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防雷知识及器件选择

2017-02-26 18:31:11      点击:
随着微电子技术的发展,大规模及超大规模集成电路相继出现,且广泛用于通信、测量、监控和计算机系统等电子设备(系统)中.这类元器件具有着极为广阔的发展前景.然而,他最明显的缺点就是抗过电压能力和抗干扰性能力很低,易受雷电等电磁脉冲和其他过电压的损坏,继而造成电路和设备的损坏.
一、设备受雷击的途径
雷电直击地面(物体)和/或空中雷云间放电时产生强烈的冲击电磁场,在设备和传输线上感生雷电过电压,从而损坏设备或传输线路.从所掌握的资料表明,除少数属雷电直击或空间感应外,绝大部分是因为雷电行波从室外的传输线引人而损坏设备的.这些室外传输线包括传输信息的金属引入(出)线路和用以馈电的交(直)流线路.传输信息线路有架空线路、埋地线路、钢轨或其他类似的传导体.而架空线主要指通信明线、架空电(广)缆或其他性能相近的线路;埋地线路则有埋地(对称、同轴)电缆和光缆等.传输线路上引入的过电压分为纵向(共模)过电压和横向(差模)过电压两类.在平衡(对称)线路上某点出现的线与地之间的过电压成为纵向过电压;平衡(对称)线路间或不平衡线路(如同轴电缆)的线路与地之间出现的过电压成为横向过电压.一般情况下,横向过电压低于纵向过电压.但在比较极端的情况下,横向过电压可具有与纵向过电压相同的幅值和特续时间.若某些系统有中继设备和远供回路时(如通信系统的增音机),当前、后段的线路感应有不同的过电压时,还会造成顺线路方向的纵向过电压,同样损坏设备,这一点易为人们所忽视.传输线路因其自身结构的原因、雷电行波传输过程的差异,以及纵向保护元件动作时间的不同等,令分别出现在量平衡献上的纵向过电压不相等,从而形成横向过电压(不平衡线路上的横向过电压即纵向过电压).纵向过电压损坏设备线于地(机壳0之间的绝缘,但横向过电压则像信号般在线间传输,尽管其幅值不很高,却足以损坏既敏感,耐压水平又很低的元器件和内部电路.
二、雷击保护的基本原则
欲使设备得到很好的保护,首先应对其所处的环境、受雷电影响的程度做出客观的估计,因他于出现 过电压的幅值、概率、网络结构、设备抗电能力、保护水平和接地等有关.不过,防雷工作应作为一项系统工程来考虑,强调全面防护(包括建筑物、传输线路、设备和接地等),综合治理,且要做到科学、可靠、使用和经济.我们并不一定要求对雷电进行100%的防护,允许有一定的风险率,这当然应通过一定的技术经济比较以后才可确定.总的来说,考虑防雷时可归纳为如下3种主要方法.
1. 采用躲避的方法
这是非常重要的、经济有效的措施.应正确的选择线路的路由、站址(设备安放点),有意识的尽量避开在理论上、经验上和实际上证实的雷击区或雷击点.
2. 对雷电进行横截
这需要外加一定的保护元器件,旁路或限制进入系统内的雷电压(流),从而减轻系统受损的程度或在系统能承受的水平之下.
3. 提高系统的耐雷水平
从改善系统的结构人手,通过对危险性的估计,规定线路、设备的介质绝缘强度、耐冲击能力等,提高其自身的耐雷能力(改善设备的伏秒特性).
三、保护元件的选择
上一张提到的三条保护原则中,后面两条均需要外加一些保护元件才能实现.本章仅就常用保护元件的选择问题作进一步论述.
1. 保护元件的分类
保护元件的分类
保护元件从不同角度考虑,可粗分如下.
(1) 从导通的类型分
空间空隙:如空气隙碳精放电器
放电型
密封间隙:如气体放电管
开关型:顺态二极管
限幅型 :压敏电阻、稳压管(齐纳管) 、开关二极管
(2) 从功能分.
开关型
过压保护 放电型
(并联用) 限幅型
过流保护 非自复型
(串联用) 自复型:正温度系数热敏电阻
不中断 隔离变压器
传输信号 排流线圈
上述的保护元件可以是单个元件,也可以由几种不同功能的元件组合而成为更复杂的组件(后文还会提及).
2. 保护元件应具备的特性
本文主要介绍过电压保护元件的特性.过电压保护元件与迅速的将外来的冲击能量全部或部分分泻放掉,不让其进入设备内部,达到保护的目的,其必须具备如下的性能.
(1) 能承受一定的冲击能量,尤其是在于其强大的雷电流作用下也不致损坏.
(2) 能迅速的抑制瞬间过电压,且其残压应低于设备的安全值.
(3) 对过电压的影响速度要快.在正常状态时是高阻抗.且从高(低)阻抗状态转到低(高)阻抗状态的时间极短.
(4) 元件本身有高的可靠性和稳定性,受多次冲击而性能不变.
3. 主要保护元件的电气性能
(1) 气体放电管.将一个或一个以上的放电间隙封装在玻璃、陶瓷管或其它介质内,管内再充以一定压力的惰性气体(如氩气等),就构成了一支气体放电管(下称放电管).常用的有二极管和三极管,亦曾称有五级放电管.
放电管主要的电气指标有标称直流击穿电压、冲击击穿电压、耐工频电流能力和耐冲击电流能力等.标称直流击穿电压是在放电管击间施加缓慢上升的指示放电管发生了击穿时刻的直流电压(如图1所示中的VA).它反映了放电管可以使用的场合,而不导致电路工作不正常.放电管未击穿前相当于开路状态.冲击击穿电压则指放电管在冲击电压作用下的击穿(动作)电压值.这个值非常重要,他代表其保护效果的好与坏,通常他甚至高于标称直流击穿电压值.如标称值为230V的放电管,其冲击击穿电压值(残压)约高达600~800v(1Kv/μs),如图1所示中的VA.

