第14章电涌保护器(SPD)

613第14章电涌保护器（SPD）1电涌保护器概述1.1信息化催生的新电器--电涌保护器(SPD)电涌保护器是低压电器中的一个新成员，以前一般把它称为低压避雷器，尽管“低压避雷器”的历史已经不短了，但主要作为电子信息产品安全保护用的“电涌保护器”，从一般保护电器中分离出来，形成一个独立的产品分支,，还只有10多年的历史.。电涌保护器的第一份国际技术标准IEC61643-1发表于1998年。从技术的角度讲，电涌保护器是一种以伏安特性为非线性的元件作为主要功能元件，用来抑制瞬时过电压，泄放电涌电流，从而保护电器和电子设备的低压保护电器。它的英文名称叫SurgeProtectiveDevice，简称SPD。瞬时过电压，或者称为浪涌过电压，主要来自三个方面：雷电，电气系统操作和静电，其中雷电是最主要的。据统计，地球上平均每秒钟发生100次左右的雷击放电。这种放电将在以雷击点为中心的大约2Km范围内的电力线和通信信号线上，产生足够高的浪涌电压，它侵入到连接在这些线路上的计算机等信息技术设备和各种电气电子设备上，造成以下三种破坏效果:：第一，干扰设备的正常工作，造成数据丢失或发生工作差错，或使设备暂时丧失正常功能；第二，使某些元器件性能劣化寿命减低；第三，造成某些元器件永久性破坏。严重时，这类干扰和损坏可能导致整个系统工作瘫痪，由此带来的间接损失和连带损失，常常是十分巨大的.。例如，1972年8月，山东境内一次雷击，京沪铁路线十多个车站信号设备受损，造成京沪全线瘫痪[1]。据统计，我国1998-2001年的56次重大雷电灾害(单次直接经济损失超过100万元者)共计直接经济损失14409.8万元,平均每次257.3万元[2]。有人统计了美国排名前1000名的企业因雷击造成的损失，高达一年2亿美元，平均每个企业20万美元。德国一家重要的电子保险公司报道说，因雷电和操作过电压造成的损失理赔，在1984年占理赔总数的8.5%，到1994年上升到35.5%，也就是说十年中翻了二番[3]。这些统计数字的背后反映了这样一些现实：1.现代信息技术产品的基础是集成电路芯片，在芯片集成度越来越高，功能越来越强大的同时，微电子元件的尺寸越来越细微，结果导致它耐受浪涌电流/电压的能力越来越低，对电冲击更加敏感。2.随着人类社会的日趋信息化，信息技术产品快速渗透到国民经济，国防安全，和人民生活的各个方面，产品的数量快速增加，因此浪涌电流/电压导致的损坏事件也呈快速上升的趋势。3.信息和网络产品是现代社会的大脑和神经，它们的故障所带来的经济的，政治的，或军事的损失往往是很大的。中国是世界上雷电灾害严重的国家，正因为这样，政府对防雷减灾高度重视，许多省府已强制规定在一些场所或设施“必须”安装防雷装置，因此中国也是世界上防雷产业发展最快的国家之一。1.2电涌保护器的基本功能SPD是利用了电压/电流特性(V/I特性)为“电压限制特性”的元件来完成抑制瞬时过电压，泄放浪涌电流这样的保护功能的.。所谓电压限制特性是这样一种特性：当该元件两端电压低于它的阈值时，它的阻抗极高(几兆欧或更高)，只有很小的漏电流流过它，实际上处于截止状态；但当电压超过它的阈值时，它的阻抗迅速下降，可小到欧姆级或更小，处于充分导通状态，从而泄放浪涌电流；导通后只要614外加电压低于其阈值，或流过它的电流小于某个“维持电流”，元件便快速恢复到高阻截止状态。这种阻抗变化有“单调变化”和“突跳变化”两种不同的形式(图2.14-1)，因此电压限制特性元件可进一步区分为“钳位型”和“开关型”两种不同类型.用非线性元件构成的SPD的保护功能，可用图2.14-2的例子来说明。这里假定它用的是具有钳位特性的SPD。该图表示了用SPD抑制雷电过电压，分流雷击产生的浪涌电流，保护计算机PC的一个例子。图中220V供电线Lo在A点进入室内，经过一段Ls线后在B点送到计算机PC。在B点，两根电源线的每一根上都对地接了一只用压敏电阻构成的SPD。