電子產品的雷電浪涌保護

2021-04-12

在晴朗的晴天，地面通常在高層大氣中帶有輕微的負電荷，并帶有相應的正電荷。這將在全球范圍內產生大約120 V / m的平均電場強度。相比之下，雷暴云在通過雷擊放電之前產生的電場強度約為25 kV / m。這在該云層與地面或其他帶電云層之間產生了十到一億伏特的電位差。這種強度的場會導致空氣分子在正電荷和負電荷之間電離，從而形成一個傳導通道，雷電可以沿著該傳導通道行進。盡管大多數導電通道是在云層之間形成的，但至少有十分之一的形式在云層和地面之間形成，形成了特征性的閃電。

閃電效果

對于云之間的那些放電，放電將產生短暫的高強度無線電波。這些通常對電子設備無害，除非它們碰巧對此類信號敏感并在合理范圍內接近放電。除非來自發射的電磁干擾（EMI）的瞬態干擾將成為一個重大問題，否則我們可以降低這些放電對地面設備的影響。主要問題來自那些到達電子設備附近大地的放電。這些雷擊是我們作為電氣設計工程師所經歷的大多數破壞性影響的原因。

對電氣設備和電纜的直接雷擊通常如此之大，以至于無法采取內置的措施來防止這種情況的發生。連接到建筑物的避雷針依靠其將放電電流直接轉移到大地，作為主要的保護機制。除非設備放置不當或故意，否則直接撞擊電氣設備的可能性通常較低。在存在顯著的大氣電場強度的情況下，它會鼓勵電離。 

電氣設備的可信風險來自設備附近的對地放電。雷擊期間發生的巨大能量轉移會導致附近電氣系統中以各種方式臨時產生破壞性電流。主要影響通常是暫時的電磁干擾，由磁耦合或電容耦合感應的瞬態電壓，以及由局部接地電位偏移引起的浪涌電流。我們將簡要總結這三個效果：

電磁干擾

放電電流的流動會在放電期間產生EMI的寬帶發射。雖然這僅代表設備整體電磁環境的一部分，但短暫的高場強會干擾寬范圍內未屏蔽的組件和傳輸線。

磁/電容耦合

當放電電流流經電纜附近時，感應效應會導致瞬變感應到電纜上。這在架空電線桿或塔架之間的距離較長的架空電纜中尤為普遍。電氣設備通常會連接到電源電纜和信號電纜，這些電纜通過導電橋架，管道或通過架空電纜攜帶而受到影響。電纜越長，通過耦合效應引起高壓瞬變的可能性就越高。這使得用于遠程控制和監視的遠程設備特別容易受到此類事件的影響。

為了達到足夠高的磁耦合或電容耦合水平，從而引起較大的感應電流，雷電流必須非常接近電纜。但是，這種感應的瞬態電流通?？梢杂稍O備和系統設計來適應。通常，對現場信號電纜進行屏蔽或屏蔽，以減少一般的EMI和噪聲拾取。使用雙絞線電纜可以將線路之間的電壓降低到不會造成設備損壞的水平。但是，除非添加額外的保護功能，否則仍會以可能損壞敏感組件的電平產生共模電壓。

地球電位變化

幾乎所有雷電放電都超過3 kA，十分之一左右超過100 kA。絕大多數的地雷直接終止于地面。那些擊中建筑物的建筑物通常通過避雷針和接地棒直接引向地面。很大的放電電流流入接地端子，并把電荷耗散到地球質量中。該電流的一個影響是，它提高了觸擊位置的參考地電位。例如，終止于地面的阻抗為0.1Ω的100kA放電電流將在沖擊點處產生10,000伏的電勢。任何靠近觸擊點接地的設備都將被綁定到相同的參考電位。雖然這不會影響該設備，但由于它在本地看到的電勢差沒有變化，它會在此本地接地與連接到距離已接地一定距離的設備的任何電纜的接地之間看到巨大的電位差。由于兩個接地電位之間的差異，這將導致出現非常高的瞬態電壓。

雷擊

由于EMI和磁/電容耦合效應，在電源或信號電纜上感應出的瞬變相對較容易防止?？梢允褂卯斀竦碾姶泡椛滹柡铜h境中所需的標準屏蔽和屏蔽技術來應對此類瞬變。 

由于潛在的地球移動而引起的瞬變是一個更為重要的問題。屏蔽不會抵消物理上分開的地面之間可能出現的暫時性差異。幾十伏的過電壓會嚴重損壞低功率半導體組件。在這種情況下感應的瞬態電壓將需要我們現在討論的其他保護機制。

