)。

4、第四級(jí)及四級(jí)以上保護(hù)

根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的耐壓等級(jí)，假如兩級(jí)防雷就可以做到限制電壓低于設(shè)備的耐壓水平，就只需要做兩級(jí)保護(hù)，假如設(shè)備的耐壓水平較低，可能需要四級(jí)甚至更多級(jí)的保護(hù)。第四級(jí)保護(hù)其雷電通流容量不應(yīng)低于5KA。

浪涌也叫突波，就是超出正常電壓的瞬間過(guò)電壓，一般指電網(wǎng)中出現(xiàn)的短時(shí)間象“浪”一樣的高電壓引起的大電流。從本質(zhì)上講，浪涌就是發(fā)生在僅僅百萬(wàn)上之一秒內(nèi)的一種劇烈脈沖。浪涌電壓的產(chǎn)生原因有兩個(gè)，一個(gè)是雷電，另一個(gè)是電網(wǎng)上的大型負(fù)荷接通或斷開(kāi)(包括補(bǔ)償電容的投切)時(shí)產(chǎn)生的。

（1）雷電是自然界發(fā)生的極為強(qiáng)烈的電磁暫態(tài)過(guò)程。主要通過(guò)兩個(gè)個(gè)渠道對(duì)電力自動(dòng)化設(shè)備產(chǎn)生影響。一是雷電直接擊中變電站或調(diào)度中心的避雷針、避雷線(xiàn)，產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)對(duì)周?chē)臻g范圍的電子設(shè)備的電磁作用，對(duì)封閉的金屬回路產(chǎn)生壓電流，對(duì)開(kāi)口的金屬回路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于雷電電磁脈沖的作用十分強(qiáng)烈，感生的電壓可能很高。經(jīng)地線(xiàn)泄放入地的雷電流引起地網(wǎng)電壓升高，在接地系統(tǒng)中各接地點(diǎn)間產(chǎn)生很大的電壓差，它們都可能對(duì)自動(dòng)化設(shè)備造成干擾，輕則影響正常運(yùn)行，嚴(yán)重的則會(huì)引起設(shè)備損壞。二是雷電在線(xiàn)路上空的雷云之間放電，或?qū)€(xiàn)路附近的大地放電，都會(huì)使線(xiàn)路因電磁感應(yīng)產(chǎn)生雷電沖擊波或浪涌電壓，這種沖擊波會(huì)沿著線(xiàn)路入侵到與之相連拉電力自動(dòng)化設(shè)備，造成工作錯(cuò)誤或設(shè)備損壞。若雷電直接擊中線(xiàn)路時(shí)，產(chǎn)生的浪涌電壓更為強(qiáng)烈，危害更大。

（2）當(dāng)某些大容量的電氣設(shè)備接通或斷開(kāi)時(shí)間，由于電網(wǎng)中存在電感，將在電網(wǎng)產(chǎn)生“浪涌電壓”，從而引發(fā)浪涌電流。一般不管設(shè)備容量大小，都會(huì)存在浪涌電壓，問(wèn)題是小容量的設(shè)備產(chǎn)生的浪涌電壓較小，不會(huì)產(chǎn)生多大的危害，因此常常被人們所忽略。在脫線(xiàn)變換器啟動(dòng)期間，因?qū)Υ笕萘侩娙萜鞒潆姇?huì)產(chǎn)生一個(gè)大電流。這個(gè)大電流比系統(tǒng)正常電流大幾倍乃至幾十倍(即所謂浪涌電流)，而這可能使AC線(xiàn)路的電壓降落，從而影響連接在同一AC線(xiàn)路上的所有設(shè)備的運(yùn)行，有時(shí)會(huì)燒斷保險(xiǎn)絲和整流二極管等元件。操作方式和故障形式的多樣性決定了操作過(guò)電壓的不同類(lèi)別，主要有：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中的弧光接地過(guò)電壓，空載線(xiàn)路的合閘過(guò)電壓，空載線(xiàn)路、空載母線(xiàn)和電容器分閘時(shí)的開(kāi)斷電容負(fù)載過(guò)電壓，空載變壓器、電抗器和電動(dòng)機(jī)分閘時(shí)的開(kāi)斷電感負(fù)載過(guò)電壓等等。