針對市場上出現(xiàn)了各種各樣的防雷器,質(zhì)量參差不齊,有一些甚至聞所未問(如:不用接地的避雷器,到為止,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(yōu)劣,有所幫助。

防雷器元件從響應(yīng)特性看,有軟硬兩種。屬于硬響應(yīng)特性的放電元件有火花間隙(基于斬弧技術(shù)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(yīng)特性的放電元件有金屬氧化物壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管。這些元件的區(qū)別在于放電能力、響應(yīng)特性和殘壓,避雷器就是利用它們不同的優(yōu)缺點(diǎn),揚(yáng)長避短,組合成各種避雷器,保護(hù)電路。

一、火花間隙(Arc chopping)

1、放電間隙:原理是兩個(gè)如牛角現(xiàn)狀的電極,距離很短,用絕緣材料分開,當(dāng)兩個(gè)電極間的電場強(qiáng)度達(dá)到擊穿強(qiáng)度時(shí),電極之間形成電流通路。當(dāng)雷電波來到的時(shí)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(shí)間隙兩端的電壓很低,從而達(dá)到保護(hù)線路的目的。電場強(qiáng)度低于擊穿間隙時(shí),放電間隙型避雷器-又恢復(fù)絕緣狀態(tài)。常用于高壓線路的避雷防護(hù)中。在低壓系統(tǒng),常用于電源的前級保護(hù)。

火花間隙型避雷器產(chǎn)品的優(yōu)劣,在于制成電極的材料、間隙距離及絕緣材料。

優(yōu)點(diǎn):具有很強(qiáng)放電能力、通流量大,10/350μs脈沖波形能夠疏導(dǎo)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(shè)備不會帶來任何有害影響。

缺點(diǎn):殘壓高(2.5~3.5KV),反應(yīng)時(shí)間長(≦100ns),動作電壓精度較低,有工頻續(xù)流,因此在保護(hù)電路中應(yīng)串聯(lián)一個(gè)熔斷器,使得工頻續(xù)流迅速被切斷。

注:由于兩只放電管分別裝在一個(gè)回路的兩根導(dǎo)線上,有時(shí)會不同時(shí)放電,使兩導(dǎo)線之間出現(xiàn)電位差,為了使兩根導(dǎo)線上的放電管能接近統(tǒng)一時(shí)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(gòu)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(dǎo)線上。

2、氣體放電管(Gas discharge tube,GDT):是一種陶瓷或玻璃封裝,管內(nèi)再充以一定壓力的惰性氣體(如氬氣),開關(guān)型的保護(hù)元件,有二電極和三電極兩種結(jié)構(gòu)。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到擊穿惰性氣體強(qiáng)度時(shí),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(dǎo)10KA。放電電壓不穩(wěn)定,當(dāng)電壓大于12V、電流電壓100mA時(shí),會產(chǎn)生后續(xù)電流。通常用于測量、控制、調(diào)節(jié)技術(shù)電路和電子數(shù)據(jù)處理傳輸電路中。

二、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(dǎo)體非線性電阻,當(dāng)加在電阻兩端的電壓小于壓敏電壓時(shí),壓敏電阻呈高阻狀態(tài),如果并聯(lián)在電路上,該閥片呈斷路狀態(tài);當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓大于壓敏電壓時(shí),壓敏電阻就會擊穿,呈現(xiàn)低阻值,甚至接近短路狀態(tài)。壓敏電阻這種被擊穿狀態(tài)是可以恢復(fù)的,當(dāng)高于壓敏電壓的電壓被撤銷以后,它又恢復(fù)高阻狀態(tài)。當(dāng)電力線被雷擊時(shí),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(nèi)。

氧化鋅壓敏電阻避雷器,市場上流通很多,我國在20世紀(jì)80年代末才大批生產(chǎn),被認(rèn)為目前最新型、技術(shù)最先進(jìn),會做專題詳細(xì)介紹。我國的輸電線路的避雷器,都采用氧化鋅避雷器。