冲击击穿电压值与施加至极间冲击波性的波前(沿)陡度有明显的关系,即波前越陡,电压值越高,反之亦然.当陡度降得很缓慢时,即为标称直流击穿电压值.这一特性常以放电管冲击击穿电压和放电(动作)时间关系的“伏秒特性”曲线来描述(如图2所示).图中的曲线越平直、越靠近Vdc值,则其保护效果越好.

耐电流能力可以说是寿命指标,也可以说是能力指标.表明他承受工频点六和冲击电流的水平,也是一个重要的指标.耐冲击电流的数值与所加冲击电流波形直接相关,不同的波形,其值差别很大.放电管的耐冲击电流可达20kA(8/20μs)以上.对于气体放电管的指标要求,国标GB9043和I-TU-T(原CCITT)的K.12建议都有明确规定.应特别提出的是“横向电压”指标,以其3个(以上)间隙的击穿时间差来衡量,也是三级以上的放电管所独有的.三(多)级放电管最大的优点是将3个以上的间隙密封于一个空间内,当其中任一间隙击穿放电时,由于气体的电离和光的作用等,提前引发其余间隙迅速放电,令各电极间的电位差很小,即横向电压很低.这对平衡电路的横向保护有很好的效果.
1个三级放电管[如土3(a)所示]其保护效果优于使用3个二级放电管[如图3(b)所示],更优于仅使用两个纵向保护二级放电管[如图3(b)所示中没有G3的情况].通常在a、b线上所感应的雷电压Uae(U’ae)和Ube(U’be),当线路结构、绝缘等条件相同,放电管尚未击穿前,Uae(U’ae)≈Ube(U’be),则Uab(U’ab)≈0.但当放电管一旦击穿,可能出现下列两种情况.

4所示的时间差ta-tb,横向电压Uab(U’ab)≠0,GB9043中规定ta-tb≤200ns,当冲击波形的上升速率规定后,实际上是限制了横向电压的值.

由于气体介质中的击穿放电是随机现象,故对他的击穿电压(包括直流和冲击)值不能简单的一个别样品的个别数据来判定.多年来,我们通过对大量实测击穿电压值进行研究,观察其实际分布情况,并利用亨利直线法进行检验.结果表明,放电管的击穿电压基本上符合正态分布.所以,用统计评定方法是可行的,这已在GB9043中使用,ITU-T也以此为基础修改了K.12建议.其实,保护性能的优劣,主要比较保护元件在冲击电压(电流)作用下放电时,极间残压的高低,当然是越低越好.以往对残压这个概念有些人产生误解,认为击穿(放电)后的极间电压(如图1所示的VC)为残压,其实不然.因为比VC高得多的VA等早已进入设备内部,甚至损坏设备(电路).所以,对残压的更准确理解为包括为使保护元件动作的过电压,保护元件动作前的瞬态、保护元件动作后的端电压和保护动作引起的电路顺保护元件动作后的端电压和保护动作引起的电路瞬态等.因而在进行保护设计时必须考虑上述各种过电压值,否则,该保护设计是不成功的.
(2) 压敏电阻.压敏电阻是一种由氧化锌(或碳化硅)晶体微粒组成的多晶半导体过电压抑制器件,典型的限幅型过电压保护器件.实际上是一种电阻值随外加电压变化的非线性元件(如突5所示)与放电管相比,他对冲击电压的相应更快,可达纳妙级.压敏电阻的主要技术指标有压敏电压、残压或残压比、耐流能力和极间电容等.

