浪涌電壓浪涌保護(hù)

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?？刂葡到y(tǒng)、信息系統(tǒng)在浪涌電壓的條件下，不會出現(xiàn)誤動作。最近，發(fā)生在高鐵上的重大事故，據(jù)說是因為天氣惡劣，導(dǎo)致信號系統(tǒng)出現(xiàn)誤動作。這有可能是雷電導(dǎo)致的浪涌電壓使信號系統(tǒng)出現(xiàn)誤動作。因此，在進(jìn)行現(xiàn)代化的自動系統(tǒng)集成時，必須充分考慮浪涌電壓的防護(hù)。能夠?qū)ψ詣涌刂葡到y(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。事實證明，在浪涌保護(hù)方面的投資會通過減少設(shè)備損壞、降低維護(hù)成本、延長系統(tǒng)正常工作時間等途徑很快收回。從維護(hù)系統(tǒng)的安全可靠運行的角度，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：在電路沒有干擾時，不影響設(shè)備的正常運行；工作電路中一旦有浪電壓侵入時，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的正常運行，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，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)烈的非線性特征。而對于一般的元器件，其電阻基本不隨運行工況的改變而變化，其伏安特性表現(xiàn)出良好的線性特征。

有一類元件，當(dāng)其兩端電壓差在正常范圍內(nèi)時，電阻很大，幾乎沒有電流通過；一旦元件兩端電壓差增大到一定的門檻值時，電阻迅速減少，幾乎為零。利用這類元件可以做成并聯(lián)型浪涌保護(hù)器，從而保護(hù)了設(shè)備。實際上，浪涌侵入時保護(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)到一個較小的值，稱作箝位電壓，只要這個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。

另外有一類元件則具有相反的非線性特征，在正常工作電壓下，電阻幾乎完全為零，當(dāng)控制電壓（信號電壓或電源電壓）達(dá)到一定的門檻值時，元件馬上呈現(xiàn)出很大的電阻值，利用這類元件可以做成串聯(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，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、（4）等電位連接、（5）共用接地、（6）安裝使用浪涌保護(hù)器。 在一個完善的電子信息系統(tǒng)防雷工程中，這六個防護(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）是用來限制瞬態(tài)過電壓及泄放相應(yīng)瞬態(tài)過電流，保護(hù)電子電氣設(shè)備安全的裝置，又可稱為電涌保護(hù)器（或防雷器、防雷保安器、避雷器等）。它至少應(yīng)含有一個非線性元件。浪涌保護(hù)器實際上也是一種等電位連接器。通過對一個被保護(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)有害的瞬時電位差，保證整個系統(tǒng)的運行安全。

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：（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）信號浪涌保護(hù)器（又可分為過程控制、通用信號以及天饋線路浪涌保護(hù)器）

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

由于雷擊的能量是非常巨大的，需要通過分級泄放的方法，將雷擊能量逐步泄放到大地。第一級防雷器可以對于直接雷擊電流進(jìn)行泄放，或者當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放，對于有可能發(fā)生直接雷擊的地方，必須進(jìn)行CLASS—I的防雷。第二級防雷器是針對前級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，對于前級發(fā)生較大雷擊能量吸收時，仍有一部分對設(shè)備或第三級防雷器而言是相當(dāng)巨大的能量會傳導(dǎo)過來，需要第二級防雷器進(jìn)一步吸收。同時，經(jīng)過第一級防雷器的傳輸線路也會感應(yīng)雷擊電磁脈沖輻射LEMP，當(dāng)線路足夠長感應(yīng)雷的能量就變得足夠大，需要第二級防雷器進(jìn)一步對雷擊能量實施泄放。第三級防雷器是對LEMP和通過第二級防雷器的殘余雷擊能量進(jìn)行保護(hù)。

1、第一級保護(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)萬至數(shù)十萬伏的浪涌電壓限制到2500—3000V。 入戶電力變壓器低壓側(cè)安裝的電源防雷器作為第一級保護(hù)時應(yīng)為三相電壓開關(guān)型電源防雷器，其雷電通流量不應(yīng)低于60KA。該級電源防雷器應(yīng)是連接在用戶供電系統(tǒng)入口進(jìn)線各相和大地之間的大容量電源防雷器。一般要求該級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，稱之為CLASS I級電源防雷器。這些電磁防雷器是專為承受雷電和感應(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（沖擊電流流過電源防雷器時，線路上出現(xiàn)的最大電壓稱為限制電壓）為中等級別的保護(hù)，因為CLASS I級保護(hù)器主要是對大浪涌電流進(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)時間小于或等于100ns。

