電涌

1、雷電電涌過電壓

以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範圍內，都可能產生危險的過電壓。雷擊引起（外部）電涌的特點是單相脈衝型，能量巨大。外部電涌的電壓在幾微秒內可從幾百伏快速升高至20000V，可以傳輸相當長的距離。按ANSI/IEEEC62.41-1991說明，瞬間電涌可高達20000V，瞬間電流可達10000A。根據統計，系統外的電涌主要來自於雷電和其它系統的衝擊，大約佔20%。

雷擊引起的電涌可分為：

（1）感應雷擊電涌過電壓：雷擊閃電產生的高速變化的電磁場，閃電輻射的電場作用於導體，感應很高的過電壓，這類過電壓具有很陡的前沿並快速衰減。

（2）直接雷擊電涌過電壓：直接落雷在電網上，由於瞬間能量巨大，破壞力極強，目前還沒有一種設備能對直接落雷進行保護。

（3）雷擊傳導電涌過電壓：由遠處的架空線傳導而來，由於接於電力網的設備對過電壓有不同的抑制能力，因此傳導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，並於大地及臨近金屬物體間存在分佈電容，構成並聯諧振迴路，在TT、TN供電系統，當出現單相接地故障的瞬間，由於高頻率的成分出現諧振，在線路上產生很高過電壓，主要損壞二次儀錶。

2、操作電涌過電壓

在電力系統內部，由於斷路器的操作、負荷的投入和切除或系統故障等 系統內部的狀態變化，而使系統參數發生變化，從而引起的電力內部電磁能量轉換或傳輸過渡過程，將在系統內部出現過電壓。系統內的電涌主要來自於系統內部用電負荷的衝擊，大約佔80%。在電力系統引起的內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。

內部產生的電涌特點主要是震蕩型，在供電系統中的變壓器、感性負載和電容器之間震蕩且高次諧波成分含量高。IEEE中指出，內部電涌的電壓值在幾微秒至幾納秒從幾百伏升高至6000V。在繁忙的工廠或城市商業用電環境中，每小時的瞬間電涌可達到180000~432000次。

載流和重燃電涌過電壓：由接通和分斷控制設備時產生，特別是電動機或變壓器負載，在起動階段或故障時分斷，出現載流和重燃過電壓，常使電動機繞組或變壓器擊穿損壞（如國內一鋼鐵企業發電廠，在一個月內因接通和分斷過電壓造成兩台3000KW電動機相間南穿穿短路損壞）。

3、靜電放電

乾燥的絕緣體（如毛製品），在乾燥的環境通過摩控產生靜電，能量較小，主要損壞集成電路。

造成電涌（瞬變脈衝）的原因包括閃電、接地不良、感性負載切換、市電故障排除以及靜電放電（ESD），其結果可能會造成數據丟失（或損壞）甚至設備的損毀。而其中以閃電破壞性最強。閃電擊中以及觸點開關產生的瞬間放電或電弧放電引起的電涌，從現象上看有：

飛弧：在被損的部件上留下明顯的電弧痕迹；

電暈：在絕緣體表面上，有明顯的電蝕痕迹，被蝕部位絕緣下降；

控制電路的IC等元件損壞；一般電子設備、家用電器的整流元件、穩壓元件損壞；

接地故障成設備帶電（單相接地）：造成設備相間短路（電機相間短路）。

主要分成兩種：災難性的危害和積累性的危害。

災難性危害：一個電涌電壓超過設備的承受能力，則這個設備完全被破壞或壽命大大降低。如下圖所示：

電機通常的絕緣電壓為正常工作電壓的2倍加1000V左右，故220V電機的絕緣電壓一般為1500V。電涌不斷地衝擊電機的絕緣層，導致絕緣層被擊穿。

積累性危害：多個小電涌累積效應造成半導體器件性能的衰退、設備發故障和壽命的縮短，最後導致停產或是生產力的下降。

上圖是一個實際的例子，這是從美國空軍計算機 上取下的晶元，圓圈處的凹陷造成IC晶元的永久損壞導致停機和器件更換，上下部的裂痕造成停機、出錯和複位。需要指出的是，該晶元在安裝了昂貴的UPS系統中工作。

