防雷器中使用的元器件
電源避雷器中的雷電能量吸收，主要是氧化鋅壓敏電阻和氣體放電管。
氧化鋅壓敏電阻是限壓型保護器件，沒有脈沖電壓時呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，一旦響應脈沖電壓，立即將電壓限制到一定值，其阻抗突變?yōu)榈妥锠顟B(tài)。與氣體放電管比較，它最大的優(yōu)點是當它吸收脈沖電壓時因殘壓高于工作電壓，不會造成電源的瞬間短路，也不會產(chǎn)生續(xù)流。氧化鋅壓敏電阻的響應時間比氣體放電管快。氣體放電管的擊穿電壓對脈沖電壓的上升速率十分敏感，電壓上升速率越快，點火電壓越高，響應時間越快。能夠正確選擇壓敏電阻和氣體放電管這二類元器件，并利用它們各自的優(yōu)點進行組合的電源避雷器，其整機性能相對較好。電源避雷器中要求氧化鋅壓敏電阻，具有優(yōu)良的能量耐受特性，而能量耐受特性主要用額定雷電沖擊電流、最大雷電沖擊電流和能量耐量三大指標來描述，這些特性與氧化鋅壓敏電阻的表面積有關，和元件的散熱條件有關。同一種規(guī)格的壓敏電阻，由于不同廠家的制造工藝、原料配方不同，其能量耐受能力會相差很大。
氣體放電管具有很強的承受大能量沖擊的能力，但在具體使用時，由于氣體放電管在放電時殘壓極低，近似于短路狀態(tài)，因此不能單獨在電源避雷器中使用，氣體放電管的耐流能力與管徑有關，管徑越大，耐流能力越好。氣體放電管的質(zhì)量問題主要表現(xiàn)為慢性漏氣，長時間使用的可靠性問題（即遭受多次雷電沖擊后，直流擊穿電壓值發(fā)生偏移），光敏效應和離散性較大。雖然近年來國產(chǎn)的氣體放電管有了較大的改進，質(zhì)量在逐步提高，但整體質(zhì)量問題仍然存在，特別是可靠性問題和慢性漏氣問題。因此電源避雷器中選擇進口名牌氣體放電管的產(chǎn)品應作為首選，且氣體放電管的管徑在Ф8㎜以上為好。
電源避雷器中的電容器和熱熔保險絲的選擇也很重要。電源避雷器長期工作在電網(wǎng)中，由于電容器的質(zhì)量問題造成電源避雷器整機損壞的事例很多，因此，電容器的耐壓選擇很重要，特別是耐受脈沖高電壓的沖擊能力。相比之下，國外產(chǎn)品好于國內(nèi)產(chǎn)品，日立公司，OKAYA公司的電容器質(zhì)量為上好。電源避雷器中的熱熔保險絲的作用是當雷電流超過電源避雷器最大承受能力時，由于過流作用，可使保險絲斷開，同時由于過截使氧化鋅壓敏電阻溫度上升亦可使保險絲斷開，起到過流和溫度雙重保護作用。由于電源避雷器常態(tài)工作條件下，電流非常小，只是在雷電沖擊或脈沖電壓沖擊時，在瞬態(tài)條件下起保護作用，因此與常規(guī)熱熔保險絲的使用條件有所區(qū)別，所以，電源避雷器中的熱熔保險絲應有獨特性能，即在瞬態(tài)條件下的熔斷特性。
先進的設計方案
避雷器的設計方案有了良好的元器件，先進的設計方案是確保電源避雷器質(zhì)量的必要條件。根據(jù)對國內(nèi)外產(chǎn)品的分析比較，在設計電源避雷器時應充分考慮以下幾個方面問題。電源避雷器耐雷電電流沖擊等級的合理定位，即電源避雷器額定浪涌電流值和最大浪涌電流值的確定�，F(xiàn)在市場上有些電源避雷器的廠商，為了廣告宣傳和產(chǎn)品競爭等商業(yè)行為，隨意提高耐雷電電流沖擊的等級，這是一種對用戶極不負責的態(tài)度。雷擊災害對現(xiàn)代電子設備具有極大的破壞性。某一地區(qū)雷電電流的大小，由于地理環(huán)境、氣象條件和電子設備電源接線方式等諸多不確定因素，很難用一個數(shù)字量來確定，因此，廠家對電源避雷器的設計應有較大的余量。一般浪涌電流的設計應是該電源避雷器最大浪涌電流值的一倍，而最大浪涌電流值又應是該電源避雷器額定浪涌電流值的一倍，這樣的設計余量才是對用戶負責的態(tài)度。在廠家設計的具體線路中，應采用多路浪涌電流吸收的冗余式電路結構，即當某一路浪涌電流吸收回路由于某元器件損壞，自動退出電源避雷器的整機電路，不影響整個電源避雷器的正常工作。由于采用上述的設計余量，即使出現(xiàn)一路、甚至二路吸收回路退出整體電路，也不影響整個電源避雷器的防雷能力。這種冗余設計方案將大大地提高電源避雷器的可靠性，是多雷區(qū)電源線路防雷的首選防護設備。
生產(chǎn)工藝和質(zhì)量管理體系方面
