電湧保護器概述（交流和直流電源，數據線，同軸，燃氣管）

電湧保護設備（或電湧抑制器或電湧分流器）是一種旨在保護電氣設備免受電壓尖峰影響的設備或設備。 電湧保護器試圖通過阻止或短路任何高於安全閾值的有害電壓來限制提供給電氣設備的電壓。 本文主要討論與將電壓尖峰轉移（短路）到地面的保護器類型相關的規格和組件。 但是，其他方法也有所涵蓋。

帶有內置電湧保護器和多個插座的電源條
術語電湧保護設備（SPD）和瞬態電壓電湧抑制器（TVSS）用於描述通常安裝在配電板，過程控制系統，通信系統和其他重型工業系統中的電氣設備，目的是防止電湧和尖峰，包括閃電引起的浪湧和尖峰。 這些設備的按比例縮小版本有時會安裝在住宅服務入口的配電盤中，以保護家庭中的設備免遭類似的危害。

交流電湧保護器概述

瞬態過電壓概述

電子設備以及電話和數據處理系統的用戶必鬚麵對使該設備運行的問題，儘管雷電會引起瞬態過電壓。 造成這種情況的原因有很多：（1）電子組件的高度集成使設備更加脆弱；（2）服務中斷是不可接受的；（3）數據傳輸網絡覆蓋了大面積區域，並且受到了更多的干擾。

瞬態過電壓有三個主要原因：

• 閃電
• 工業和開關浪湧
• 靜電放電（ESD）

閃電

自本傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin）在1749年進行首次研究以來，對閃電進行了調查，自相矛盾的是，它對我們高度電子化的社會構成了越來越大的威脅。

閃電形成

在兩個帶相反電荷的區域之間（通常在兩個暴風雲之間或一個雲與地面之間）會產生閃電。

閃光燈可能會走幾英里，以連續的跳躍向地面前進：領導者創造了一個高度電離的通道。 當它到達地面時，會發生真正的閃光或回程。 然後，數万安培的電流將通過電離通道從地面流到雲，反之亦然。

直接雷電

在放電時，有一個脈衝電流，其峰值範圍為1,000至200,000安培，上升時間約為幾微秒。 這種直接作用是電氣和電子系統損壞的一小部分，因為它高度局限。
最好的保護仍然是經典的避雷針或避雷系統（LPS），旨在捕獲放電電流並將其傳導到特定點。

間接影響

間接雷電影響分為三種：

對架空線的影響

這樣的線路非常裸露，可能被雷電直接擊中，這將首先部分或完全破壞電纜，然後引起高浪湧電壓，這些浪湧電壓自然地沿著導體傳播到與線路連接的設備上。 損壞程度取決於觸擊與設備之間的距離。

地電位上升

閃電在地面中的流動會導致接地電位的增加，該電位會根據電流強度和當地的接地阻抗而變化。 在可能連接到多個地面（例如建築物之間的鏈路）的安裝中，罷工將引起很大的電位差，並且連接到受影響網絡的設備將被破壞或嚴重破壞。

電磁輻射

可以將閃光燈視為幾英里高的天線，它承載著十分之幾千安培的脈衝電流，會輻射出強烈的電磁場（在超過1 km時幾千kV / m）。 這些場會在設備附近或設備上的線路中感應出很強的電壓和電流。 這些值取決於距閃光燈的距離和鏈接的屬性。

工業浪潮
工業浪湧涵蓋了由打開或關閉電源引起的現象。
工業激增是由以下原因引起的：

• 起動電動機或變壓器
• 霓虹燈和鈉燈啟動器
• 開關電源網絡
• 開關感應電路中的“反彈”
• 保險絲和斷路器的操作
• 電源線下降
• 接觸不良或間歇

這些現象會產生幾千kV的瞬態信號，其上升時間約為微秒，這會擾動連接了乾擾源的網絡中的設備。

靜電過電壓

在電學上，人的電容範圍為100至300皮法拉，並且可以通過在地毯上行走來拾取高達15kV的電荷，然後觸摸一些導電物體並在幾微秒內放電，電流約為XNUMX安培。 所有集成電路（CMOS等）都非常容易受到這種干擾的影響，通常可以通過屏蔽和接地來消除這種干擾。