電涌普遍的存在於配電系統中，也就是說電涌無處不在。

電涌在配電系統主要表現有：

電壓波動；在正常工作情況下，機器設備會自動停止或啟動；用電設備中有空調、壓縮機、電梯、泵或電機，電腦控制系統經常出現無理由複位；電機經常要更換或重繞；電氣設備由於故障、複位或電壓問題而縮短使用壽命。

電涌對敏感電子電器設備的影響有以下類型：

破壞；

電壓擊穿半導體器件；

破壞元器件金屬化表層；

破壞印刷電路板印刷線路或接觸點；

破壞三端雙可控硅元件/晶閘管；

干擾；

鎖死、晶閘管或三端雙向可控硅元件失控；

數據文件部分破壞；

數據處理程序出錯；

接收、傳輸數據的錯誤和失敗；

原因不明的故障；

過早老化；

零部件提前老化、電器壽命大大縮短；

輸出音質、畫面質量下降。

根據IEEE（電氣與電子工程師協會）國際標準，電涌峰值電壓所造成的危害程度，可按如下三種進行分級：

1、電涌電壓的峰值達到20KV數量級以上時

（1）會對用戶的設備立即造成災害，導致不可恢復的直接經濟損失；

（2）整個系統停頓，如信號通訊中止、廣播電視停播等間接經濟損失；

2、電涌電壓處於1.2KV~2.1KV數量級時

（1）造成設備中的某些部件被損壞或致使其性能提前老化；

（2）電子設備的線路及元件燒毀；

3、電涌電壓達到700~800V數量級的電涌過多過頻出現時

（1）傳輸或存儲的訊號或數量錯亂或丟失；

（2）伺服器或電腦死機；

電路燒毀、數據錯失、卡機重啟、性能衰退…電涌的危害遠不止於此。隨著城市化、生活水平的提高，人們生活中接入電涌的電器越來越多、開關越來越頻發、用電環境越來越複雜，導致第三級電涌發生的概率迅速上升，即使是很小的電涌或峰值電壓也可以最終摧毀或影響昂貴的電子設備的性能，如電腦、電話、傳真、電視、音頻/視頻設備和其它家用電器和工具。電腦晶元的普遍使用越發需要電涌保護，因為這些晶元往往對電壓波動都十分敏感。

有很多原因會造成屏幕抖動等顯示故障，其中一種情況便是電流、電壓瞬變導致電源過濾電容損壞，打開機箱，如果看到電源電涌（電路板上個頭最大的那個電容）頂部鼓起，那便說明電容壞了。

屏幕抖動是由電源故障引起的，更換電容之後，即可解決問題。此外，如音箱只要通電就有噪音，及時把音箱和電腦的接頭拔下來也沒用，原因之一是電流、電壓瞬變導致電源過濾電容損壞…

現在智能數碼設備越來越多，大多採用鋰電池，根據中國鋰電池行業研究分析發現，鋰電池在充放電過程中的過充電、過放電、電流過大、電流電壓瞬變、溫度過高等現象會加劇電池間特性的差異，引起鋰電池內部化學元素、電壓等性能的不平衡。最終導致電池壽命急劇衰退和損壞。

電涌的環境分類與分級保護

電涌保護要分級實施，最終達到對配電系統和電子設備完善保護的目的。分級實施電涌防護的第一步是對電涌環境進行分類。

電涌環境的分類是依據電涌的強度和頻度。國際上一般將電涌環境分為3類（如圖所示）：

（1）C類：指戶外以及進線的總開關處，這些部位容易出現較強的雷電電涌，具體位置包括：電錶與配電盤之間的連線，建築物之間的架空線，連接到井下的地下電纜；

（2）B類：指與C類環境之間連線較短的位置，以及大型建築物中的照明系統，這些位置的電涌既可以由雷電產生，也可以由內部電氣開關產生，由雷電產生的電涌經過配電線衰減，已經比C類環境中的電涌衰減了一些；