保護選項

電涌保護裝置可用于保護電氣和電子設備免受高壓瞬變的潛在破壞性影響。這些設備也稱為避雷器，避雷針和防雷裝置。電涌保護電路幾乎瞬時工作，以提供低阻抗路徑來傳導大電流，以消除過大的保護差，并吸收多余的電流并將其轉移到地面，以防止瞬變或電涌的影響。浪涌電流消退后，理想情況下，設備應自動恢復正常運行，因此能夠防止任何后續浪涌。但是，我們還將簡要介紹更傳統的一發式保護設備的完整性。

電涌保護器有兩種主要類型。濾波器為高頻瞬態電流提供了屏障，同時允許低頻功率電流不受影響地通過。另一方面，每當設備的電壓超過預設值時，瞬變分流器就會提供一條非常低的接地阻抗路徑。在這里，我們集中在瞬態分流器上，因為這些瞬態分流器可提供所需的保護，以防止雷擊引起的地電位變化。

由于并非所有電路都可能受到這些瞬變的影響，因此經常采用的方法是使用連接在通用設備，系統和外部噪聲或瞬變源之間的其他保護性組件或設備。有幾個可用的組件，可以防止過多的能量到達設備或系統的敏感部分。這些通過將電涌轉向大地或斷開信號線來工作?？山邮艿脑O備可以快速運行，并且能夠在短時間內承載大電流，同時將跨接電壓或流經受保護設備的電流限制在可能發生損壞的水平。在避免服務中斷的情況下，通常首選免維護和自動重置的設備。 

空氣火花隙

該保護機構由兩個導電電極組成，這兩個導電電極在物理上是分開的，并且位于不受控制的環境中。通常不導電，當兩個電極之間的電位差達到定義值時，它們之間的空氣就會電離，放電電流會在它們之間流動。這種電離會在兩個電極之間產生一條低電阻路徑，從而使電流流過，直到空氣不再被電離為止。電極之間的距離將確定發生電離時的電勢差值。這有效地對本地接地點產生了受控的雷擊。

盡管火花隙價格便宜，但它們的工作電壓將受到環境條件（例如溫度和濕度）的影響，并會受到空氣中污染物的影響。它們的性能也可能隨時間變化，并由于電極腐蝕而因其運行而降低性能，如果定期激活它們，則可能需要更換。

排氣管

火花隙保護的一種變化是，導電電極在受控的環境中物理隔離，通常是填充有特定氣體的密封容器。這樣可以改善對放電電壓的控制，并減少環境條件的影響。常用的材料包括密封在陶瓷容器中的低壓氬氣/氫氣混合物，其擊穿電壓從90 V開始，額定電流超過5kA。

氣體放電管的一個缺點是氣體電離所需的時間有限，從而限制了對浪涌電流的保護，而浪涌電流的陡峭上升沿到浪涌波形。額定電壓為100V直流擊穿的典型電子管，其上升時間為200V / μs的浪涌，直到基于0.5μs的電離時間，電壓達到200V左右時，電子管才會擊穿。這沒有考慮到100V額定值的任何容差。通常，此類設備的公差為20％。另一個缺點是，由于氣壓和成分隨時間的變化，它們的壽命受到限制。

一旦發生擊穿并且氣體已被離子化，如果在持續時間內流過足夠的電流，則氣體可能會轉化為離子化的等離子體。如果電路可以支持這么大的電流，則該等離子體可以以相對較小的電位差放電數千安培。必須仔細設計保護電路，以防止源設備電源消除了源極浪涌電流后氣體放電管的工作持續下去。

氣體放電管通常適合與低功率電路配合使用，在任何浪涌條件下，其浪涌電壓都會緩慢上升，并且可以承受電壓過沖情況。

半導體器件

半導體器件的優點是它們的快速操作和它們工作的廣泛電壓范圍。只要電流保持在規格范圍內，它們就可以提供準確且可重復的電壓鉗位功能。浪涌抑制二極管，也稱為瞬態電壓抑制（TVS）二極管，對于持續時間少于1 ms的脈沖，可以處理幾kW的浪涌。浪涌抑制二極管和標準齊納二極管之間的差異僅在于結區增大的尺寸，從而降低了電流密度。這些組件提供了一些可用保護組件最快的響應時間（通常為幾納秒），但以相對較低的能量吸收能力為代價。浪涌抑制二極管的缺點之一是其相對較高的成本。