過電壓的影響

按重要性降序，過電壓會對電子設備產生多種類型的影響：

破壞：

• 半導體結的電壓擊穿
• 破壞元件的結合
• 破壞PCB或觸點的走線
• dV / dt破壞試驗/晶閘管。

干擾操作：

• 鎖存器，晶閘管和三端雙向可控矽開關的隨機操作
• 清除記憶
• 程序錯誤或崩潰
• 數據和傳輸錯誤

早衰：

暴露於過電壓的組件的壽命較短。

電湧保護器件

電湧保護器件（SPD）是解決過壓問題的公認且有效的解決方案。 但是，為了獲得最大的效果，必鬚根據應用程序的風險來選擇它，並根據現有技術規則進行安裝。

直流電源電湧保護器概述

背景和保護注意事項

公用設施互動式或併網太陽能光伏（PV）系統是非常苛刻且成本高昂的項目。 他們通常要求太陽能光伏系統要運行幾十年才能產生理想的投資回報。
許多製造商將保證系統使用壽命超過20年，而逆變器通常只能保證5至10年。 所有成本和投資回報都是根據這些時間段計算的。 但是，由於這些應用程序的暴露性質以及其與AC公用電網的互連，許多光伏系統尚未達到成熟。 帶有金屬框架並安裝在露天或屋頂上的太陽能光伏陣列可作為很好的避雷針。 因此，謹慎地購買電湧保護器或SPD可以消除這些潛在威脅，從而最大程度地延長系統預期壽命。 全面的電湧保護系統的成本不到系統總支出的1％。 確保使用UL1449第4版的組件和類型1組件（1CA），以確保您的系統具有市場上最好的浪湧保護。

要分析安裝的完整威脅級別，我們必須進行風險評估。

• 運營中的停機風險–雷電嚴重且市電不穩定的區域更加脆弱。
• 功率互連風險–太陽能光伏陣列的表面積越大，直接和/或感應雷電浪湧的風險就越大。
• 應用表面積風險–交流電網可能是開關瞬變和/或感應雷電浪湧的來源。
• 地理風險–系統停機的後果不僅限於設備更換。 額外的損失可能來自訂單丟失，閒散的工人，加班，客戶/管理人員不滿意，加快的運費和加快的運輸成本。

推薦做法

1）接地系統

電湧保護器將瞬變電流旁路到接地系統。 具有相同電勢的低阻抗接地路徑對於電湧保護器的正常運行至關重要。 所有電源系統，通信線路，接地的和不接地的金屬物體都需要等電位聯結，以使保護方案有效地工作。

2）從外部光伏陣列到電氣控制設備的地下連接

如有可能，外部太陽能光伏陣列與內部電源控制設備之間的連接應置於地下或電屏蔽層，以限制直接雷擊和/或耦合的風險。

3）協調保護計劃

所有可用的電源和通信網絡都應採用浪湧保護來解決，以消除光伏系統的漏洞。 這將包括主交流市電電源，逆變器交流輸出，逆變器直流輸入，PV串組合器以及其他相關數據/信號線，例如千兆以太網，RS-485、4-20mA電流環路，PT-100，RTD和電話調製解調器。

數據線電湧保護設備概述

數據線概述

電信和數據傳輸設備（PBX，調製解調器，數據終端，傳感器等）越來越容易受到雷電引起的電壓浪湧的影響。 由於它們可能跨多個不同的網絡進行連接，因此它們變得更加敏感，複雜，並且對誘發電湧的脆弱性增加。 這些設備對於公司的通信和信息處理至關重要。 因此，請確保他們免受這些潛在的代價高昂和破壞性事件的影響。 串聯安裝在敏感設備正前方的數據線電湧保護器將延長其使用壽命，並保持信息流的連續性。