合理科學的生產(chǎn)工藝是確保電源避雷器質(zhì)量的保證條件。在電源避雷器的生產(chǎn)工藝上，生產(chǎn)廠家應注意以下幾個方面的問題。濕熱一直是壓敏電阻失效的一個重要原因，其表現(xiàn)出來的現(xiàn)象是壓敏電阻在受長期潮濕環(huán)境的影響下，其泄露電流明顯上升，壓敏電壓值明顯下降。對于整個電源避雷器來講，由于潮濕環(huán)境的影響，一旦電網(wǎng)中出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓或雷電電流的沖擊，很可能造成局部短路而損壞的現(xiàn)象。由于雷雨季
節(jié)往往是一個濕熱的氣象環(huán)境條件，因此電源避雷器的防濕熱工藝顯得非常重要。通常廠家采用環(huán)氧樹脂灌封的生產(chǎn)工藝。有些廠家能在環(huán)氧樹脂灌封的過程中進行真空抽氣，則效果更好。因此，在選擇電源避雷器時，除觀看廠家的元器件的選擇，設計方案和生產(chǎn)工藝外，質(zhì)量管理方面也很重要。這包括元器件采購、保管、檢驗、組裝、老化、殘壓和泄露電流的測試制度、安全制度等方面。
綜上，選擇質(zhì)量優(yōu)良的電源避雷器，不能只停留在廠家的廣告宣傳上，還應到廠家針對上述幾個方面去看一看，特別是關鍵元器件的選擇、設計方案、生產(chǎn)工藝是了解的重點。除此之外，當?shù)氐臍庀髼l件、年雷暴日數(shù)和雷暴造成財產(chǎn)損失的情況也應和選擇電源避雷器的防護級別進行綜合考慮。
編輯本段
設計原理
針對現(xiàn)在市場上出現(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,到現(xiàn)在為止,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。
防雷器元件從響應特性看,有軟硬兩種。屬于硬響應特性的放電元件有火花間隙(基于斬弧技術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、響應特性和殘壓,避雷器就是利用它們不同的優(yōu)缺點,揚長避短,組合成各種避雷器,保護電路。
火花間隙(Arc chopping)
1、放電間隙:原理是兩個如牛角現(xiàn)狀的電極,距離很短,用絕緣材料分開,當兩個電極間的電場強度達到擊穿強度時,電極之間形成電流通路。當雷電波來到的時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,而此時間隙兩端的電壓很低,從而達到保護線路的目的。電場強度低于擊穿間隙時,放電間隙型避雷器又恢復絕緣狀態(tài)。常用于高壓線路的避雷防護中。在低壓系統(tǒng),常用于電源的前級保護。
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:具有很強放電能力、通流量大,10/350μs脈沖波形能夠疏導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。對正常工作的設備不會帶來任何有害影響。
缺點:殘壓高(2.5~3.5KV),反應時間長(≦100ns),動作電壓精度較低,有工頻續(xù)流,因此在保護電路中應串聯(lián)一個熔斷器,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回路的兩根導線上,有時會不同時放電,使兩導線之間出現(xiàn)電位差,為了使兩根導線上的放電管能接近統(tǒng)一時間放電,減少兩線之間的電位差,又研制了三級放電管�？梢钥醋魇怯蓛芍欢壏烹姽芎喜⒃谝黄饦嫵傻�。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),開關型的保護元件,有二電極和三電極兩種結構。當電場強度達到擊穿惰性氣體強度時,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10KA。放電電壓不穩(wěn)定,當電壓大于12V、電流電壓100mA時,會產(chǎn)生后續(xù)電流。通常用于測量、控制、調(diào)節(jié)技術電路和電子數(shù)據(jù)處理傳輸電路中。
金屬氧化物壓敏電阻
