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浪涌保護器在電子設(shè)備中的應(yīng)用

2016-05-12 10:55:14 安裝信息網(wǎng)

王鴻鈺，陸虹

（極東神港自控工程有限公司，上海200333）

摘要：在介紹浪涌的危害和以壓敏電阻器( MOV)構(gòu)成的浪涌保護器特性的基礎(chǔ)上，較詳細地介紹了它在保護電子儀器儀表和三相交流電氣設(shè)備中的應(yīng)用；給出了被保護調(diào)節(jié)儀和被保護穩(wěn)壓器中安裝浪涌保護器的輸入電路，并為一實際工程提供了一種有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：浪涌保護器；壓敏電阻器；調(diào)節(jié)儀表；無觸點穩(wěn)壓器

中圖分類號：TM54文章編號：1006 - 2394( 2016) 04 - 0034 - 03

0 引言

浪涌是超出正常工作電壓的瞬間過電壓，是發(fā)生在幾百萬分之一秒時間內(nèi)的一種劇烈脈沖。供電系統(tǒng)的浪涌有的來自外部，有的來自內(nèi)部。如，外部雷電引起的感應(yīng)雷擊、直接雷擊、雷電侵入波，或者，內(nèi)部大功率設(shè)備的啟動停止、感性負荷的投入和切除、電容器的投入和切除，以及短路故障等都可能產(chǎn)生浪涌電壓、浪涌電流。浪涌電壓、浪涌電流可使設(shè)備壽命降低，可靠性下降；或使設(shè)備損壞、系統(tǒng)癱瘓，甚至威脅操作人員的生命安全。

為了減少浪涌的影響，一般應(yīng)在被保護設(shè)備前正確安裝浪涌保護器( SPD)，將浪涌電流引入地下、將浪涌電壓箝制在一個安全的水平上；對那些不能阻止的雷電，采取措施后防止其造成破壞。

1電子儀器中的浪涌防護

1.1壓敏電阻器(MOV)

壓敏電阻器是根據(jù)半導(dǎo)體材料電壓與電流的非線性特性制成的器件。當(dāng)它兩端所加電壓低于壓敏電壓（標稱額定電壓）值時，壓敏電阻器開路，內(nèi)部幾乎沒有電流流過；當(dāng)兩端所加電壓高于壓敏電壓值時，壓敏電阻器迅速擊穿導(dǎo)通，由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，工作電流急劇增大；當(dāng)兩端所加電壓低于壓敏電壓值時，壓敏電阻器又能恢復(fù)為高阻態(tài)；當(dāng)兩端所加電壓超過最大限制電壓值時，壓敏電阻器則完全擊穿損壞。

壓敏電阻器的主要技術(shù)指標有壓敏電壓和通流容量等。壓敏電阻的標稱電壓一般指1 m A直流電流通人壓敏電阻器時測得的電壓值V1mA。常規(guī)產(chǎn)品的壓敏電壓范圍在15～2 000 V，根據(jù)被保護設(shè)備的需要正確選用即可。一般V1mA=1.5 V p，式中，V p為電路額定電壓的峰值。壓敏電阻的通流容量指在規(guī)定的環(huán)境溫度、規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)的情況下，壓敏電壓的變化不超過某一數(shù)值（如±10%）時的最大脈沖電流值。常規(guī)單片MOV產(chǎn)品的通流容量為20~20kA。壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應(yīng)小于手冊中給出的產(chǎn)品最大通流量，如單個產(chǎn)品的通流容量不能滿足使用要求，可將幾個壓敏電阻并聯(lián)在一起使用。

1.2浪涌保護器在調(diào)節(jié)儀表中的應(yīng)用

大多數(shù)電子儀器儀表以單相交流供電，產(chǎn)生表內(nèi)的低壓直流電壓。以極東神港自控工程有限公司的調(diào)節(jié)儀為例，向內(nèi)部元器件供電的±5 V/+12 V直流電壓都由220 V交流電壓轉(zhuǎn)換而來。圖1是AC-DC的轉(zhuǎn)換電路，交流電源入口處并聯(lián)一個壓敏電阻，用作過壓浪涌防護；串接一個10 Ω/0.5 W電阻，用來抑制電流浪涌；高頻變壓器的初級繞組兩端并聯(lián)一個TVS組合電路，抑制和吸收開關(guān)動作產(chǎn)生的過電壓。

交流電源的電壓為220 V，故V1mA=1.5Vp=1.5×308 =462 V，即，壓敏電阻的擊穿電壓可選用470 V或480 V，實際電路中選用了TNR7V471壓敏電阻。圖中IC201是由擊穿電壓高達700 V MOSFET和CMOS控制單元組合而成的單片集成電路，它的漏極接高頻變壓器初級和SMAJ100型TVS管。SMAJ100是反向工作電壓為100 V，最大電流沖擊點的箝位電壓為162 V的電路。IC201關(guān)斷時漏極處產(chǎn)生的過壓約為(300+162)V，明顯低于700 V，SMAJ100有效地保護了IC201集成電路。