電湧保護器技術

所有LSP電話和數據線電湧保護器均基於可靠的多級混合電路，該電路結合了重型氣體放電管（GDT）和快速響應的矽雪崩二極管（SAD）。 這種電路可提供

• 5kA標稱放電電流（15次無破壞，符合IEC 61643）
• 小於1納秒的響應時間
• 故障安全斷開系統
• 低電容設計最大程度地減少了信號損耗

選擇電湧保護器的參數

要為您的安裝選擇正確的電湧保護器，請牢記以下幾點：

• 額定和最大線電壓
• 最大線電流
• 行數
• 數據傳輸速度
• 連接器類型（螺絲端子，RJ，ATT110，QC66）
• 安裝（DIN導軌，表面安裝）

安裝過程

為了有效，必須按照以下原則安裝電湧保護器。

電湧保護器和被保護設備的接地點必須連接在一起。
保護裝置安裝在設備的服務入口處，以盡快轉移脈衝電流。
電湧保護器必須安裝在距離受保護設備不到90英尺或30米以內的位置。 如果不能遵循此規則，則必須在設備附近安裝輔助電湧保護器。
接地導體（在保護器的接地輸出和安裝連接電路之間）必須盡可能短（小於1.5英尺或0.50米），並且橫截面積至少為2.5平方毫米。
接地電阻必須遵守當地的電氣規範。 無需特殊接地。
受保護的電纜和未受保護的電纜必須分開放置，以限制耦合。

規格

通信線路電湧保護器的測試標準和安裝建議必須符合以下標準：

UL497B：數據通信和火警電路保護器
IEC 61643-21：通信線路電湧保護器的測試
IEC 61643-22; 通信線路電湧保護器的選擇/安裝
NF EN 61643-21：通信線路電湧保護器的測試
指南UTE C15-443：電湧保護器的選擇/安裝

特殊條件：防雷系統

如果要保護的建築物配備了LPS（防雷系統），則需要對安裝在建築物服務入口處的電信或數據線路的電湧保護器進行測試，使其具有至少10 / 350us的直接雷電衝擊波形浪湧電流為2.5kA（D1類測試IEC-61643-21）。

同軸電湧保護器概述

無線電通信設備保護

部署在固定，游牧或移動應用中的無線電通信設備特別容易受到雷擊，因為它們在裸露區域中使用。 對服務連續性的最常見中斷是由瞬態電湧引起的，瞬態電湧是由對天線桿，周圍的接地系統的直接雷擊或在這兩個區域之間的連接上引起的。
CDMA，GSM / UMTS，WiMAX或TETRA基站中使用的無線電設備必須考慮這種風險，以確保服務不中斷。 LSP為射頻（RF）通信線路提供了三種特定的電湧保護技術，分別適用於每個系統的不同操作要求。

射頻電湧保護技術
氣管直流通過保護
P8AX系列

氣體放電管（GDT）直流通過保護是唯一可用於超高頻傳輸（高達6 GHz）的電湧保護組件，因為它的電容非常低。 在基於GDT的同軸電湧保護器中，GDT並聯連接在中心導體和外部屏蔽之間。 該設備在達到其擊穿電壓時，在過壓狀態下運行，並且線路短暫短路（電弧電壓）並從敏感設備轉移開來。 跳火電壓取決於過電壓的上升前沿。 過電壓的dV / dt越高，電湧保護器的擊穿電壓就越高。 當過電壓消失後，氣體放電管將返回其正常的被動高度絕緣狀態，並準備再次運行。
GDT固定在專門設計的支架中，該支架可在發生大的電湧事件時最大程度地傳導電流，如果由於使用壽命終止而需要維護，則仍很容易移除。 P8AX系列可用於運行DC電壓高達-/ + 48V DC的同軸線上。

