什么是浪涌電壓_浪涌電壓的種類及保護器件的選型_浪涌電壓的危害

　　浪涌（Electrical surge），顧名思義就是瞬間出現(xiàn)超出穩(wěn)定值的峰值，它包括浪涌電壓和浪涌電流。浪涌也叫突波，顧名思義就是超出正常工作電壓的瞬間過電壓。本質(zhì)上講，浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬分之一秒時間內(nèi)的一種劇烈脈沖?？赡芤鹄擞康脑蛴校褐匦驮O(shè)備、短路、電源切換或大型發(fā)動機。而含有浪涌阻絕裝置的產(chǎn)品可以有效地吸收突發(fā)的巨大能量，以保護連接設(shè)備免于受損。

　　浪涌電壓產(chǎn)生的原因

　　外部原因

　　雷電電涌過電壓雷擊引起的電涌危害最大，在雷擊放電時，以雷擊為中心1.5~2KM范圍內(nèi)，都可能產(chǎn)生危險的過電壓。雷擊引起（外部）電涌的特點是單相脈沖型，能量巨大。外部電涌的電壓在幾微秒內(nèi)可從幾百伏快速升高至20000V，可以傳輸相當(dāng)長的距離。按ANSI/IEEE C62.41-1991說明，瞬間電涌可高達20000V，瞬間電流可達10000A。根據(jù)統(tǒng)計，系統(tǒng)外的電涌主要來自于雷電和其它系統(tǒng)的沖擊，大約占 20%。（1）感應(yīng)雷擊電涌過電壓：雷擊閃電產(chǎn)生的高速變化的電磁場，閃電輻射的電場作用于導(dǎo)體，感應(yīng)很高的過電壓，這類過電壓具有很陡的前沿并快速衰減。（2）直接雷擊電涌過電壓：直接落雷在電網(wǎng)上，由于瞬間能量巨大，破壞力極強，還沒有一種設(shè)備能對直接落雷進行保護。（3）雷擊傳導(dǎo)電涌過電壓：由遠處的架空線傳導(dǎo)而來，由于接于電力網(wǎng)的設(shè)備對過電壓有不同的抑制能力，因此傳導(dǎo)過電壓能量隨線路的延長而減弱。（4）振蕩電涌過電壓：動力線等效一個電感，并于大地及臨近金屬物體間存在分布電容，構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，在TT、TN供電系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障的瞬間，由于高頻率的成分出現(xiàn)諧振，在線路上產(chǎn)生很高過電壓，主要損壞二次儀表。直接雷擊是最嚴(yán)重的事件，尤其是如果雷擊擊中靠近用戶進線口架空輸電線。在發(fā)生這些事件 時，架空輸電線電壓將上升到幾十萬伏特，通常引起絕緣閃絡(luò)。雷電電流在電力線上傳輸?shù)木嚯x為一公里或更遠，在雷擊點附近的峰值電流可達100kA或以上。在用戶進線口處低壓線路的電流每相可達到5kA到10kA。在雷電活動頻繁的區(qū)域，電力設(shè)施每年可能有好幾次遭受雷電直擊事件引起嚴(yán)重雷電電流。而對于采 用地下電力電纜供電或在雷電活動不頻繁的地區(qū)，上述事件是很少發(fā)生的。間接雷擊和內(nèi)部浪涌發(fā)生的概率較高，絕大部分的用電設(shè)備損壞與其有關(guān)。所以電源防浪涌的重點是對這部分浪涌能量的吸收和抑制。［2］

　　內(nèi)部原因

　　操作電涌過電壓內(nèi)部浪涌發(fā)生的原因同供電系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備啟停和供電網(wǎng)絡(luò)運行的故障有關(guān)：在電力系統(tǒng)內(nèi)部，由于斷路器的操作、負荷的投入和切除或系統(tǒng)故障等系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)變化，而使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，從而引起的電力內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)換或傳輸過渡過程，將在系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)過電壓。系統(tǒng)內(nèi)的電涌主要來自于系統(tǒng)內(nèi)部用電負荷的沖擊，大約占 80%。在電力系統(tǒng)引起的內(nèi)部過電壓的原因大致可分為：（1）電力大負荷的投入和切除；（2）感性負荷的投入和切除；（3）功率因素補償電容器的投入和切除（4）短路故障供電系統(tǒng)內(nèi)部由于大功率設(shè)備的啟停、線路故障、投切動作和變頻設(shè)備的運行等原因，都會帶來內(nèi)部浪涌，給用電設(shè)備帶來不利影響。特別是計算機、通訊等微電子設(shè)備帶來致命的沖擊。即便是沒有造成永久的設(shè)備損壞，但系統(tǒng)運行的異常和停頓都會帶來很嚴(yán)重的后果。比如核電站、醫(yī)療系統(tǒng)、大型工廠自動化系統(tǒng)、證券交易系統(tǒng)、電信局用交換機、網(wǎng)絡(luò)樞紐等。