壓敏電阻 

壓敏電阻是與電壓相關的電阻，其中流過器件的電流對器件兩端的電壓的變化具有非線性關系。由于壓敏電阻通常使用金屬氧化物制造，因此通常稱為金屬氧化物壓敏電阻（MOV）。金屬氧化物顆粒的作用類似于半導體結。這使它們對浪涌的響應時間與基于二極管的組件相當。與浪涌抑制二極管相比，它們的優勢在于，整個器件的功率消耗很大，而不僅僅是結區。然而，缺點是它們在低電壓下具有更高的泄漏電流。它們還受環境因素（例如溫度）的影響更大，并且會隨著時間的流逝而退化，尤其是如果定期暴露在高電流瞬變中。

浪涌繼電器

浪涌繼電器設計用于在出現大電流浪涌時斷開信號線，并可以處理相對較高的功率水平。它們依靠電觸點的物理運動來形成或斷開電路。它們具有穩定和靈敏的優點，但是它們的主要缺點是它們的運行速度。繼電器觸點充分移動以影響電流所花費的時間可能是幾毫秒。如果將電涌繼電器配置為在電流過大的情況下使電路斷開，則在觸點斷開的初始時間內，觸點之間的電弧會加劇延遲。這增加了電涌電流首次出現到電流最終停止之間的時間。

一旦浪涌電流瞬態經過，浪涌繼電器將重置回其默認狀態。該操作也可能相對較慢，并且該操作的物理性質可能使其易于產生被視為電路的瞬時連接/斷開的接觸反彈效應。根據電路的性質，這種物理反彈可能會產生相應的電影響。

電涌繼電器還需要維護以保持觸點清潔，或者如果觸點在密封的外殼內，則需要進行更換。觸點的重復操作會由于電弧和沖擊損壞引起的金屬腐蝕作用而導致過度磨損。

保險絲

作為一站式保護裝置，防浪涌保險絲提供有效的保護，并使用彈簧張緊機構來實現快速啟動時間。但是，如果瞬態浪涌電流具有快速上升的沿，則它們可能容易出現電壓過沖問題。它們依靠浪涌電流將金屬線熔化成設定值，而不是直接根據電勢差來確定其額定值。因此，必須將它們與電阻元件結合使用以實現保護功能。當然，主要缺點是激活后需要手動更換保險絲。必須注意，普通的保險絲將無法應對雷電引起的瞬變。必須使用專業的電涌保護保險絲。

斷路器

斷路器通常設計用于電力系統。盡管可以將能量處理能力提高到認為必要的任何水平，但是響應速度約為數十毫秒，通常太慢而無法有效地抵抗短時間的瞬變。它們還需要在激活后進行手動復位，從操作的角度看，它們實際上是一鍵式保護設備。至于保險絲，標準斷路器無法應對雷電引起的瞬變。如果需要斷路器，請始終確保選擇正確額定值的斷路器來應對此類瞬變。

電涌保護實施最佳實踐

通常會發現一臺設備無法提供所需的解決方案，例如響應時間，電流能力，環境耐受性或可靠性。在這種情況下，答案很可能是將兩個或多個不同類型層疊在一起。這使設計人員可以結合每種設備提供的優勢并提高總體保護水平。最常見的組合使用的是高電流，作用相對較慢的組件，其作用較快但額定功率較低，從而將電壓和電流輸出降至最低?？梢栽诒Ｗo電路的外圍使用高浪涌電流容量的設備來轉移大部分瞬態過電壓，然后再使用更精確的設備提供全面的浪涌保護解決方案。

電涌保護設備可以根據其實現方式來實現一系列功能。它們可以將瞬態電流分流到地面，鉗位電勢差，防止過多的能量進入電路或從信號線中濾除特定頻率。通常，它們完成這些功能的組合，以實現所需的端部保護。理想的電涌保護設備將至少具有鉗位電壓，可處理極高的電涌電流，并減小電涌的快速上升沿。

保護來自于通過低阻抗路徑將浪涌電流分流到大地。如果要實現電涌保護設備的額定性能，則必須正確設計和實施此路徑。設計或實施不當的轉移路徑可能會使保護電路失效。

應將保護應用于設備的所有外部連接；輸出信號連接與輸入電源線和信號連接一樣容易受到影響。最顯著的風險不一定來自連接了最長電纜的連接器，而是終止于接地端的連接，該接地端實際上距離被保護設備的接地端最遠。同一連接可能并不總是滿足這兩個條件。

在設備中設計浪涌保護或抑制時，在計算瞬態電壓保護要求時，必須考慮連接電纜的電感。設計應基于最壞情況的電纜選件，以確保其對所有可能的安裝均有效。

選擇保護組件時，請記住單價與性能之間存在關聯。在計算保護元件預算時，請始終考慮被保護設備的價值。