考慮到大多數(shù)儀表產(chǎn)品的體積都比較小，如極東神港自控工程有限公司新推出的BCx2調(diào)節(jié)儀，它們的正面尺寸為48 mm x48 mm，48 mm×96 mm，96 mm×96 mm,而插入屏深僅60 mm（J C x系列還有更小的尺寸），在有限的小空間內(nèi)只能作基本的防護。為了使系統(tǒng)安全可靠，產(chǎn)品說明書中一般都注明，應(yīng)在外部安裝保險絲，如安裝一個額定電壓250 V AC、額定電流2A或5A的時延保險絲。

2電氣設(shè)備的浪涌防護

2.1 三相浪涌保護器

下面所說的電氣設(shè)備是指以三相交流供電的電氣設(shè)備。如，潘登新電源公司的SBW5B無觸點穩(wěn)壓器、GGDZ型照明節(jié)能配電柜等，對這些設(shè)備必須進行三相保護。考慮系統(tǒng)的接地形式，三相浪涌保護器的安裝模式有共模接線模式、差模接線模式、3 +1接線模式和全模接線模式。前三種模式由3～4塊模塊組合而成，如圖2所示。共模接線模式保護設(shè)備內(nèi)電路和器件對地的絕緣，差模接線模式保護兩個輸入端之間的電路和器件。全模式保護模式的接線如圖3所示，使用了更多模塊，對浪涌經(jīng)過的所有可能的線路進行保護，保護的效果更好。

如前所述，若要提高SPD的通流容量，應(yīng)將多只壓敏電阻MOV并聯(lián)在一起使用。如JOSLYN公司生產(chǎn)的并聯(lián)MOV陣列三相、單相浪涌保護器。

對于大電流的沖擊，單個壓敏電阻很可能被擊穿，但如果采用匯流排將沖擊電流平均分配到并聯(lián)在某個特定模式上的元件陣列，那么，分攤到每個壓敏電阻元件的沖擊電流幅度則大幅度降低。比如，SPD并聯(lián)了由10個壓敏電阻元件組成的陣列，對于一個由雷擊造成的50 kA的沖擊電流將被平均分攤到這10個元件上，因此，每個抑制元件只承受5 kA的電流沖擊，這將使抑制元件因沖擊電流發(fā)生的自身損耗很小。

當(dāng)然，多元件陣列結(jié)構(gòu)對制作材料、制作環(huán)境、制造工藝和成品篩選等有嚴格的要求，如，并聯(lián)的壓敏電阻伏安特性應(yīng)盡量相同，以避免引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。

2.2浪涌保護器在SBW5B無觸點穩(wěn)壓器中的應(yīng)用

圖4是SBW5B無觸點穩(wěn)壓器的原理框圖，整機由補償電路、調(diào)壓電路、主控板、輸入采樣電路、輸出采樣電路、輸出控制電路、保護電路、旁路電路，以及浪涌防護器等單元組成。

其工作過程為：當(dāng)輸入電壓波動或負載變化時，通過輸入輸出采樣電路獲取反饋電壓，經(jīng)與基準電壓進行比較判斷，然后由主控板輸出控制信號，控制調(diào)壓電路中相應(yīng)的晶閘管模塊導(dǎo)通，使補償電路產(chǎn)生極性和大小不同的補償電壓，達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。同時，主控板還對保護電路和輸出控制電路進行控制，產(chǎn)生相應(yīng)的保護動作和輸出控制動作。

考慮到我國70%以上地區(qū)都在多雷區(qū)．強雷區(qū)，雷電災(zāi)害嚴重；而且，許多人口居住密集和經(jīng)濟較發(fā)達的大中城市處在中等以上雷電區(qū)，這些地區(qū)使用計算機、電子信息產(chǎn)品和電源產(chǎn)品更廣泛，遭受雷害的概率很高。因此，SBW5B無觸點穩(wěn)壓器在它的輸入端以“全模保護”接線形式安裝了浪涌防護器，保護穩(wěn)壓器和穩(wěn)壓器后端的設(shè)備，使其免受雷電及電網(wǎng)內(nèi)部浪涌過電壓的損害。

2.3 浪涌保護器在防雷工程中的應(yīng)用

雷擊的能量非常巨大，需要分級泄放，將這些能量逐步泄放到大地。圖5為某醫(yī)院門診大樓防雷工程所作的配置方案：考慮到設(shè)備的重要性，在總配電柜前端并聯(lián)接入了采用自動熱保護MOV技術(shù)的美國伊頓公司的XT100三相電源浪涌保護器，作為第一級保護（雷電通流容量大于或等于100 kA），以抑制沿電源線侵入的雷電浪涌過電壓和電力系統(tǒng)操作過電壓。在各電梯控制柜、水泵控制柜、計算中心、交換機房的電源前端并聯(lián)接入美國強士林公司1457 - 21（美國伊頓XT40)型三相電源浪涌保護器，作為第二級防護（雷電通流容量大于或等于40 kA），將沿電源線侵入的雷電浪涌過電壓和電力系統(tǒng)操作過電壓抑制到更低的水平，使各種設(shè)備的過電壓防護更有保障。美國伊頓XT100防雷器前串接一個62 A的三相低壓斷路器，美國強士林1457 - 21（美國伊頓XT50）防雷器前串接一個32 A的三相低壓斷路器，以保證防雷器出現(xiàn)故障時能有效地脫離電源線路。