（3）A類：指房間內的電源插座和較長配電線的終端；較長的含義是離開B級規定的位置10米以上的電源插座，或者離開C級規定的位置20米以上的電源插座，這些位置的電涌主要是內部電氣開關產生的電涌電壓。

按照電氣電子工程師協會（IEEE）的推薦，浪涌保護應該分級實施，分級的方法與浪涌環境分類相對應：

第一級：在入戶配電櫃處，消除戶外雷電產生的浪涌，防止巨大的浪涌能量進入戶內；

第二級：在配電系統的配電盤處，其作用有兩個，一個是進一步消弱第一級殘留的浪涌能量，另一個是消除內部電氣開關產生的浪涌；

第三級：安裝在敏感電子設備的電源入線處，為電子設備提供完善的保護。

分級防護的目的有兩個，一個是逐級衰減雷電浪涌，另一個是消除內部負荷接通和斷開時產生的浪涌。

第一級防護主要針對雷電在電源線上感應的浪涌電壓，將雷電浪湧進行適度的衰減。這級防護要採用承受電流能量強的浪涌保護器。國外一些廠商推薦使用承受電流能力在200kA以上的產品。實際上，根據大量統計，大部分浪涌電流的幅度在10kA左右，之所以保留這樣大的富餘量，主要是考慮到延長保護器的壽命。浪涌保護器的壽命是有限的，每承受一次浪涌衝擊后，導通電壓就會降低一些，當降低到電源電壓時，浪涌保護器就宣告壽命結束。浪涌保護器每次電壓降低的幅度與其額定電流容量有關。額定電流越大，浪涌保護器的壽命越長。歐美的一些廠商承敢於諾保修20年，就是基於這樣大的富餘量。第一級浪涌保護器的特點是容量大，不需要正弦波跟蹤功能。

第二級防護的主要功能是進一步衰減殘留的雷電浪涌，並衰減內部電氣負荷產生的浪涌電壓。這一級防護可以採用承受電流較小的浪涌保護器。根據後面是否有第三級保護，決定是否採用具有正弦波跟蹤功能的保護器。如果有第三級防護，就不需要正弦波跟蹤功能；如果沒有第三級防護，並且負荷是電子設備，就需要具有正弦波跟蹤功能。第三級防護的主要功能為用電設備提供沒有浪涌的電壓，要具有正弦波跟蹤功能。遇到以下場合時，第三級防護是必要的：

（1）有基於微處理器的電子設備；

（2）貴重的電子設備或者維修周期很長的電子設備：

（3）雷電多發的地區；

（4）大功率電氣負荷較多的地區；

（5）工廠、礦山中的自動化控制設備；

（6）自動化辦公設備，電腦、複印機等；

（7）關鍵醫療設備，特別是生命監護設備。

電涌保護器（Surge protection Device）是電子設備電涌防護中不可缺少的一種裝置，過去常稱為“避雷器”或“過電壓保護器”英文簡寫為SPD.電涌保護器的作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統所能承受的電壓範圍內，或將強大的電流泄流入地，保護被保護的設備或系統不受衝擊而損壞。

電涌保護器工作過程

電涌保護器像電力海綿一樣，能夠吸收危險的額外電壓，防止大多數這樣的電壓進入您的敏感設備。

具有電話線保護功能的防涌插座可給您的用電設備提供最完備的保護，以防受到有害電涌侵害。電涌和尖峰電壓會通過電話和電源線破壞或降低您貴重電子設備的性能水平。完善的電涌保護功能可隨時保護諸如計算機、電話機、數據機、電視機及其它家庭電子設備和電器用具。防浪涌插座，可以使您的用電設備及電話設備防雷擊、穩定工作、延長電器使用壽命。