　　浪涌電壓的種類及保護器件的選型

　　1、雷電過電壓與操作過電壓

　　（1）雷電是自然界發(fā)生的極為強烈的電磁暫態(tài)過程。主要通過兩個個渠道對電力自動化設(shè)備產(chǎn)生影響。一是雷電直接擊中變電站或調(diào)度中心的避雷針、避雷線，產(chǎn)生的瞬變電磁場對周圍空間范圍的電子設(shè)備的電磁作用，對封閉的金屬回路產(chǎn)生壓電流，對開口的金屬回路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于雷電電磁脈沖的作用十分強烈，感生的電壓可能很高。經(jīng)地線泄放入地的雷電流引起地網(wǎng)電壓升高，在接地系統(tǒng)中各接地點間產(chǎn)生很大的電壓差，它們都可能對自動化設(shè)備造成干擾，輕則影響正常運行，嚴(yán)重的則會引起設(shè)備損壞。二是雷電在線路上空的雷云之間放電，或?qū)€路附近的大地放電，都會使線路因電磁感應(yīng)產(chǎn)生雷電沖擊波或浪涌電壓，這種沖擊波會沿著線路入侵到與之相連拉電力自動化設(shè)備，造成工作錯誤或設(shè)備損壞。若雷電直接擊中線路時，產(chǎn)生的浪涌電壓更為強烈，危害更大。

　　（2）電力系統(tǒng)操作過電壓是指電力系統(tǒng)中的故障和操作導(dǎo)致暫態(tài)振蕩而產(chǎn)生的過渡過程過電壓。操作方式和故障形式的多樣性決定了操作過電壓的不同類別，主要有：中性點不接地系統(tǒng)中的弧光接地過電壓，空載線路的合閘過電壓，空載線路、空載母線和電容器分閘時的開斷電容負載過電壓，空載變壓器、電抗器和電動機分閘時的開斷電感負載過電壓等等。

　　2、差模干擾和共模干擾

　　根據(jù)浪涌電壓對設(shè)備干擾的作用方式不同，可分為差模干擾和共模干擾。

　?。?）差模干擾是出現(xiàn)于回路（如信號線或電源線的兩條線）中與正常信號電壓相串聯(lián)的干擾。差模干擾Edm出現(xiàn)在電路往返引線L1、L2之間，它與有用信號（源電動勢）Es相串聯(lián)，在受端設(shè)備Z上疊加一干擾分量。在電力自動化系統(tǒng)中，這種疊加在有用信號上的干擾分量可引起測量誤差或控制誤動等不良好后果。

　　（2）共模干擾是出現(xiàn)于回路與規(guī)定參考點（通常是地或機殼）之間的電磁干擾。Ecm使整個電路對參考點的電位一起升高，共模干擾Ecm在電路中不直接形成與有用信號Es相串聯(lián)的干擾電壓，但較強的共模干擾有可能使電路對地絕緣承受較高的電壓而導(dǎo)致閃絡(luò)或擊穿，造成“反擊”事故。另外，由于往返引線阻抗不對稱，共模干擾可全部或部分轉(zhuǎn)化為差模干擾，需加以防范。

　　不管是差模干擾還是共模干擾，只要它們的干擾強度足夠大，不僅會影響設(shè)備的正常運行，嚴(yán)重時更會直接損壞設(shè)備。由于它們對設(shè)備的作用方式不同，抗干擾的措施出有所不同。

