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浪涌保护器在电子设备中的应用

发布时间: 2015-12-28       作者:上海潘登新电源有限公司      来源:http://www.pandeng.com/      点击数:

1  浪涌的危害

   浪涌是超出正常工作电压的瞬间过电压,是发生在几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。

供电系统的浪涌有的来自外部,有的来自内部。如,外部雷电引起的感应雷击、直接雷击、雷电侵入波,或者,内部大功率设备的启动停止、感性负荷的投入和切除、电容器的投入和切除,以及短路故障等都可能产生浪涌电压、浪涌电流。

   浪涌电压、浪涌电流使设备寿命降低,可靠性下降;设备损坏,系统瘫痪,甚至威胁操作人员的生命安全。

为了减少浪涌的影响,一般应在被保护设备前正确安装浪涌保护器(SPD):将浪涌电流引入地下、将浪涌电压箝制在一个安全的水平上;对那些不能阻止的雷电,采取措施后防止其造成破坏。      

2  电子仪器中的浪涌防护

2.1  压敏电阻器(MOV)

压敏电阻器是根据半导体材料电压与电流的非线性特性制成的器件。当它两端所加电压低于压敏电压(标称额定电压)值时,压敏电阻器开路,内部几乎没有电流流过;当两端所加电压高于压敏电压值时,压敏电阻器迅速击穿导通,由高阻态变为低阻态,工作电流急剧增大;当两端所加电压低于压敏电压值时,压敏电阻器又能恢复为高阻态;当两端所加电压超过最大限制电压值时,压敏电阻器则完全击穿损坏。

压敏电阻器的主要技术指标有压敏电压和通流容量等。压敏电阻的标称电压一般指1mA直流电流通入压敏电阻器时测得的电压值V1mA。常规产品的压敏电压范围在152000V,根据被保护设备的需要正确选用即可。一般V1mA=1.5Vp,式中,Vp为电路额定电压的峰值。压敏电阻的通流容量指在规定的环境温度、规定的冲击电流波形和规定的冲击电流次数的情况下,压敏电压的变化不超过某一数值(如±10%)时的最大脉冲电流值。常规单片 MOV产品的通流容量为2020kA。压敏电阻所吸收的浪涌电流幅值应小于手册中给出的产品最大通流量。如单个产品的通流容量不能满足使用要求,可将几个压敏电阻并联在一起使用。

2.2  浪涌保护器在调节仪表中的应用

大多数电子仪器仪表以单相交流供电,产生表内的低压直流电压。以极东神港自控工程有限公司的调节仪为例,向内部元器件供电的±5V/+12V直流电压都由220 V交流电压转换而来。图1是AC-DC的转换电路。 交流电源入口处并联一个压敏电阻,用作过压浪涌防护;串接一个10Ω/0.5W电阻,用来抑制电流浪涌;高频变压器的初级绕组两端并联一个TVS组合电路, 抑制和吸收开关动作产生的过电压。

交流电源的电压为220 V,故V1mA=1.5Vp=1.5*308V=462V,即,压敏电阻的击穿电压可选用470480V,实际电路中选用了TNR7V471压敏电阻。图中 IC201是由击穿电压高达 700V MOS FET和CMOS控制

   图一

单元组合而成的单片集成电路,它的漏极接高频变压器初级和SMAJ100型TVS管。SMAJ100是反向工作电压为100V,最大电流冲击点的箝位电压为162V的电路。 IC201关断时漏极处产生的过压约为300+162V,明显低于700V, SMAJ100有效地保护了 IC201集成电路 。

考虑到大多数仪表产品的体积都比较小,如极东神港自控工程有限公司新推出的BCx2调节仪,它们的正面尺寸为48mmX48mm,48mmX96mm96mmX96mm,而插入屏深仅60mm(JCx系列还有更小的尺寸),在有限的小空间内只能作基本的防护,如上图所示。为了使系统安全可靠,产品说明书中一般都注明,应在外部安装保险丝,如安装一个额定电压250V AC 、额定电流2A5A的时延保险丝。