特點

保護電話/DSL/寬頻線路；

保護高達45,000安的最大尖峰電流；

提供高達1780焦耳能級的最大保護；

過濾電磁/無線電頻率干擾（EMI/RFI）；

在1納秒內響應以保護設備。

電涌保護器（SPD）的分類

電涌保護器的類型和結構按不同的用途有所不同，但它至少應包含一個非線性電壓限制元件。用於電涌保護器的基本元器件有：放電間隙、充氣放電管、壓敏電阻、抑制二極體和扼流線圈等。

一、SPD的分類

1、按工作原理分：

（一）開關型：其工作原理是當沒有瞬時過電壓時呈現為高阻抗，但一旦響應雷電瞬時過電壓時，其阻抗就突變為低值，允許雷電流通過。用作此類裝置時器件有：放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等。

（二）限壓型：其工作原理是當沒有瞬時過電壓時為高阻擾，但隨電涌電流和電壓的增加其阻抗會不斷減小，其電流電壓特性為強烈非線性。用作此類裝置的器件有：氧化鋅、壓敏電阻、抑制二極體、雪崩二極體等。

（三）分流型或扼流型

分流型：與被保護的設備並聯，對雷電脈衝呈現為低阻抗，而對正常工作頻率呈現為高阻抗。

扼流型：與被保護的設備串聯，對雷電脈衝呈現為高阻抗，而對正常的工作頻率呈現為低阻抗。

用作此類裝置的器件有：扼流線圈、高通濾波器、低通濾波器、1/4波長短路器等。

按用途分：交流電源保護器、直流電源保護器、開關電源保護器等。

（四）信號保護器：低頻信號保護器、高頻信號保護器、天饋保護器等。

二、SPD的基本元器件及其工作原理

（一）放電間隙（又稱保護間隙）

它一般由暴露在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬棒組成，其中一根金屬棒與所需保護設備的電源相線L1或零線（N）相連，另一根金屬棒與接地線（PE）相連接，當瞬時過電壓襲來時，間隙被擊穿，把一部分過電壓的電荷引入大地，避免了被保護設備上的電壓升高。這种放電間隙的兩金屬棒之間的距離可按需要調整，結構較簡單，其缺點時滅弧性能差。改進型的放電間隙為角型間隙，它的滅弧功能較前者為好，它是靠迴路的電動力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。

（二）氣體放電管

它是由相互離開的一對冷陰板封裝在充有一定的惰性氣體（Ar）的玻璃管或陶瓷管內組成的。為了提高放電管的觸發概率，在放電管內還有助觸發劑。這種充氣放電管有二極型的，也有三極型的，

氣體放電管的技術參數主要有：直流放電電壓Udc；衝擊放電電壓Up（一般情況下Up≈（2～3）Udc；工頻而授電流In；衝擊而授電流Ip；絕緣電阻R（>109Ω）；極間電容（1-5PF）。

氣體放電管可在直流和交流條件下使用，其所選用的直流放電電壓Udc分別如下：

在直流條件下使用：Udc≥1.8U0（U0為線路正常工作的直流電壓）。

在交流條件下使用：U dc≥1.44Un（Un為線路正常工作的交流電壓有效值）。

（三）壓敏電阻

它是以ZnO為主要成分的金屬氧化物半導體非線性電阻，當作用在其兩端的電壓達到一定數值后，電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當於多個半導體P-N的串並聯。壓敏電阻的特點是非線性特性好（I=CUα中的非線性係數α），通流容量大（～2KA/cm ），常態泄漏電流小（10 ～10 A），殘壓低（取決於壓敏電阻的工作電壓和通流容量），對瞬時過電壓響應時間快（～10 s），無續流。