　　3、浪涌電壓保護機理

　　浪涌電壓保護的基本要求是：在電路沒有干擾時，不影響設(shè)備的正常運行；工作電路中一旦有浪電壓侵入時，將浪涌電壓抑制在設(shè)備可接受的閾值范圍內(nèi)，保證設(shè)備有受到浪涌干擾時的正常運行，并且防止電路元器件和系統(tǒng)的損壞。從電路聯(lián)接關(guān)系的角度來看，保護的方式有兩種，一是將設(shè)備從受干擾的工作電路中斷開，二是給浪涌電壓提供泄放通道，最終使浪涌電壓不作用到被保護的設(shè)備上。由于保護器件在系統(tǒng)正常工作和浪涌干擾時所表現(xiàn)出的電氣性能完全不同，保護器件的伏安特性必須具有強烈的非線性特征。而對于一般的元器件，其電阻基本不隨運行工況的改變而變化，其伏安特性表現(xiàn)出良好的線性特征。

　　有一類元件，當(dāng)其兩端電壓差在正常范圍內(nèi)時，電阻很大，幾乎沒有電流通過；一旦元件兩端電壓差增大到一定的門檻值時，電阻迅速減少，幾乎為零。利用這類元件可以做成并聯(lián)型浪涌保護器，從而保護了設(shè)備。實際上，浪涌侵入時保護器不可能完全呈短路狀態(tài)，兩端電壓也不可能達到零，只能達到一個較小的值，稱作箝位電壓，只要這個箝位電壓小于被保護設(shè)備的安全電壓，就能有效地保護設(shè)備。

　　另外有一類元件則具有相反的非線性特征，在正常工作電壓下，電阻幾乎完全為零，當(dāng)控制電壓（信號電壓或電源電壓）達到一定的門檻值時，元件馬上呈現(xiàn)出很大的電阻值，利用這類元件可以做成串聯(lián)型浪涌保護器。由于其呈現(xiàn)出高阻態(tài)，電路相當(dāng)于斷開，使被保護設(shè)備免遭浪涌電壓的侵入。

　　目前用于浪涌保護的器件有四種：

　?。?）二極管瞬變電壓抑制器（TVS），電流調(diào)節(jié)能力強，工作電壓和箝位電低，響應(yīng)速度快，用于保護400V以下的低壓電路，能承受50~500A的浪涌電流，有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種，是電路板保護和理想器件。

　?。?）金屬氧化物變阻器（壓敏電阻）， 響應(yīng)速度比TVS管慢，但通流量大于TVS管，可保護電壓低于20 kV的設(shè)備，常用于電源保護回路。

　?。?）氣體放電管或放電火花間隙，是一個充有惰性氣體的密封式火花間隙，當(dāng)兩端出現(xiàn)超過其保護電壓的干擾時，一小段延時后間隙被擊穿變?yōu)榈妥杩?，通流量大（?0Ka），保護電壓可達10kV，適合信號保護回路使用。

　?。?）固體放電管，是基于晶閘管原理和結(jié)構(gòu)的一種二端負阻器件，響應(yīng)速度快，無限重復(fù)，功耗小，起動電壓為5~500V，瞬間沖擊電流可達50~3000A，適用于保護電子元器件。

　　這四類器件的性能各有優(yōu)缺點，通過配合使用才能達到最佳效果。

　　浪涌電壓的危害

　　浪涌電壓是電網(wǎng)上突發(fā)的瞬間電壓變化，時間很短，一般在幾十微秒，幅度可以達到數(shù)千伏。浪涌電壓是現(xiàn)代電網(wǎng)上最常見的電能質(zhì)量問題之一，對現(xiàn)代化的自動控制設(shè)備和信息設(shè)備造成了嚴(yán)重的威脅。IBM公司研究了各種危害信息設(shè)備的因素，結(jié)果如圖1所示。

　　根據(jù)IBM公司的調(diào)查，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的故障原因中，45.3%是由于電能質(zhì)量導(dǎo)致的，而其中浪涌電壓占到90%。因此，對于電子信息系統(tǒng)合自動控制系統(tǒng)，解決了浪涌電壓防護的問題，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的可靠性就會大大提高。

　　浪涌電壓的產(chǎn)生原因有兩個，一個是雷電，另一個是電網(wǎng)上的大型負荷接通或斷開（包括補償電容的投切）時產(chǎn)生的。其中，后者占到浪涌現(xiàn)象的80%以上，圖2是在某個工廠監(jiān)測到的電壓波形，可見浪涌電壓出現(xiàn)的頻度很高。