2、第二級防護(hù)

目的是進(jìn)一步將通過第一級防雷器的殘余浪涌電壓的值限制到1500—2000V，對LPZ1—LPZ2實施等電位連接。分配電柜線路輸出的電源防雷器作為第二級保護(hù)時應(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。這些電源防雷器對于通過了用戶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，對于瞬態(tài)過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，稱之為CLASS II級電源防雷器。一般用戶供電系統(tǒng)做到第二級保護(hù)就可以達(dá)到用電設(shè)備運行的要求了。第二級電源防雷器采用C類保護(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)時間不大于25ns。

3、第三級保護(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以內(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)線端安裝的電源防雷器作為第三級保護(hù)時應(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。最后的防線可在用電設(shè)備內(nèi)部電源部分采用一個內(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。對于一些特別重要或特別敏感的電子設(shè)備具備第三級保護(hù)是必要的，同時也可以保護(hù)用電設(shè)備免受系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓影響。對于微波通信設(shè)備、移動機(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保護(hù)。

4、第四級及四級以上保護(hù)

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

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，如不加以限制會導(dǎo)致：引起電子設(shè)備的誤動；電源設(shè)備和貴重的計算機(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)備運行不穩(wěn)定和老化加速。

現(xiàn)在，人們越來越關(guān)注浪涌電壓對制造系統(tǒng)、信息系統(tǒng)造成的影響。這主要是因為，現(xiàn)代工業(yè)的核心是自動化，自動化依靠計算機(jī)(常用就是PLC，這是一種通用的工業(yè)計算機(jī))來控制。計算機(jī)對于浪涌電壓十分敏感。浪涌電壓是導(dǎo)致計算機(jī)誤動作、數(shù)據(jù)丟失的主要原因。浪涌電壓也會導(dǎo)致計算機(jī)軟損傷，軟損傷就是計算機(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)致控制過程中斷

（3） 線路板上的器件損壞

（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)動器等的輸入整流模塊故障

（7） 控制器發(fā)出錯誤指令，導(dǎo)致系統(tǒng)誤動作

浪涌也叫突波，就是超出正常電壓的瞬間過電壓，一般指電網(wǎng)中出現(xiàn)的短時間象“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，一個是雷電，另一個是電網(wǎng)上的大型負(fù)荷接通或斷開(包括補償電容的投切)時產(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)過程。主要通過兩個個渠道對電力自動化設(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，產(chǎn)生的瞬變電磁場對周圍空間范圍的電子設(shè)備的電磁作用，對封閉的金屬回路產(chǎn)生壓電流，對開口的金屬回路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。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)中各接地點間產(chǎn)生很大的電壓差，它們都可能對自動化設(shè)備造成干擾，輕則影響正常運行，嚴(yán)重的則會引起設(shè)備損壞。二是雷電在線路上空的雷云之間放電，或?qū)€路附近的大地放電，都會使線路因電磁感應(yīng)產(chǎn)生雷電沖擊波或浪涌電壓，這種沖擊波會沿著線路入侵到與之相連拉電力自動化設(shè)備，造成工作錯誤或設(shè)備損壞。若雷電直接擊中線路時，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)備接通或斷開時間，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，都會存在浪涌電壓，問題是小容量的設(shè)備產(chǎn)生的浪涌電壓較小，不會產(chǎn)生多大的危害，因此常常被人們所忽略。在脫線變換器啟動期間，因?qū)Υ笕萘侩娙萜鞒潆姇a(chǎn)生一個大電流。這個大電流比系統(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線路的電壓降落，從而影響連接在同一AC線路上的所有設(shè)備的運行，有時會燒斷保險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電壓的不同類別，主要有：中性點不接地系統(tǒng)中的弧光接地過電壓，空載線路的合閘過電壓，空載線路、空載母線和電容器分閘時的開斷電容負(fù)載過電壓，空載變壓器、電抗器和電動機(jī)分閘時的開斷電感負(fù)載過電壓等等。