混合保護
DC Pass – CXF60系列
直流阻塞– CNP-DCB系列

混合式直流通過保護是過濾組件和重型氣體放電管（GDT）的結合。 這種設計可提供出色的低殘留允許通過電壓，以防止由於電瞬變引起的低頻干擾，並且仍然具有高浪湧放電電流能力。

四分之一波直流阻斷保護
PRC系列

四分之一波隔直保護是一個有源帶通濾波器。 它沒有活動的組件。 而是將主體和相應的短截線調諧到所需波長的四分之一。 這僅允許特定的頻帶通過本機。 由於閃電僅在很小的頻譜（從幾百kHz到幾MHz）上運行，因此它和所有其他頻率都接地短路。 可以根據應用選擇非常窄帶或寬帶的PRC技術。 浪湧電流的唯一限制是關聯的連接器類型。 通常，一個7/16 Din連接器可以處理100kA 8 / 20us，而一個N型連接器可以處理高達50kA 8 / 20us。

規格

UL497E –天線引入導體保護器

選擇同軸電湧保護器的參數

正確選擇適合您的應用的電湧保護器所需的信息如下：

• 頻率範圍
• 線電壓
• 連接器類型
• 性別類型
• 安裝
• 專業技術

安裝

同軸電湧保護器的正確安裝在很大程度上取決於其與低阻抗接地系統的連接。 必須嚴格遵守以下規則：

• 等電位接地系統：設備的所有連接導體必須相互互連，然後再連接回接地系統。
• 低阻抗連接：同軸電湧保護器需要與接地系統建立低電阻連接。
  

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氣體排放概述

保護PC板級組件

如今，基於微處理器的電子設備由於其較高的芯片密度，二進制邏輯功能以及跨不同網絡的連接而變得更加敏感且難以保護，因此更容易受到雷電引起的電壓浪湧和電開關瞬變的影響。 這些設備對於公司的通信和信息處理至關重要，通常會對底線產生影響。 因此，請務必確保他們免受這些潛在的代價高昂和破壞性事件的影響。 氣體放電管或GDT可以用作獨立組件，也可以與其他組件結合使用以構成多級保護電路–氣體管充當高能處理組件。 由於GDT的電容非常低，因此通常被部署在通信和數據線直流電壓應用的保護中。 但是，它們在交流電源線上提供了非常誘人的優勢，包括無洩漏電流，高能量處理能力和更好的使用壽命。

氣體排放管技術

氣體放電管可以被認為是一種非常快速的開關，其電導特性在發生擊穿時從開路到準短路（電弧電壓約為20V）變化非常快。 因此，氣體放電管的性能有四個工作區域：

GDT可以被認為是一種動作非常快的開關，當發生擊穿並從開路轉換為準短路時，其導通的特性會非常迅速地變化。 結果是大約20V DC的電弧電壓。 燈管完全切換之前，有四個操作階段。

• 非工作範圍：以幾乎無限的絕緣電阻為特徵。
• 輝光域：擊穿時，電導突然增加。 如果氣體放電管排出的電流小於約0.5A（不同組件之間的粗略值），則端子兩端的低壓將在80-100V範圍內。
• 電弧狀態：隨著電流的增加，氣體放電管將從低壓轉變為電弧電壓（20V）。 氣體放電管是最有效的，因為在不增加端子間電弧電壓的情況下，電流放電可以達到數千安培。
• 消光：在大致等於低壓的偏置電壓下，氣體放電管覆蓋了其初始絕緣性能。

三電極配置

用兩個2電極氣體放電管保護兩線製線路（例如電話對）可能會導致以下問題：
如果保護線在共模下承受過電壓，則火花過電壓的分散度（+/- 20％），其中一個氣體放電管會在很短的時間內產生火花，而另一根氣體放電管（通常為幾微秒）會產生火花，因此，火花過大的導線接地（忽略了電弧電壓），將共模過電壓轉換為差模過電壓。 這對於受保護的設備非常危險。 當第二個氣體放電管電弧放電（幾毫秒後）時，風險消失。
3電極的幾何形狀消除了此缺點。 一極的火花幾乎會立即（幾納秒）導致設備整體故障，因為只有一個充滿氣體的外殼可容納所有受影響的電極。