从图5可看出通过压敏电阻的电流I不同时,两端的电压是不同的(非线性),为了便于统一、比较和使用,规定通过的电流为1mA是两端的电压成为“压敏电压”(也有成起始电压),记作U1mA,也是标称值.而被保护点的工作电压值应低于此值,越仅为U1mA值得0.75倍或更低.残压含义如前所述,他指压敏电阻上通过某一量级的冲击(浪涌)电流是两端的电压值.当不同的压敏电阻统一相同的冲击电流(如10kA)时,残压低的保护效果较好.若已通过不同的冲击电流而评定其残压高低或保护效果的优劣是不准确的.因为不同产品、规格的压民电阻其伏安特性会有较大差异.压敏电阻有一个衡量其吸收能量能力的指标,称为非线性系数α,其定义为:
(……)
从保护观点来看,显然α值越小越好,α值越小,说明流经压敏电阻的电流变化很大,而端电压变化很小.也就是说,增加的电流部分,几乎全部都被非线性电阻吸收.若α值接近于零,表示端电压与其上流过电流的大小无关,近乎常数,这是最理想了的.优势,相关的资料上没有提供残压指标,却给出“残压比”的数值,作用都是一样的.“残压比”意指通
过某一量级冲击电流时的残压(如突5所示的U1)值与压敏电压(U1mA)值之比,即:
残压比=U1/U1mA所以,当知道残压比后,从上式可很容易算的残压值U1(某量级的冲击电流下),给保户设计带来方便.目前的残压比约为1.5~3.0.选用压敏电阻时,多以标称值即压敏电压值为依据,在进行保护设计时更关键的是知道其残压值.
压敏电阻能力的强弱以耐流能力(通流容量)来衡量.理论上耐流能力越强越好,这样可以承受较强电流的冲击.但实际使用时则有具体情况酌情选用.常用的压敏点阻耐冲击电流能力亦高达10kA(8/20μs)以上,只是体积和电容量随通流容量的增大而增大.
还需要考虑的是压敏电阻的阻值(非动作时)并非无限大,工作与有恒定电压的情况下,会存在一定的漏电流,若产品质量不好,漏电流会逐渐增大甚至自行损坏.况且,长时间流过这些微弱电流也会形成温升,只是慢慢老化而缩短寿命或发生爆炸.随着技术水平的提高,上述情况已有所改善.
(3) 瞬态二极管.瞬态二极管(临时称谓)是由两个背靠背的PN结组成的开关型半导体元件.亦有称半导体浪涌抑制器,相对气体放电管而言,亦有称固体放电管或半导体放电管,皆因其伏安特性(如图6所示)与气体放电管类似之故,但其机理却截然不同,这样称呼是不恰当的.它具有响应速度快(纳妙级)、击穿电压一致性好、残压低等优点,但耐流能力却不如气体放电管及压敏电阻.

瞬态二极管的主要技术指标有不动作电压、最高限制电压、耐流能力、极间电容及源电流等.
不动作电压或称最低限制电压,它指该管保持高阻状态时所能承受的最高电压值(如图6所示的UA).此值因与流过的电流有关,因而规定电流为1mA时的电压即为不动作电压.从某种意义上讲,不动作电压可以认为是生产厂家给出的标称值,反映它在不影响正常工作情况下所能应用的场合.最高限制电压(如图6所示的UB)是在规定电压上升速率的条件下,管子两端允许出现的最高电压值.电压上升速率有两种规定:其一是100kV/s的速率下得出的值,表明电压上升速率较缓慢时,必须在此值以下动作(导通),反映的是“准稳态”性能;其二是1kV/μs的速率下得出的值,反映管子在碰见瞬态电压(如雷电压)时,两端可能出现的最高电压值,该值越低,则保护效果越好,类似于“残压”的概念.目前规定此值小于400V,约为气体放电管的一半.耐流能力的含义与前述相同.瞬态二极管这种能力低于气体放电管和压敏电阻.此外,极间电容与漏电流是静态指标,只要不影响正常工作即可.极间电容值较大则限制了它在高频段上的使用.
(4) 稳态(齐纳)管和开关二极管.他们均属于半导体元件,因其动作速度快(纳妙级),限幅电压很低,是电子设备中“细”保护必不可少的元件,靠其伏安特性的箝位作用而达到限幅保护的目的.耐流能力低是其突出的缺点.稳压管利用它反偏电压超过规定值(如图7所示U2)时而进入导通状态,流经管子的电流迅速增加,从高阻状态旋即进入低阻状态.管子两端的电压变化很少,箝位在所要求的电压上.如果将两个稳压管反极性串联在一起,就能达到以正、反向限幅保护的目的(如图7所示).不过,硅管比锗管能耐受更大的功率,故保护多使用扩散结硅稳定管,市场出售的2CW系列管,可提供从几伏至上百伏的限幅保护.正向使
用则可实现0.7V的极低限幅电压的保护值.