它们在220V交流峰值电压（220×1.41=310V）下的漏电流，例如为2μA。也就是说它们的对地阻抗相当于310V/2μA=155MΩ，这时SPD呈“关断”状态。如果附近发生雷击放电时，在电源线的入口点A，对地有6000V的瞬时过电压。室内线路Ls对这种瞬时冲击的阻抗Zs假定为3.5Ω，由于压敏电阻在大电流下的阻抗比3.5Ω小得多，因此A点对地会有大约6000V/3.5Ω=1714A的电流，这个电流通过SPD入地，B点的对地电压由压敏电阻的特性所决定，例如大体为900V.。只要PC机的冲击耐压水平高于900V，就不会因这样的雷击而损坏（图2.14-2仅用作原理说明，而不是实用电路）。这个例子告诉我们，一个采用SPD的过电压保护系统，实际上包含了三个基本环节(图2.14-3)：过电压源，保护器件，和被保护对象。保护器件SPD是这个系统的中间环节，它的上游是过电压源，下游是被保护对象。表征过电压源的基本参数是瞬时过电压（或浪涌电流）的峰值，波形，出现频度，以及对SPD呈现的源阻抗等。表征被保护对象的基本参数是冲击耐电压或冲击抗扰度。SPD的任务是在规定的安装现场和规定的工作寿命期内，保证出现在被保护对象上的冲击都小于被保护对象允许的冲击耐电ZsBSPDLoA900VPCLs6000V图2.14-2SPD的保护功能LogULogILogULogILogULogIABCMN(a)钳位型电压限制特性(b)开关型电压限制特性图2.14-1电压限制特性元件的V/I特性615压或冲击抗扰度，且SPD本身能耐受住过电压/电流的应力而不损坏。当我们考察SPD时，都应把它放在这样一个系统中来讨论。图2.14-3采用SPD的过电压保护系统的三个基本环节外部浪涌过电压侵入一台电气/电子设备的途径主要有四个：（1）从该设备的电源线进入；（2）从该设备的信号和数据线侵入；（3）从设备的接地线进入；（4）空间电磁场通过设备外壳侵入设备内部，在设备中产生感应电压。SPD通常设置在电源线入口和信号数据线入口，因此可将SPD区分为电源保护用SPD，和通信信号网络保护用SPD（为简单起见，下面分别称为“电源用SPD”和“信号用SPD”）。1.3SPD的产品特点SPD有以下几个特点是值得注意的：1.与电力避雷器相比，SPD有两个显著的特点：一是在运行中SPD的导通频度远高于避雷器，其原因是电力线和通信线上的浪涌电压Up出现的概率P有如下的规律：npUcP(2.14-1)式中c是个常数，指数n的值大体在1-4之间，随着具体系统和地点的不同而不同[4]。也就是说,浪涌电压的发生概率，随着电压值的降低而激增，因此低电压的SPD在运行中的导通频度远高于高电压的避雷器.；二是SPD的保护对象大多是对浪涌很敏感的电子电气产品，而避雷器的保护对象是电力线路和变压器，电机等电工设备，它们耐浪涌过电压的能力要强得多。2.SPD只是综合防雷措施中的一个环节，也就是说SPD的防雷保护效果,不仅仅取决于它本身，而在很大的程度上受着其他措施正确与否的影响.。防雷措施是包括“D-B-S-E”四个方面的综合技术措施，这四个方面是分流(Dividing),均压(Bonding)，接地(Earthing),和屏蔽(Shielding)。SPD只是综合技术措施中的一项。3.SPD技术是多学科的边缘技术，从图2.14-3可以看出，它既要与冲击源(雷电过电压,操作过电压)配合，又要与被保护对象配合，因此SPD技术工作者要尽可能地掌握与SPD的接入点相关的知识。4.SPD产品正处在迅速发展，日趋成熟的成长期，一方面产品的品种和社会需求量快速增长，另一方面还有许多课题在业界存在着较大争议，有待解决.，随着这些问题的解决和技术和性能的提高，产品技术规范也在不断更新。2SPD的主要功能元件SPD的功能元件，按其功能可区分为电压限制元件和电流限制元件两大类。电压限制元件与被保护对象并联，用来抑制出现在被保护对象上的过电压；电流限制元件与被保护对象串联/并联，用来切断，限制或分流涌入被保护对象的电流。