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浪涌保護器在電子設備中的應用

發布時間: 2015-12-28       作者:上海潘登新電源有限公司      來源:http://www.bmc-cycling.com/      點擊數:

1  浪涌的危害

   浪涌是超出正常工作電壓的瞬間過電壓,是發生在幾百萬分之一秒時間內的一種劇烈脈沖。

供電系統的浪涌有的來自外部,有的來自內部。如,外部雷電引起的感應雷擊、直接雷擊、雷電侵入波,或者,內部大功率設備的啟動停止、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生浪涌電壓、浪涌電流。

   浪涌電壓、浪涌電流使設備壽命降低,可靠性下降;設備損壞,系統癱瘓,甚至威脅操作人員的生命安全。

為了減少浪涌的影響,一般應在被保護設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。      

2  電子儀器中的浪涌防護

2.1  壓敏電阻器(MOV)

壓敏電阻器是根據半導體材料電壓與電流的非線性特性制成的器件。當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,內部幾乎沒有電流流過;當兩端所加電壓高于壓敏電壓值時,壓敏電阻器迅速擊穿導通,由高阻態變為低阻態,工作電流急劇增大;當兩端所加電壓低于壓敏電壓值時,壓敏電阻器又能恢復為高阻態;當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1mA直流電流通入壓敏電阻器時測得的電壓值V1mA。常規產品的壓敏電壓范圍在152000V,根據被保護設備的需要正確選用即可。一般V1mA=1.5Vp,式中,Vp為電路額定電壓的峰值。壓敏電阻的通流容量指在規定的環境溫度、規定的沖擊電流波形和規定的沖擊電流次數的情況下,壓敏電壓的變化不超過某一數值(如±10%)時的最大脈沖電流值。常規單片 MOV產品的通流容量為2020kA。壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應小于手冊中給出的產品最大通流量。如單個產品的通流容量不能滿足使用要求,可將幾個壓敏電阻并聯在一起使用。

2.2  浪涌保護器在調節儀表中的應用

大多數電子儀器儀表以單相交流供電,產生表內的低壓直流電壓。以極東神港自控工程有限公司的調節儀為例,向內部元器件供電的±5V/+12V直流電壓都由220 V交流電壓轉換而來。圖1是AC-DC的轉換電路。 交流電源入口處并聯一個壓敏電阻,用作過壓浪涌防護;串接一個10Ω/0.5W電阻,用來抑制電流浪涌;高頻變壓器的初級繞組兩端并聯一個TVS組合電路, 抑制和吸收開關動作產生的過電壓。

交流電源的電壓為220 V,故V1mA=1.5Vp=1.5*308V=462V,即,壓敏電阻的擊穿電壓可選用470480V,實際電路中選用了TNR7V471壓敏電阻。圖中 IC201是由擊穿電壓高達 700V MOS FET和CMOS控制

   圖一

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100V,最大電流沖擊點的箝位電壓為162V的電路。 IC201關斷時漏極處產生的過壓約為300+162V,明顯低于700V, SMAJ100有效地保護了 IC201集成電路 。

考慮到大多數儀表產品的體積都比較小,如極東神港自控工程有限公司新推出的BCx2調節儀,它們的正面尺寸為48mmX48mm,48mmX96mm,96mmX96mm,而插入屏深僅60mm(JCx系列還有更小的尺寸),在有限的小空間內只能作基本的防護,如上圖所示。為了使系統安全可靠,產品說明書中一般都注明,應在外部安裝保險絲,如安裝一個額定電壓250V AC 、額定電流2A5A的時延保險絲。

3   電氣設備的浪涌防護

3.1  三相浪涌保護器

下面所說的電氣設備指以三相交流供電的電氣設備,如,潘登新電源公司的SBW5B無觸點穩壓器、GGDZ型照明節能配電柜等。對這些設備必須進行三相保護??紤]系統的接地形式,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3種模式由34塊模塊組合而成(圖2);共模接線模式保護設備內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,對浪涌經過的所有可能的線路進行保護,保護的效果更好。

               圖2

                        圖 3

如前所述,若要提高 SPD 的通流容量,應將多只壓敏電阻MOV 并聯在一起使用。如JOSLYN公司生產的并聯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50kA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5kA的電流沖擊,這將使抑制元件因沖擊電流發生的自身損耗很小。

當然,多元件陣列結構對制作材料、制作環境、制造工藝和成品篩選等有嚴格的要求,如,并聯的壓敏電阻伏安特性應盡量相同,以避免引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。

3.2   浪涌保護器在SBW5B無觸點穩壓器中的應用

圖4是SBW5B無觸點穩壓器的原理框圖,整機由補償電路、調壓電路、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,控制調壓電路中相應的晶閘管模塊導通, 使補償電路產生極性和大小不同的補償電壓,達到穩定輸出電壓的目的。同時,主控板還對保護電路和輸出控制電路進行控制,產生相應的保護動作和輸出控制動作。


                              圖 4

        考慮到我國70%以上地區都在多雷區-強雷區,雷電災害嚴重;而且,許多人口居住密集和經濟較發達的大中城市處在中等以上雷電區,這些地區使用計算機、電子信息產品和電源產品更廣泛,遭受雷害的概率很高。 因此,SBW5B無觸點穩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,保護穩壓器和穩壓器后端的設備,使其免受雷電及電網內部浪涌過電壓的損害。

3.3    浪涌保護器在防雷工程中的應用

    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。下面是潘登新電源公司為某醫院門診大樓防雷工程所作的配置方案:考慮到設備的重要性,在總配電柜前端并聯接入了采用自動熱保護MOV技術的美國伊頓公司的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100kA),以抑制沿電源線侵入的雷電浪涌過電壓和電力系統操作過電壓。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40kA),將沿電源線侵入的雷電浪涌過電壓和電力系統操作過電壓抑制到更低的水平,使各種設備的過電壓防護更有保障。美國伊頓XT100防雷器前串接一個62A的三相低壓斷路器,美國強士林1457-21(美國伊頓XT40)防雷器前串接一個32A的三相低壓斷路器,以保證防雷器出現故障時能有效地脫離電源線路。


                             圖 5

4 結束語

    本文在介紹以MOV構成的浪涌保護器特性的基礎上,較詳細地介紹了它在保護調節儀表和電氣設備中的應用。介紹的內容可供工程技術人員在設計和維護相關產品時參考。

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