優(yōu)點(diǎn):開關(guān)電壓范圍寬:6V~1.5KV,反應(yīng)速度快(25ns),殘壓低(可以達(dá)到終端設(shè)備的安全工作電壓),通流量大(2KA/cm2),無續(xù)流,壽命長。

缺點(diǎn):容易老化,動作幾次后,漏電流會增大,從而導(dǎo)致壓敏電阻過熱,最終導(dǎo)致老化失效。

電容較大,許多情況下不在高頻、超高頻系統(tǒng)中使用。該電容又與導(dǎo)線電容構(gòu)成一個(gè)低通。該低通會造成信號的嚴(yán)重衰減。但在頻率低于30KHZ時(shí),這種衰減可以忽略。

三、瞬態(tài)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(guān)二極管等。在規(guī)定的反向電壓作用下,兩端電壓大于門限電壓時(shí),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(hù)末端電子產(chǎn)品中的精密元件避免損壞。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈動功率,并把電壓鉗制在預(yù)定水平。適用于交流電路。

優(yōu)點(diǎn):動作時(shí)間極快,達(dá)到皮秒級。限制電壓低,擊穿電壓低,應(yīng)用于各種電子領(lǐng)域。

缺點(diǎn):電流負(fù)荷量小,電容相當(dāng)高,一般在20pF以下,陶瓷放電管能夠做到3~5pF。

電子信息系統(tǒng)所需的浪涌保護(hù)系統(tǒng)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(diǎn),實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)。氣體放電管一般放在線路輸入端作為一級浪涌保護(hù)器件,承受大的浪涌電流,屬于泄流型器件。二級保護(hù)器件采用壓敏電阻,可在極短時(shí)間內(nèi)(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(hù)。在更短的時(shí)間內(nèi)將浪涌電壓限制在末端電子設(shè)備的絕緣水平以內(nèi)。如圖,當(dāng)雷電等浪涌到來時(shí),抑制二極管首先導(dǎo)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(shí)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(dāng)三種器件在線路中的距離較遠(yuǎn)時(shí),導(dǎo)通順序會從氣體放電管開始,依次導(dǎo)通。

避雷器的工作,是從反應(yīng)時(shí)間最快、設(shè)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(hù)后端的設(shè)備會出現(xiàn)下列問題:導(dǎo)通時(shí)間過長,殘壓過大,有可能超過后端設(shè)備的耐壓水平。放電后,會產(chǎn)生工頻續(xù)流。為避免上述問題,采用另外一種電路(圖三)。為了解決產(chǎn)生工頻續(xù)流的問題,同時(shí)也避免壓敏電阻因漏電流過大而發(fā)熱自爆或老化,我們在氣體放電管上串聯(lián)一個(gè)壓敏電阻,這樣就可避免產(chǎn)生工頻續(xù)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(chǎn)生了,這樣避雷器的動作時(shí)間為氣體放電管的導(dǎo)通時(shí)間和壓敏電阻導(dǎo)通時(shí)間的總和。假設(shè)氣體放電管的導(dǎo)通時(shí)間為100ns,壓敏電阻的導(dǎo)通時(shí)間為25ns,則它們總的反應(yīng)時(shí)間為125ns。為了減小反應(yīng)時(shí)間,在電路中并入一個(gè)壓敏電阻,這樣可使總的反應(yīng)時(shí)間為25ns。

當(dāng)過電壓出現(xiàn)時(shí),抑制二極管作為動作最快的元件首先動作,線路設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(yīng)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(hù)水平的條件下利用放電器動作迅速的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)還可以達(dá)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(xiàn)電源續(xù)流時(shí)頻繁切斷電路的缺點(diǎn)。

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(dǎo)線上,安裝兩個(gè)二極放電管,會出現(xiàn)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(shí)間差(0.15~0.2μs),及由此產(chǎn)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(shí),導(dǎo)通時(shí)間從第一級開始逐級向后導(dǎo)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(dǎo)致第一級不動作的現(xiàn)象,而二級和三級避雷器又沒有那么大的通流量,導(dǎo)致避雷器無法切實(shí)保護(hù)設(shè)備。這點(diǎn)在工程設(shè)計(jì)中一定要引起注意。