生命盡頭

氣體放電管經設計可承受許多脈衝，而不會破壞或喪失初始特性（典型的脈衝測試是每種極性的10倍x 5kA脈衝）。

另一方面，持續的非常大的電流，即10秒內為15A rms，模擬了從交流電源線掉落到電信線上的情況，將使GDT立即停止工作。

如果需要故障安全壽命，即檢測到線路故障時會向最終用戶報告故障的短路，則應選擇具有故障安全功能的氣體放電管（外部短路） 。

選擇放氣管

• 正確選擇適合您的應用的電湧保護器所需的信息如下：
  直流火花過電壓（伏特）
• 脈衝火花過電壓（伏特）
• 放電電流容量（kA）
• 絕緣電阻（Gohms）
• 電容（pF）
• 安裝（表面安裝，標準引線，定制引線，固定器）
• 包裝（捲帶，彈藥包裝）

可用的直流火花過電壓範圍：

• 最低75V
• 平均230V
• 高壓500V
• 極高電壓1000至3000V

*耐擊穿電壓的公差通常為+/- 20％

放電電流

這取決於氣體的性質，電極的體積和材料及其處理方式。 這是GDT的主要特徵，也是GDT與其他保護器件（如壓敏電阻，齊納二極管等）的區別所在。典型值是5至20kA，標準組件的脈衝為8 / 20us。 這是氣體放電管在不破壞或更改其基本規格的情況下可以反复承受的值（至少10個脈衝）。

脈衝跳火電壓

在陡峭的前部（dV / dt = 1kV / us）時的火花過電壓； 脈衝火花過電壓隨著dV / dt的增加而增加。

絕緣電阻和電容

這些特性使排氣管在正常工作條件下幾乎不可見。 絕緣電阻非常高（> 10 Gohm），而電容非常低（<1 pF）。

規格

通信線路電湧保護器的測試標準和安裝建議必須符合以下標準：

• UL497B：數據通信和火警電路保護器

安裝

為了有效，必須按照以下原則安裝電湧保護器。

• 電湧保護器和被保護設備的接地點必須連接在一起。
• 保護裝置安裝在設備的服務入口處，以盡快轉移脈衝電流。
• 電湧保護器必須安裝在距離受保護設備不到90英尺或30米以內的位置。 如果不能遵循此規則，則必須在設備附近安裝輔助電湧保護器
• 接地導體（在保護器的接地輸出和安裝連接電路之間）必須盡可能短（小於1.5英尺或0.50米），並且橫截面積至少為2.5平方毫米。
• 接地電阻必須遵守當地的電氣規範。 無需特殊接地。
• 受保護的電纜和未受保護的電纜必須分開放置，以限制耦合。

皮革產品的日常維護

LSP氣體放電管在正常情況下不需要維護或更換。 它們旨在承受反复的高強度浪湧電流而不會造成損壞。
儘管如此，針對最壞的情況進行計劃還是謹慎的，因此， LSP設計為在可行的情況下更換保護組件。 數據線電湧保護器的狀態可以用LSP的SPT1003型號進行測試。 該單元旨在測試電湧保護器的直流火花過電壓，箝位電壓和線路連續性（可選）。 SPT1003是帶有數字顯示屏的緊湊型按鈕單元。 測試儀的電壓範圍是0到999伏。 它可以測試單個組件，例如GDT，二極管，MOV或專為AC或DC應用而設計的獨立設備。

特殊條件：防雷系統

如果要保護的結構配備了LPS（防雷系統），則需要對安裝在建築物服務入口處的電信，數據線或交流電源線的電湧保護器進行直接雷電衝擊10 / 350us波形測試。最小浪湧電流為2.5kA（D1類測試IEC-61643-21）。