硅开关二极管与齐纳不同,其方向特性在击穿之后不能恢复.所以,主要利用正向特性进行极低电压的保护,限幅电压也为0.7V.当然,若用n个管子串联,可得0.7nV的限幅值.常用的国产管有2CK114或2CK115等.
(5) 正温度系数热敏电阻器.这是一种电阻值随温度增加而增加的非线性元件,主要起限流作用.当受外来的过电流(非雷击)影响时,规定的短时间内电阻值急剧增加,从而限制回路上的过电流(如工频)在允许的范围内,保证了设备的安全.但他对雷电的反应很迟钝,不起防雷电(过电流)作用,只是很多保护电路上都有使用,便在此略提一下.
针对上述的几种保护元件的特性,现做一粗略的比较,如表1所示,以供参考.

4. 保护元件的选择
选择保护元件主要考虑以下几点.
(1) 首先应确定保护元件的静态工作范围,据此选取合适的标称值.如气体放电管的标称直流击穿电压、压敏电阻的压敏电压值、瞬态二极管的不动作电压值和稳态管的稳压值等.这些标称值应高于该电路可能出现的最高稳态电压值(供电电压、信号峰值电压等的叠加值).至于开关二极管很多是以两只管反向并联使用,获得双向保护[如图a8所示],这时,a、b线间的稳态电压值必须小于0.7V(并留有余量),否则会影响电路的正常工作.若这时不能满足要求,可以如图8(b)所示的方法获得0.7nV的电压值.而稳压管亦可采用此方法,甚至必要时稳压管和开关管按需混串后再并联使用.这样可以获得多种稳态电压值和不同的电容值.

(2) 保护元件本身固有电容值是否影响信号的传输,它对高频电路(如天馈线输入、人部分)中的保护元件尤为重要,气体放电关在这方面有较大的优势,其电容值约5pF或更低.
(3) 保护远见的残压无论何时都应低于被保护设备或电路的损坏电压,最好还有一定的程度.气体放电管一节中曾提到“伏秒特性”,其实每一种保护元件都有此特性,它能动态的反映保护效果.同样,每一被保护设备或电路也有它们各自的“伏秒特性”,只不过它动态的反映地是其损坏值(安全值).保护设计时这两种伏秒特性要互相配合好.显然,从保护角度来看,保护元件的伏秒特性任何时候都应在被保护对象的伏秒特性之下(如图9所示),这是的保护是“全方位”的、最有效的.如图10(a)所示中表示C点左边为“保护区”,设备得以保护,而C点的右边却是设备(被保护的)反过来“保护”了保护元件,设备必遭损坏,为失去保护区,这与设计的初衷是相反的.

