电涌保护装置 (SPD) 的工作原理

 

SPD 通过转移浪涌电流来限制配电网络上过电压的能力取决于浪涌保护组件、SPD 的机械结构以及与配电网络的连接。 SPD 旨在限制瞬态过电压和转移浪涌电流，或两者兼而有之。 它包含至少一个非线性分量。 简而言之，SPD 旨在限制瞬态过电压，目的是防止由于瞬态电压浪涌到达它们所保护的设备而导致设备损坏和停机。

例如，考虑一个受泄压阀保护的水磨机。 在供水中出现过压脉冲之前，泄压阀不会执行任何操作。 当这种情况发生时，阀门打开并将额外的压力分流到一边，使其不会到达水轮。

如果没有安全阀，过大的压力可能会损坏水轮，或者可能是锯的连杆。 即使安全阀就位并正常工作，一些残余的压力脉冲仍会到达车轮。 但是压力已经降低到不会损坏水轮或中断其运行。 这描述了 SPD 的操作。 它们将瞬变降低到不会损坏或中断敏感电子设备运行的水平。

使用的技术

SPD 中使用了哪些技术？

来自 IEEE 标准C62.72：用于制造 SPD 的一些常见浪涌保护组件是金属氧化物压敏电阻 (MOV)、雪崩击穿二极管 (ABD – 以前称为硅雪崩二极管或 SAD) 和气体放电管 (GDT)。 MOV 是最常用的交流电源电路保护技术。 MOV 的浪涌电流额定值与截面积及其组成有关。 一般来说，截面积越大，器件的浪涌电流额定值就越高。 MOV 通常具有圆形或矩形几何形状，但有多种标准尺寸，范围从 7 毫米（0.28 英寸）到 80 毫米（3.15 英寸）。 这些浪涌保护组件的浪涌电流额定值差异很大，并且取决于制造商。 正如本节前面所讨论的，通过连接并联阵列中的 MOV，可以通过简单地将各个 MOV 的额定浪涌电流相加以获得阵列的额定浪涌电流来计算浪涌电流值。 这样做时，应考虑协调所选 MOV 的操作特性。

金属氧化物压敏电阻 - MOV

关于什么组件、什么拓扑结构以及特定技术的部署可以产生用于分流浪涌电流的最佳 SPD，存在多种假设。 最好围绕性能测试数据来讨论浪涌电流额定值、额定放电电流额定值或浪涌电流能力，而不是提供所有选项。 无论设计中使用的组件或部署的特定机械结构如何，重要的是 SPD 具有适合应用的浪涌电流额定值或标称放电电流额定值。

下面是对这些组件的更广泛的描述。 SPD 中使用的组件差异很大。 以下是这些组件的示例：

  • 金属氧化物压敏电阻 (MOV)

通常，MOV 由带有合适添加剂的烧结氧化锌的圆形或矩形体组成。 使用的其他类型包括管状和多层结构。 压敏电阻具有由银合金或其他金属组成的金属颗粒电极。 根据所使用的金属，电极可能已经通过筛选和烧结或通过其他工艺施加到身体上。 压敏电阻通常还具有可能已焊接到电极上的导线或接头引线或某些其他类型的终端。

MOV 的基本导电机制源于在烧结过程中形成的氧化锌晶粒边界处的半导体结。 压敏电阻可以被认为是一种多结器件，其中许多晶粒在端子之间以串并联组合方式起作用。 典型压敏电阻的横截面示意图如图 1 所示。

MOV微结构示意图

压敏电阻的特性是在其端子上保持相对较小的电压变化，而流过它们的浪涌电流在几十年的幅度内变化。 这种非线性作用使它们能够在跨线路并联连接时转移浪涌电流，并将线路两端的电压限制为保护连接到该线路的设备的值。

  • 雪崩击穿二极管 (ADB)

这些器件也称为硅雪崩二极管 (SAD) 或瞬态电压抑制器 (TVS)。 PN 结击穿二极管的基本形式是由阳极 (P) 和阴极 (N) 组成的单个 PN 结。 参见图 2a。 在直流电路应用中，保护器被反向偏置，从而将正电位施加到器件的阴极 (N) 侧。 参见图 2b。

图2 雪崩二极管的基本形式

雪崩二极管具有三个工作区域，1）正向偏置（低阻抗），2）关断状态（高阻抗），和 3）反向偏置击穿（相对低阻抗）。 这些区域可以在图 3 中看到。在 P 区域上具有正电压的正向偏置模式下，一旦电压超过正向偏置二极管电压 VFS，二极管就会具有非常低的阻抗。 VFS 通常小于 1 V，定义如下。 关断状态从 0 V 延伸到 N 区域的正 VBR 以下。 在该区域中，流动的唯一电流是低击穿电压二极管的温度相关漏电流和齐纳隧道电流。 反向偏置击穿区从 N 区的正 VBR 开始。 在 VBR 处，穿过结的电子被结区中的高场充分加速，电子碰撞导致产生电子和空穴的级联或雪崩。 结果是二极管的电阻急剧下降。 正向偏压和反向偏压击穿区域均可用于保护。

