电浪涌的几类特性及预防

电浪涌的几类特性及预防
国家广电总局751电台工程师胡志华
前言:
由于无线广播发射台是各种大型电力设备(高压变压器,电动机,水泵重型发射机负载),以及各种电器设备的集中使用单位.在设备运行当中难免会遇到一个电力负担影响的现象,即电力瞬态浪涌现象.这种现象会给我们的电力设备正常运行造成较严重的影响及破坏,因此，在此我把它作为一个课题提出加以分析研究,使我们在今后的工作中重视并面对这种现象加以克服,我们认为对保证设备的更良好运行是有必要的.
[关键词]:浪涌瞬态高压压敏电阻气体放电管泄流钳位电压预防
正文:
以下是浪涌的原因及用于吸收瞬间浪涌这种“电污染”的几类抗瞬态浪涌抑制器的工作原理、性能和在电路中的应用的比较。

一浪涌的原因:
电的瞬间浪涌作为一种电力现象,人们已经早有认识,人们在各部分的防浪涌也做了些努力,但在我们无线发射电台内如何把预防浪涌现象做为一个系统专项工程来做还少,我们仍必要在这方面做出研讨,在本篇讨论就浪涌的成因、危害、各防浪涌器件性能进行比较分析。

在电台电力运行中如何把局部浪涌与系统预防相结合,电器设备的发展对防浪涌的更高要求等几部分做些阐述。

1.高压浪涌:持续期短至微妙的高压尖峰脉冲电波浪涌成因一般有自然因素引起的及电力,电器设备运行引起的两大类:
(1).自然因素主要是由于自然界的雷电现象引起,在供电系统中打在电网的直击雷或感应雷头国感应方式偶合到电子设备的电源线,控制讯号线及通信上.由于雷电的高压强能量及快速会使线路中冲击电流高达200~300KA,脉宽0.1~0.2ms,这种高压尖峰脉冲持续约有1~2秒.
(2).运行引起的因素:高压线路的短路故障,高压变压器的投入或切除,大型电动机及水泵的启,停,电焊机的运行,补偿调整电容系统中的调节,重载可控硅负载的运行等,这些供电系统中产生的工作浪涌中击电流也可高达100KA数量级,峰值电压最高可达6000V.
(3).再有就是产生于内部末端负载间的瞬间浪涌:如激光打印机开启,静电放电,继电器,开关,电磁闸,变频调速器引起的线路间干扰,末端负载过流短路故障甚至复印机的运行等这些引起的工作浪涌电压峰值也高达5000V,冲击电流有几百安培数量级.
二瞬态浪涌电流,电压的危害:
根据浪涌可能对用户负载产生的危害,IEEE国际标准一般分为三级:
1.浪涌电压的峰值达到20KV数量级以上
…..会对设备立即造成危害性不可恢复的直接经济损失
…..整个体统停顿,通信中断等间接经济损失
2.浪涌电压处于1.2KV~2.1KV数量级
…造成使用设备中的某些部件损坏或致使性能提前老化
…电子设备的线路板及元件烧毁
3.浪涌电压达到700~800V数量级的浪涌过频出现
…传输或存储的信号或数值,代码错乱或丢失
…服务器或电脑死机
图1.浪涌波形图纸
三、预防浪涌器件性能比较：
半导体瞬态电压抑制器由于其响应时间短,箝位电压易控制,体积小等特点,逐渐应用于各种系统中,另外,还有一些 其它类型的防浪涌器件:如半导体气体放电管,这类放电管在原理及结构上有所在所不同,它利用半导体负阻快速触发,气体放电管泄流大的特点,成为一种新型的防雷 防浪涌器件.
表（1）
2.我们还可以从几类器件的V-1特性来进一步比较。

如图[2]所示：
-
图[2]压敏电阻的V-I 特性曲线
（1）.当外加电压超过击穿电压（Vds ）时，电流逐渐增大，开始通过可变电阻泄流，自身的功耗较大，体内易产生热累积，使之性能变坏。