通常保护元件的数据仅提供冲击波形前沿为某一上升速率下的残压值,也即是其伏秒特性中的某点,远非其全部,这当然给保护设计带来困难.所以,必要时应测出保护元件的伏秒特性.至于被保护对象的伏秒特性更是无从可得,非亲自努力获取不可,难度自然更大一些,如果能这样,当时最佳选择.倘若为了简化工作,按个方面要求选好保护元件并安装好,再用不同上升速率的或可能出现的冲击波形进行模拟雷击试验,以检验保护效果能否达到预期的目的.
(4) 根据设备或电路的需要,选取有足够耐流能力的保护元件.我们总希望有尽量多的冲击电流(能量)通过它旁路,不进入设备内部,而其本身亦安全无恙.否则,被击坏之后,若不能及时发现和更换,随之而来的浪涌即会造成损坏.那么,如何确定需要的耐流能力?首先考虑环境条件、雷暴日数、雷电强弱以及损坏概率等.如果用于紧靠外线连接处,保护元件需承受如上推断的最大的冲击(浪涌)电流.其次,要考虑被保护对象是与架空线路连接还是与埋地线路连接.例如,架空线上出现雷电流的概率,超过100kA的约占2%,若经过线路或各种设施的衰减而达到设备时电流就小得多,考虑到电流值用不着达到100kA的水平,连接信号传输线路的情况亦如此.我们一般将使用的环境划分为非暴露环境和暴露环境,既非暴露环境指城市中心区和低暴露活动的地区,其间出现的过电压极少超过保护远见的残压;暴露环境之处非暴露环境外的其他区域、环境,也包括必须采取一切有效保护措施才能获得满意保护效果的特性环境,如市郊、新经济开发区及强雷暴活动地区等.一般而言,使用在非暴露环境的保护元件2.5~5kA的耐流能力应不会损坏,暴露环境则需要5~20kA甚至更高.
四、 保护元件的应用
1. 多级保护
2. 从上面的介绍可知,耐冲击能力强的保护元件其残压较高,动作速度亦相对较慢,反之亦然.而从线路袭入的过电压均具有较大的冲击能量.所以,设置在紧靠外线侧的保护元件首当其冲,应能承受产大能量的冲击,因而用气体放电管或压敏电阻最为适合.特殊情况下(如非暴露环境)也可用瞬态二极管.习惯上,这称之为第一级保护.由于经第一级保护后其残压人达数百伏甚至上千伏之高,尚足以击坏其后的元(器)件,尤其像晶体管、集成电路之类的电路,故也俗称为“粗”保护,很能突出这一保护级的特点.由此可见,第一级保护之后还必须设置一些对雷电能迅速相应的、残压足够低的保护元件(如压敏电阻、稳压管、开关二极管等),称为第二级保护.经过第二级之后,残压依然较高,只有采用三级甚至四级以上的保护才足以把外来的过电压限制到足够低的水平上而达到预期的目的.第二(三)级之后的保护相应的称为“细”保护.防雷技术上把这些通过“粗”、“细”保护结合起来逐级限幅的方法称之为“多
级保护”.“粗”、“细”保护的技术视具体需要而定.
3. 当进行多级保护设计时,注意的不能如图11所示那样简单的把几种具有不同耐流能力、响应速度元件并联在一起,以为它必然按我们所希望的G1→G2→G3顺序动作(放电、导通),实际上不一定如此.因为G3和G2的响应速度均高于G1,且其伏秒特性处于不同量极,G1最高、G2次之、G3最低.极可能出现G3先于G2动作(导通),G2先于G1动作(导通),或G2导通后G1不能放电.因而,巨大的冲击能量仅有耐流能力较低的G2或G3单独承担,他们自然易遭损坏.如欲达到所希望的顺序放电、导通的目的,应如图12所示的方法连接,各保护元件间分别串接一个网络(或元件),它可以是电阻、电容、电感或它们的组合网络.我们称之为保护级之间的“隔离”.如果“隔离”不够,后继的动作可能影响到前级而损坏耐流能力弱的保护元件或造成保护及之间的过流.

另外,还应注意的是,即使是用两个相同型号、规格的保护元件,假定每一个的耐冲击电流能力为5kA(8/20μs),并联之后的耐流能力不能视之为10kA(8/20μs).因为这两个保护元件的特性、响应时间等不尽相同,不会同时动作.若10kA的冲击电流袭入,它们会先后损坏,失去保护功能.
2.增强保护效果的其他措施
当进行保护设计时,还可以采取如下措施以增强保护效果.
(1) 设备电路的接地良好.
(2) 利用增大电流负反馈来限制晶体管等的过流.
(3) 装有如滤波器等频率分割部件时,可在不影响电路正常工作的前提下,尽量提高高通滤波器的截频或尽量降低低通滤波器的截频,增大阻带衰耗.
(4) 在不影响正常工作的条件下,电路中可串入近两大的限流电阻和并联电容器(容量尽量大),以限制其他过流河旁路过电流.
(5) 尽可能缩短保护元件的引线,直接装在需要保护的电路上.
(6) 在易受浪涌冲击的电路中应选用碳膜电阻,不要使用耐冲能力较差的金属膜电阻.
(7) 高频电路中使用稳压管作“细”保护时,应考虑其固有电容值对工作状态的影响.由于其PN结电容量随端电压而改变,即反偏电压越大,结电容量越小,令偏压时则最高(如图13所示).所以,可根据电路对电容的要求,给该稳压管加上一定的偏执电压.亦可用如表而叙述的一些方法达到地电容的保护目的
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