　　過去，人們對浪涌電壓的危害局限在雷電導(dǎo)致絕緣損壞的范圍內(nèi)，對于浪涌導(dǎo)致的系統(tǒng)誤動作幾乎沒有概念。因為這種短暫的變化對傳統(tǒng)的電力負荷幾乎沒有任何影響。唯一的不良影響是，可能對負荷的電氣絕緣造成損傷。

　　現(xiàn)在，人們越來越關(guān)注浪涌電壓對制造系統(tǒng)、信息系統(tǒng)造成的影響。這主要是因為，現(xiàn)代工業(yè)的核心是自動化，自動化依靠計算機（常用就是plc，這是一種通用的工業(yè)計算機）來控制。計算機對于浪涌電壓十分敏感。浪涌電壓是導(dǎo)致計算機誤動作、數(shù)據(jù)丟失的主要原因。

　　浪涌電壓也會導(dǎo)致計算機軟損傷，軟損傷就是計算機受到浪涌電壓作用后，可靠性降低，壽命縮短。浪涌電壓導(dǎo)致現(xiàn)代化制造系統(tǒng)出現(xiàn)的故障主要包括：

　　·存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)丟失

　　·I/O接口電路復(fù)位，導(dǎo)致控制過程中斷

　　·線路板上的器件損壞

　　·預(yù)置的校準(zhǔn)值漂移

　　·程序跑飛、系統(tǒng)死鎖

　　·變頻器、直流電機驅(qū)動器等的輸入整流模塊故障

　　·控制器發(fā)出錯誤指令，導(dǎo)致系統(tǒng)誤動作

　　浪涌電壓之所以會造成控制設(shè)備、信息設(shè)備的誤動作甚至損壞，主要因為浪涌電壓會導(dǎo)致直流母線電壓升高。以變頻器為例，圖3（a）所示的是母線上的無功補償電容投切時產(chǎn)生的浪涌電壓，圖3（b）所示的是變頻器直流母線上出現(xiàn)的浪涌電壓，變頻器母線上的電壓變化，電壓超過了過壓報警線，變頻器會進入過壓保護狀態(tài)。

　　類似于電容投切浪涌這種內(nèi)部電網(wǎng)上產(chǎn)生的浪涌電壓雖然十分頻繁，但是幅度較小，最大的危害是導(dǎo)致設(shè)備誤動作，很少導(dǎo)致設(shè)備損壞。但是雷電導(dǎo)致的浪涌電壓，如圖3（c）所示，其幅度很高，可能會導(dǎo)致電子設(shè)備的硬件損壞。

　　浪涌防護是現(xiàn)代制造系統(tǒng)、信息系統(tǒng)中必須考慮的問題。

　　需要注意的是，浪涌保護的標(biāo)準(zhǔn)也發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)的浪涌保護措施，只要保護電氣設(shè)備的絕緣不被浪涌電壓損壞即可。而現(xiàn)代浪涌保護措施，要確保控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)在浪涌電壓的條件下，不會出現(xiàn)誤動作。最近，發(fā)生在高鐵上的重大事故，據(jù)說是因為天氣惡劣，導(dǎo)致信號系統(tǒng)出現(xiàn)誤動作。這有可能是雷電導(dǎo)致的浪涌電壓使信號系統(tǒng)出現(xiàn)誤動作。因此，在進行現(xiàn)代化的自動系統(tǒng)集成時，必須充分考慮浪涌電壓的防護。

　　能夠?qū)ψ詣涌刂葡到y(tǒng)和信息系統(tǒng)提供可靠浪涌保護的設(shè)備叫做“正弦波跟蹤浪涌保護器”。使用這種設(shè)備，不僅能夠保護電氣設(shè)備的絕緣不被損壞，還能夠保證控制設(shè)備、信息設(shè)備的可靠工作。事實證明，在浪涌保護方面的投資會通過減少設(shè)備損壞、降低維護成本、延長系統(tǒng)正常工作時間等途徑很快收回。從維護系統(tǒng)的安全可靠運行的角度，安裝浪涌保護器是十分必要的。