（2）.气体放电的管V-I 特性与上图的压敏电阻相似，当外加电压超过Vds ，电流逐渐增大，开始通过气体放电成为热能，光能泄流，能量转换效率高，但体内易积累热能使之性能变坏。

图[3]TVS 二极管V-I 曲线
（3）.半导体气体放电管的V-I 特性在外加电压超过Vds 时，呈负阻状态电流快速增大，开始通过放电管放电以光能、热能泄流，但体内也易积累热能，使性能变坏。

（4）.半导体TVS 二极管的V-I 特性如上图（3）所示。

在瞬态电压的作用下，超过击穿电压，通过PN 结雪崩效应泄流。

（5）.如图(4)所示,对可控硅组件来说,当外加电压超过击穿电压(Vs)时,呈负载状态,此时端电压降只有1.5V 左右,浪涌电流通过PN 结雪崩快速泄流,使用寿命较长.
-V
图[4]可控硅组件的V-I 曲线
3.再从击穿电压型器件与导体负阻器件的电压,电流泄放波形比较:比较图形如下:
从图(5)的波形图分析可以看出,具体负阻特性的半导体放电器比较击穿电压型的残压低,电流泄放快速,能充分地抑制陡峭的雷击脉冲.
4.我们再从一个比较重要的参数既器件的开启速度来比较他们的性能:
从图(6)可看出压敏电阻,陶瓷气体放电管的开启电压均随dv/dt 的升高而增大,而半导体电器件都却相反,这是很有利于吸收尖峰浪涌的.
总之,从以上器件的几方面的性能比较,我们可以知道半导体放电器件在响应速度、钳位电压等方面有一定的优势.
四、局部防浪涌与系统防涌：
一局部防涌是指针对具体的电器设备如卫星接收机，音频放大器，发射机的整流滤波电路以及重载可控硅负载、变频调速器以及光打印机等等，为保证其设备本身或设备对其他电路设备的安全而分别采取相适应的器件和接入方式接入浪涌吸收。

比如在卫星下行站，我们对比较脆弱和重要的卫星接收系统（含卫星接收机，解调器，音频放大器等）通常为稳定它们的输入电压是在其输入电路前端设置一个30~100KV A的机械式稳压器，但如果遇到瞬态高压尖峰浪涌电流串入电路比如雷击，稳压器就会来不及反应或不能承担瞬间高压致使设备的电源部分被损坏。

我们电台前几年就有在雷季被雷击，雷电串入卫星地面站，其高压浪涌串入卫星接收系统，造成前端设备如LNB（高频头），有源功率分配器，卫星接收机等设备的内部元件严重损坏，致使造成经济上的损失同时也给正常播音产生了影响，事后分析这种雷击浪涌的串入有两种途径，一是从卫星接收天线偶合感应到设备所使用的电源电路，所以我设计的一个方案是：在天线附近合理地埋设避雷设施：如图（7）所示：
(1).一般避雷针的保护区是在其下45~60度伞形区内一定要使天线处于保护伞内同时要注意天线与避雷针的距离应该大于5米，因为避雷针及下引线受雷电感应能击穿2米~3米的空气
（2）.同时也要求天线底座的接地电阻要小于4Ω，这样就可以让雷电泄放到大地，再者我们可以在配电盘后稳压器前接一个防浪涌器件，当然要选择抑制能力大一般要到100KA的浪涌抑制器，并且开启时间要小于0.5ns。

同时我们要注意电源部分的防雷除要在电源内加入防浪涌器件外，还要求必须做到接地良好，包括外壳部分，电源地线，当然在使用防浪涌期间前为提高可靠性我们可以预先做耐冲击实验，这样便可有效可靠的减少设备受到雷击的可能性。

五、系统防涌：
以上只是提到局部防浪涌方案，而针对整个大系统，如果能把各局部防涌分别级联并放大到大系统中进行统筹考虑，对于整个系统可能产生浪涌的节点进行使用防涌措施，合理安排，统筹兼顾，定会为整个系统的防涌工作做到“无微不至”，使整个系统的电力，电器平稳运行，不再受到难以对付的“隐形杀手”电波瞬间浪涌的折磨，更好的开展工作，为提高整个系统的可靠性做出贡献。