3   电气设备的浪涌防护

3.1  三相浪涌保护器

下面所说的电气设备指以三相交流供电的电气设备,如,潘登新电源公司的SBW5B无触点稳压器、GGDZ型照明节能配电柜等。对这些设备必须进行三相保护。考虑系统的接地形式,三相浪涌保护器的安装模式有共模接线模式、差模接线模式、3+1接线模式和全模接线模式。前3种模式由34块模块组合而成(图2);共模接线模式保护设备内电路和器件对地的绝缘,差模接线模式保护两个输入端之间的电路和器件。全模式保护模式的接线如图3所示,使用了更多模块,对浪涌经过的所有可能的线路进行保护,保护的效果更好。

               图2

                        图 3

如前所述,若要提高 SPD 的通流容量,应将多只压敏电阻MOV 并联在一起使用。如JOSLYN公司生产的并联MOV阵列三相、单相浪涌保护器。

对于大电流的冲击,单个压敏电阻很可能被击穿,但如果采用汇流排将冲击电流平均分配到并联在某个特定模式上的元件阵列,那么,分摊到每个压敏电阻元件的冲击电流幅度则大幅度降低。比如,SPD并联了由10个压敏电阻元件组成的阵列,对于一个由雷击造成的50kA的冲击电流将被平均分摊到这10个元件上,因此,每个抑制元件只承受5kA的电流冲击,这将使抑制元件因冲击电流发生的自身损耗很小。

当然,多元件阵列结构对制作材料、制作环境、制造工艺和成品筛选等有严格的要求,如,并联的压敏电阻伏安特性应尽量相同,以避免引起分流不均匀而损坏压敏电阻。

3.2   浪涌保护器在SBW5B无触点稳压器中的应用

图4是SBW5B无触点稳压器的原理框图,整机由补偿电路、调压电路、主控板、输入采样电路、输出采样电路、输出控制电路、保护电路、旁路电路,以及浪涌防护器等单元组成。

其工作过程为:当输入电压波动或负载变化时,通过输入输出采样电路获取反馈电压,经与基准电压进行比较判断,然后由主控板输出控制信号,控制调压电路中相应的晶闸管模块导通, 使补偿电路产生极性和大小不同的补偿电压,达到稳定输出电压的目的。同时,主控板还对保护电路和输出控制电路进行控制,产生相应的保护动作和输出控制动作。


                              图 4

        考虑到我国70%以上地区都在多雷区-强雷区,雷电灾害严重;而且,许多人口居住密集和经济较发达的大中城市处在中等以上雷电区,这些地区使用计算机、电子信息产品和电源产品更广泛,遭受雷害的概率很高。 因此,SBW5B无触点稳压器在它的输入端以“全模保护”接线形式安装了浪涌防护器,保护稳压器和稳压器后端的设备,使其免受雷电及电网内部浪涌过电压的损害。

3.3    浪涌保护器在防雷工程中的应用

    雷击的能量非常巨大,需要分级泄放,将这些能量逐步泄放到大地。下面是潘登新电源公司为某医院门诊大楼防雷工程所作的配置方案:考虑到设备的重要性,在总配电柜前端并联接入了采用自动热保护MOV技术的美国伊顿公司的XT100三相电源浪涌保护器,作为第一级保护(雷电通流容量大于或等于100kA),以抑制沿电源线侵入的雷电浪涌过电压和电力系统操作过电压。在各电梯控制柜、水泵控制柜、计算中心、交换机房的电源前端并联接入美国强士林公司1457-21(美国伊顿XT40)型三相电源浪涌保护器,作为第二级防护(雷电通流容量大于或等于40kA),将沿电源线侵入的雷电浪涌过电压和电力系统操作过电压抑制到更低的水平,使各种设备的过电压防护更有保障。美国伊顿XT100防雷器前串接一个62A的三相低压断路器,美国强士林1457-21(美国伊顿XT40)防雷器前串接一个32A的三相低压断路器,以保证防雷器出现故障时能有效地脱离电源线路。


                             图 5

4 结束语

    本文在介绍以MOV构成的浪涌保护器特性的基础上,较详细地介绍了它在保护调节仪表和电气设备中的应用。介绍的内容可供工程技术人员在设计和维护相关产品时参考。

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