图3 PN结击穿二极管IV特性

雪崩二极管的电气特性本质上是不对称的。 还生产由背对背结组成的对称雪崩二极管保护产品。

  • 气体放电管（GDT）

气体放电管由两个或多个由小间隙隔开并由陶瓷或玻璃圆柱体固定的金属电极组成。 圆柱体内充满惰性气体混合物，当向电极施加足够的电压时，该混合物会产生辉光放电，最终形成电弧状态。

当间隙上缓慢上升的电压达到主要由电极间距、气体压力和气体混合物决定的值时，导通过程在击穿（击穿）电压处开始。 一旦发生跳火，根据外部电路，各种操作状态都是可能的。 这些状态如图 4 所示。在小于辉光到电弧过渡电流的电流下，存在辉光区。 在辉光区的低电流下，电压几乎是恒定的； 在高辉光电流下，某些类型的气管可能会进入电压升高的异常辉光区。 在这个异常辉光区之外，气体放电管阻抗在过渡区降低到低压电弧状态。 电弧到辉光过渡电流可以低于辉光到电弧过渡电流。 GDT 电气特性与外部电路一起决定了 GDT 在通过浪涌后熄灭的能力，也决定了浪涌期间避雷器中耗散的能量。

如果施加的电压（例如瞬态）迅速上升，电离/电弧形成过程所花费的时间可能会使瞬态电压超过上一段中击穿所需的值。 该电压被定义为脉冲击穿电压，通常是外加电压（瞬态）上升率的正函数。

单室三电极 GDT 有两个腔，由中心环形电极隔开。 中心电极中的孔允许来自导电腔的气体等离子体在另一个腔中启动导电，即使另一个腔电压可能低于击穿电压。

由于其开关动作和坚固的结构，GDT 的载流能力可以超过其他 SPD 组件。 许多电信 GDT 可以轻松承载高达 10 kA（8/20 µs 波形）的浪涌电流。 此外，根据 GDT 的设计和尺寸，可以实现 >100 kA 的浪涌电流。

气体放电管的结构使得它们具有非常低的电容——通常小于 2 pF。 这允许它们在许多高频电路应用中使用。

当 GDT 运行时，它们可能会产生高频辐射，这会影响敏感的电子设备。 因此，将 GDT 电路放置在距电子设备一定距离的位置是明智的。 距离取决于电子设备的灵敏度以及电子设备的屏蔽程度。 避免这种影响的另一种方法是将 GDT 放置在屏蔽外壳中。

图 4 典型的 GDT 伏安特性

GDT 的定义

一个或多个带有两个或三个金属电极的间隙密封，以便气体混合物和压力得到控制，旨在保护设备或人员或两者免受高瞬态电压的影响。

Or

封闭放电介质中的一个或多个间隙，大气压下的空气除外，旨在保护设备或人员或两者免受高瞬态电压的影响。

  • LCR 过滤器

这些组件的不同之处在于：

  • 能源能力
  • 可用性
  • 可靠性
  • 成本
  • 效用

来自 IEEE Std C62.72：SPD 通过转移浪涌电流来限制配电网络上过电压的能力取决于浪涌保护组件、SPD 的机械结构以及与配电网络的连接。 用于制造 SPD 的几种常见浪涌保护组件是 MOV、SASD 和气体放电管，其中 MOV 使用量最大。 MOV 的浪涌电流额定值与截面积及其组成有关。 一般来说，截面积越大，器件的浪涌电流额定值就越高。 MOV 通常具有圆形或矩形几何形状，但有多种标准尺寸，范围从 7 毫米（0.28 英寸）到 80 毫米（3.15 英寸）。 这些浪涌保护组件的浪涌电流额定值差异很大，并且取决于制造商。 通过以并联阵列连接 MOV，可以通过简单地将各个 MOV 的额定电流相加以获得阵列的额定浪涌电流来计算理论额定浪涌电流。

关于什么组件、什么拓扑结构以及特定技术的部署可以产生用于分流浪涌电流的最佳 SPD，存在多种假设。 与其提出所有这些论点并让读者解读这些主题，不如围绕性能测试数据来讨论额定浪涌电流、额定放电电流或浪涌电流能力。 无论设计中使用的组件或部署的特定机械结构如何，重要的是 SPD 具有适合应用的额定浪涌电流或额定放电电流，而且可能最重要的是，SPD 限制瞬变考虑到预期的浪涌环境，过电压达到防止损坏被保护设备的水平。