每一个SPD中至少有一只电压限制元件，而电流限制元件只在一部分SPD中才用到，大多数电源用SPD内部没有电流限制元件。这两种功能元件都包含有几个不同的品种，它们的工作原理不同，特性不同，各有其优缺点。懂得这些元件，用好这些元件，是SPD的技术基础。这一节讨论它们的基本工作原理，结构和主要性能参数。下面首先论电压限制元件。图2.14-1已经表明，电压限制元件按其工作特性可区分为钳位（clamping）特性和开关（switching）特性两大类。图2.14-4表示了具有这两类特性的具体元器件的种类。被保护对象(允许冲击耐压)保护器件SPD过电压源(电压峰值,波形,源阻抗)616,图2.14-4,SPD用电压限制元件的种类图2.14-4SPD用电压限制元件的种类图2.14-4电压限制元器件的种类。图2.14-4列出的各种元件不只是用于SPD，在其他方面也有广泛的应用，当它们被用于SPD时，需要对它们的SPD所要求的性能参数作特别要求，而对于与SPD应用无关的项目则可不作要求。现在IEC61643标准系列已对SPD中使用较多的四种元件—MOV（氧化锌压敏电阻器），GDT（气体放电管）,ABD（雪崩击穿二极管）和TSS（晶闸管浪涌抑制器）—制定了专门的“SPD用元件技术规范”。这里我们只对使用最多的钳位特性的压敏电阻器，和开关特性的气体放电管进行讨论。2.1压敏电阻器（MOV）压敏电阻器，顾名思义是指在一定电流电压范围内，电阻值随电压而变，或者是说电阻值对电压敏感的电阻器。在技术文件里，它的英文名称有三个：“Varistor”（variableresistor的合成词），“VoltageDependentResistor”（简写为“VDR”），和“VoltageSensitiveResistor”。现行压敏电阻器的主导品种是以氧化锌为主体材料的“氧化锌压敏电阻器”，因为氧化锌是一种金属氧化物，故也称为金属氧化物压敏电阻器（英文名称MetalOxideVaristor）,简写为“MOV”。用作SPD元件的MOV的技术标准是IEC61643-331.2.1.1MOV的结构和工作原理钳位特性617压敏电阻器是一种用陶瓷工艺生产的化合物半导体元件，它的基本结构如图2.14-5所示。生产企业对外供货的产品形式主要有这样四种：带银电极裸片，焊接了金属引出端的电阻片，带绝缘封装层(环氧树酯,有机硅漆等)的压敏电阻器，和装入塑料外壳中的压敏电阻器。压敏电阻器的钳位型伏安特性，是由它的内部微观结构所产生的。这种元件是以氧化锌（ZnO）为基料，加入氧化铋等多种（一般5-10种）微量添加剂，制成陶瓷体，然后在陶瓷体的两面烧渗银浆电极，再在银电极上焊接引出线(片)，最后进行绝缘封装而成。图2.14-5，MOV的基本结构图2.14-6MOV陶瓷体内部结构模型陶瓷体是由许多粒径为几微米到几十微米的ZnO晶粒构成的集合体，多个晶粒的交汇处有在高温烧成中形成的多种绝缘化合物。这种结构可用图2.14-6的模型来表示。ZnO晶粒是低电阻率（1Ω-cm左右）的导体，相邻两个紧密接触的ZnO晶粒间有一个厚度大体为(30-50)nm的过渡层，它的电阻率极高，且与两側的ZnO晶粒之间形成对自由电子运动起阻挡作用的肖脱基势垒。实际测量得到的势垒电压大体在(2-3.5)V左右。所以一对互相接触的晶粒就相当于一对“背对背”串联的电压为(2-3.5)V的齐纳二极管，就是一个压敏电阻器单元。一只压敏电阻器陶瓷体，实际上是许多串/并联的压敏电阻器单元所构成的网络。从上面的说明可以很自然地推论出MOV的以下特性，记住这些特性有助于正确选用MOV。1.MOV两电极之间串联的单元数，以及总势垒电压，大体上与陶瓷体厚度成正比，而与晶粒尺寸成反比。2.MOV两电极的相对面积越大，并联单元数就越多，承受冲击电流的能力就越大。3.既然MOV的电压大体上与厚度成正比，承受冲击电流的能力大体上与面积成正比，那么它承受功率和能量的能力就大