壓敏電阻的技術參數主要有：壓敏電壓（即開關電壓）UN，參考電壓Ulma；殘壓Ures；殘壓比K（K=Ures/UN）；最大通流容量Imax；泄漏電流；響應時間。

壓敏電阻的使用條件有：

最小參考電壓：Ulma≥（1.8～2）Uac （直流條件下使用）。

Ulma≥（2.2～2.5）Uac（在交流條件下使用，Uac為交流工作電壓）。

壓敏電阻的最大參考電壓應由被保護電子設備的耐受電壓來確定，應使壓敏電阻的殘壓低於被保護電子設備的而損電壓水平，即（Ulma）max≤Ub/K，上式中K為殘壓比，Ub為被保護設備的而損電壓。

（四）抑制二極體

抑制二極體具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區，由於它具有箝位電壓低和動作響應快的優點，特別適合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件。抑制二極體在擊穿區內的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α為非線性係數，對於齊納二極體α=7～9，在雪崩二極體α=5～7.

抑制二極體的技術參數主要有：

1、額定擊穿電壓，它是指在指定反向擊穿電流（常為lma）下的擊穿電壓，這於齊納二極體額定擊穿電壓一般在2.9V～4.7V範圍內，而雪崩二極體的額定擊穿電壓常在5.6V～200V範圍內。

2、最大箝位電壓：它是指管子在通過規定波形的大電流時，其兩端出現的最高電壓。

3、脈衝功率：它是指在規定的電流波形（如10/1000μs）下，管子兩端的最大箝位電壓與管子中電流等值之積。

4、反向變位電壓：它是指管子在反向泄漏區，其兩端所能施加的最大電壓，在此電壓下管子不應擊穿。此反向變位電壓應明顯高於被保護電子系統的最高運行電壓峰值，也即不能在系統正常運行時處於弱導通狀態。

5、最大泄漏電流：它是指在反向變位電壓作用下，管子中流過的最大反向電流。

6、響應時間：10-11s。

（五）扼流線圈

扼流線圈是一個以鐵氧體為磁芯的共模干擾抑制器件，它由兩個尺寸相同，匝數相同的線圈對稱地繞制在同一個鐵氧體環形磁芯上，形成一個四端器件，要對於共模信號呈現出大電感具有抑制作用，而對於差模信號呈現出很小的漏電感幾乎不起作用。扼流線圈使用在平衡線路中能有效地抑制共模干擾信號（如雷電干擾），而對線路正常傳輸的差模信號無影響。

這種扼流線圈在製作時應滿足以下要求：

1、繞制在線圈磁芯上的導線要相互絕緣，以保證在瞬時過電壓作用下線圈的匝間不發生擊穿短路。

2、當線圈流過瞬時大電流時，磁芯不要出現飽和。

3、線圈中的磁芯應與線圈絕緣，以防止在瞬時過電壓作用下兩者之間發生擊穿。

4、線圈應儘可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強線圈對瞬時過電壓的而授能力。

（六）1/4波長短路器

1/4波長短路器是根據雷電波的頻譜分析和天饋線的駐波理論所製作的微波信號電涌保護器，這種保護器中的金屬短路棒長度是根據工作信號頻率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波長的大小來確定的。此並聯的短路棒長度對於該工作信號頻率來說，其阻抗無窮大，相當於開路，不影響該信號的傳輸，但對於雷電波來說，由於雷電能量主要分佈在n+KHZ以下，此短路棒對於雷電波阻抗很小，相當於短路，雷電能量級被泄放入地。

由於1/4波長短路棒的直徑一般為幾毫米，因此耐衝擊電流性能好，可達到30KA（8/20μs）以上，而且殘壓很小，此殘壓主要是由短路棒的自身電感所引起的，其不足之處是工頻帶較窄，帶寬約為2%～20%左右，另一個缺點是不能對天饋設施加直流偏置，使某些應用受到限制。