基本操作模式

大多数 SPD 具有三种基本操作模式：

  • 等待
  • 分流

在每种模式下，电流都会流过 SPD。 然而，可能无法理解的是，每种模式中可能存在不同类型的电流。

等待模式

在配电系统内提供“清洁电源”的正常电源情况下，SPD 执行的功能最少。 在等待模式下，SPD 正在等待发生过压并且消耗很少或不消耗交流电源； 主要用于监控电路。

分流模式

检测到瞬态过压事件后，SPD 会变为分流模式。 SPD 的目的是将破坏性脉冲电流从关键负载转移，同时将其产生的电压幅度降低到低、无害的水平。

根据 ANSI/IEEE C62.41.1-2002 的定义，典型的电流瞬变仅持续一个周期的一小部分（微秒），与 60Hz 正弦信号的连续流相比，这是一个时间片段。

60hz 瞬态

浪涌电流的大小取决于其来源。 例如，雷击在极少数情况下可能包含超过数十万安培的电流量级。 然而，在设施内，内部产生的瞬态事件会产生较低的电流幅度（小于几千或几百安培）。

由于大多数 SPD 设计用于处理大浪涌电流，因此一项性能基准是产品经过测试的额定放电电流额定值 (In)。 经常与故障电流混淆，但无关紧要，这种大电流幅度表明产品经过测试的重复耐受能力。

来自 IEEE 标准C62.72：标称放电电流额定值使 SPD 能够承受选定值的重复电流浪涌（总共 15 次浪涌），而不会损坏、降级或测量 SPD 的限制电压性能发生变化。 标称放电电流测试包括整个 SPD，包括所有浪涌保护组件和内部或外部 SPD 隔离开关。 试验期间，不允许任何元件或隔离开关发生故障、开路、损坏或退化。 为了达到特定的额定值，在测试前和测试后的比较之间必须保持所测得的 SPD 的限制电压性能水平。 这些测试的目的是展示 SPD 响应浪涌的能力和性能，这些浪涌在某些情况下很严重，但可能会出现在服务设备、设施内或安装位置。

例如，每个模式标称放电电流容量为 10,000 或 20,000 安培的 SPD 意味着该产品在每种保护模式下应能够安全地承受 10,000 或 20,000 安培的瞬态电流幅度至少 15 次。

生命终结情景

来自 IEEE Std C62.72：对 SPD 长期可靠性的最大威胁可能不是浪涌，而是 PDS 上可能发生的重复瞬时或暂时过电压（TOV 或“膨胀”）。 具有 MCOV 的 SPD 非常接近标称系统电压，更容易受到此类过电压的影响，这可能导致 SPD 过早老化或过早报废。 常用的经验法则是确定 SPD 的 MCOV 是否至少为每种特定保护模式的标称系统电压的 115%。 这将使 SPD 不受 PDS 正常电压变化的影响。

然而，除了持续的过压事件外，由于浪涌超过 SPD 的浪涌电流额定值、浪涌事件的发生率、浪涌持续时间，SPD 可能会随着时间的推移老化、退化或达到其服务终止状态，或这些事件的组合。 在一段时间内发生显着振幅的重复浪涌事件可能会使 SPD 组件过热并导致浪涌保护组件老化。 此外，重复的浪涌会导致热激活的 SPD 隔离开关由于浪涌保护组件的加热而过早运行。 SPD 的特性在达到其服务终止条件时会发生变化——例如，测得的限制电压可能会增加或减少。

为了避免浪涌引起的性能下降，许多 SPD 制造商通过使用物理上更大的组件或通过并联多个组件来设计具有高浪涌电流能力的 SPD。 这样做是为了避免超出 SPD 作为一个组件的额定值的可能性，除非在非常罕见和特殊的情况下。 这种方法的成功得益于以这种方式设计的现有 SPD 的长使用寿命和历史。

关于 SPD 协调，正如关于浪涌电流额定值所述，将浪涌电流额定值较高的 SPD 放置在 PDS 最容易受到浪涌影响的服务设备上以帮助防止过早老化是合乎逻辑的； 同时，远离未暴露于外部浪涌源的服务设备的 SPD 可能具有较低的评级。 通过良好的浪涌保护系统设计和协调，可以避免 SPD 过早老化。

SPD 故障的其他原因包括：

  • 安装错误
  • 误用产品的额定电压
  • 持续过压事件

当抑制组件出现故障时，它通常会短路，导致电流开始流过故障组件。 可流经该故障组件的电流量是可用故障电流的函数，并由电力系统驱动。 有关故障电流的更多信息，请访问 SPD 安全相关信息。