以下是ACV系列-并联型瞬态抗浪涌和S系列-并联型瞬态抗浪涌抑制器及F系列-串联型敏感跟踪电流滤波器的工作原理及各自的型号参数，可选择使用。

1 ACV系列及S系列：如图<8>所示：
（1）.在正常情况下，电流经线路供给负载，而抑制器处于高阻断状态。

当有浪涌出现时，对其超过钳位电平的部分尖脉冲幅值予以短路，导通时间为纳秒（ns）级。

钳位电压值为一般电子设备可承受最大瞬间电压，当浪涌被吸收后，抑制器重新处于高阻断状态。

（2）.在工作过程中相线-相线，相线-中线，相线-地线，中线-地线都具有浪涌抑制模块全方位保护。

（3）.S 系列大型瞬态抗浪涌抑制器有100KA~400KA 抑制能力，ACV 系列小型瞬态抗浪涌抑制器有40KA~80KA 抑制能力供我们选择。

2.F 系列灵敏电流滤波器
（1）工作原理如图（10）所示：
L
N
G
采用低通串联混合技术，有并联的抑制模块和串联的环滤波器（电感）及正弦波跟踪电路。

经并联的高压浪涌电流抑制部分吸收大于钳位电平的高压浪涌，窗帘的低通滤波器用于消除出现于相线和中线之间的高频差摸干扰，输出给负载平滑的正弦波。

（2）瞬态浪涌抑制电流有100KA~400KA 的抑制力，负载电流从30A 到4000A 。

3 以上系列产品有快速的响应时间（可达0.5ms ），响应时间是指尖峰浪涌电压抑制到钳位电压的时间，时间越短，通过负载的高电压越小。

如图（11）所示：
V 图（11）达到箝位电压的时间
了解了器件的特性我们可以把它们用于一个系统防高压浪涌，实际上能起到良好的浪涌吸收作用。

以上依据浪涌抑制器各自的抗浪涌能力、响应时间、负载能力等分别合理选用。

可以在设备运行中各种因素引起的高压瞬态浪涌及各种环波干扰大量被吸收、泄放，让浪涌残波尽量减少，使各自系统能平稳工作，为整个电力运行系统安全优良的运行消除隐形因素。

当然，针对不同的工作环境还有许多不同的方案，我们只要有这方面的知识和意识就能“量体裁衣”。

六、设备器件的改进对抗浪涌器件的更高要求：
尽管我们有许多防浪涌器件去选择和运用，但在实际应用中，针对一些具体的工作，有防浪涌器件还是很难满足我们的要求（比如对射频放大器件的保护）在运用过程中会对部分组件造成损坏（如残压高，响应时间不够短等）实际应用比较的结果是：可控硅组件为目前较有效的方案。

可控硅组件工作原理，如图（13）所示：
该组件主要有两个可控硅和一个电子撬杆组成。

电压达到开启电压时，电子撬杆由高阻态变到低阻态，达到导通为止，此时，可控硅动作，将浪涌脉冲泄放。

但是，随着通信设备的高集成化，对异常电压非常敏感的器件被大量采用，对具有高可靠性的过压冲击保护器的需求多了，而防浪涌的措施也将随之不断改进。

七、结束语:
由以上对尖峰浪涌电压的产生和危害分析可知，此类浪涌电压随时也可能产生和危害发射机系统，威胁安全播音。

有鉴于此，适当地抑制住可能出现在供电系统的瞬态浪涌电压幅度是确保发射机系统硬件和软件得以安全运行的基础。

我台DX中波发射机其中有采用DS1GS型抗瞬态浪涌抑制器来防止此类危害。

总之把抗瞬态浪涌做为一个专门电力技术措施来讨论是实际工作对我们的要求，人们在设备受电力破坏时有必要从系统的防浪涌问题去思考，采取有效的预防措施，避免不必要的损失。

主要参考文献
1 《有线电视技术》2002年3月上半刊。

2 EMEROSN《电力抗浪涌抑制器说明》。