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體非線性電阻,當加在電阻兩端的電壓小于壓敏電壓時,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);當加在壓敏電阻兩端的電壓大于壓敏電壓時,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)是可以恢復的,當高于壓敏電壓的電壓被撤銷以后,它又恢復高阻狀態(tài)。當電力線被雷擊時,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,現(xiàn)在市場上流通很多,我國在20世紀80年代末才大批生產(chǎn),被認為目前最新型、技術最先進,會做專題詳細介紹�，F(xiàn)在我國的輸電線路的避雷器,都采用氧化鋅避雷器。
優(yōu)點:開關電壓范圍寬:6V~1.5KV,反應速度快(25ns),殘壓低(可以達到終端設備的安全工作電壓),通流量大(2KA/cm2),無續(xù)流,壽命長。
缺點:容易老化,動作幾次后,漏電流會增大,從而導致壓敏電阻過熱,最終導致老化失效。
電容較大,許多情況下不在高頻、超高頻系統(tǒng)中使用。該電容又與導線電容構成一個低通。該低通會造成信號的嚴重衰減。但在頻率低于30KHZ時,這種衰減可以忽略。
瞬態(tài)抑制式二極管
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,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可在正反兩個方向吸收瞬時大脈動功率,并把電壓鉗制在預定水平。適用于交流電路。
優(yōu)點:動作時間極快,達到皮秒級。限制電壓低,擊穿電壓低,應用于各種電子領域。
缺點:電流負荷量小,電容相當高,一般在20pF以下,現(xiàn)在的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,實現(xiàn)可靠保護。氣體放電管一般放在線路輸入端作為一級浪涌保護器件,承受大的浪涌電流,屬于泄流型器件。二級保護器件采用壓敏電阻,可在極短時間內(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。在更短的時間內(nèi)將浪涌電壓限制在末端電子設備的絕緣水平以內(nèi)。如圖,當雷電等浪涌到來時,抑制二極管首先導通,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。當三種器件在線路中的距離較遠時,導通順序會從氣體放電管開始,依次導通。
避雷器的工作,是從反應時間最快、設備的最末端開始的,然后逐級往前端啟動的。
單純用氣體放電管保護后端的設備會出現(xiàn)下列問題:導通時間過長,殘壓過大,有可能超過后端設備的耐壓水平。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間為氣體放電管的導通時間和壓敏電阻導通時間的總和。假設氣體放電管的導通時間為100ns,壓敏電阻的導通時間為25ns,則它們總的反應時間為125ns。為了減小反應時間,在電路中并入一個壓敏電阻,這樣可使總的反應時間為25ns。
:當過電壓出現(xiàn)時,抑制二極管作為動作最快的元件首先動作,線路設計為,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水平的條件下利用放電器動作迅速的優(yōu)點,同時還可以達到很高的放電電容。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)流時頻繁切斷電路的缺點。
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:在兩根的導線上,安裝兩個二極放電管,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,導通時間從第一級開始逐級向后導通。
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,導致避雷器無法切實保護設備。這點在工程設計中一定要引起注意。
防雷器的作用是用來保護電力系統(tǒng)中各種電器設備免受雷電過電壓、操作過電壓、工頻暫態(tài)過電壓沖擊而損壞的一種電器。防雷器的類型主要有保護間隙、閥型防雷器和氧化鋅防雷器。保護間隙主要用于限制大氣過電壓，一般用于配電系統(tǒng)、線路和變電所進線段保護。閥型防雷器與氧化鋅防雷器用于變電所和發(fā)電廠的保護，在500KV及以下系統(tǒng)主要用于限制大氣過電壓，在超高壓系統(tǒng)中還將用來限制內(nèi)過電壓或作內(nèi)過電壓的后備保護。
