常用防雷元器件介绍.doc

常用防雷元器件及SPD介绍
常用防雷元件及SPD介绍
一、 主要培训内容
1． 雷电波形てf/てt和纵横向防雷的概念
2． 常用防雷元器件工作原理及主要特性
2．1 气体放电管
2．2 压敏电阻
2．3 暂态抑制二极管（又称TVS管）
2．4 三者优缺点比较
3． SPD组成及工作原理
二、雷电波形てf/てt和纵横向防雷的概念
1．雷电波形てf/てt
人类通过对雷电波的大量测试，基本可以用以下几种常用波形来等效和分析，即10/350us 、8/20us、1.2/50us等，这些波形究竟表示什么意思呢？请看下图：

X轴为时间t，Y轴为时间i。其中，Im为雷电流峰值,在0.9Im、0.5Im、0.1Im作与X轴的平行线，分别交于A、F、B，连接AB，与X轴交于D，与1.0Im平行线交于C，在C、F作垂直线分别与X轴交于E、G，则波头时间てf=DE，波长时间 てt=DG，定义てf/てt为雷电波形。
2．纵横向防雷
纵向防雷是指信号线、通信线或电源线等与大地间的防护(抑制共模电压)
横向防雷是指信号线、通信线或电源线等线间的防护(抑制差模电压)
三、常用防雷元器件工作原理及主要特性
1．气体放电管
1．1工作原理
是一种间隙式防雷元件，常用于前级，管内充入电气性能稳定的惰性气体（如氩气和氖气）。当两端的电压达到其直流放电电压时，内部气体击穿而放电，放电过程分为四个阶段：负阻区、正常辉光放电、异常辉光放电、电弧放电，电弧压降常在10V~30V之间，从而使设备两端的电压得以限制。
1．2响应特性和续流特性
气体放电管击穿导通后，其两端电压较低，大大低于其击穿导通电压（直流放电电压），对于上升陡度较大的波形，即使达到其直流放电电压，由于其击穿导通过程的延时作用（即动作响应较慢），不会立即放电，因此在设备两端会出现比直流放电电压高得多的电压即冲击放电电压。
气体放电管在过电压作用下击穿导通，而一旦过电压消失（低于维持辉光放电的电压），自动恢复到关断高阻状态。因此，当过电压消失后,设备两端的正常运行电压必须低于管子维持辉光放电的电压，否则将影响被保护设备的正常工作，烧坏管子，这就是气体放电管的续流特性。
1．3主要参数
• 直流放电电压： 在上升陡度低于100V/S的电压作用下，放电管开始放电的平均电压值。
• 冲击放电电压： 在具有规定上升陡度的暂态电压脉冲作用下，放电管开始放电的电压值。
1．4优缺点
优点：通流量大。极间绝缘电阻大。寄生电容小。击穿导通后，箝位电压低。
缺点：动作响应慢，对于波头上升陡度较大的雷电波难以抑制。有续流特性，不能直接应用在工作电压较高的场合（如电源线）
2． 压敏电阻
2．1工作原理和伏安特性
是一种以氧化锌为主要成份的金属氧化物半导体非线性电阻，当作用在其两端的电压达到一定数值后，电阻对电压十分敏感，故称为压敏电阻。
在压敏电阻中，除了氧化锌外，还掺有少量的钴、锰和铋、锑等其他金属氧化物，一个压敏电阻可看成是由许许多多微型PN结串联而成。其伏安特性如下图：
X轴为电压V，Y轴为电流I，其伏安特性类似于二极管的特性。

2．2主要参数
• 参考电压： 压敏电阻通过1mA直流电流时其两端的电压V1mA。
• 残压： 通过规定波形（常为8/20us）的某一幅值电流时，其两端的峰值电压。不同幅值电流所对应的残压不同。
• 通流容量： 按规定时间间隔与次数在其两端施加规定波形（常为8/20us）电流后，其参考电压的变化率仍在规定范围内所能通过的最大电流幅值。
• 泄漏电流： 在小于参考电压（如0.75V1 mA）的低电压作用下,流过压敏电阻的电流.
• 额定允行电压：允许长期连续施加在压敏电阻两端的工频电压有效值（或直流电压值）
2．3优缺点
优点：通流量大。动作响应较快。无续流。
缺点：寄生电容大。有泄漏
3．暂态抑制二极管（TVS管）
正向工作特性与普通二极管一样，反向工作特性与普通稳压管一样。一般用于SPD的最后级。
3．1主要参数
• 额定击穿电压：在反向击穿电流为1mA时的击穿电压。
• 最大箝位电压：通过规定波形的大电流（几十至几百安时）其两端出现的最高电压。
3．2优缺点
优点：动作响应快，特别适合于半导体体件的前级保护。无续流。箝位电压低。
缺点：寄生电容大。有泄漏。通流量小
4．三者优缺点比较

气体放电管
压敏电阻
暂态抑制二极管
泄漏电流
无
小
小
续流
有
无
无
寄生电容
小
大
大
响应时间
慢（us级）
较快（ ns级）
快（ps级）
通流容量
大（1KA-100KA）
大（0.1KA-100KA）
较小（0.1KA-1KA）
老化现象
有
有
几乎没有
损坏形式
短路或开路
短路或开路
短路或开路
箝位电压水平
放电电压高
中等
低

四、SPD组成及工作原理
绝大部分SPD都是由上述三种元件根据不同的场合和要求以不同的组合方式而构成。总体可分为并联和串联两种。
并联式SPD：与设备并联，其内部通常只有一级防护。工作原理：

当暂态过电压加在SPD上时，
a.气体放电管击穿导通，使设备承承受10V~30V的电弧压降。

b. 压敏电阻或暂态抑制二极管导通，使设备两端电压得到限制，限制电压为保护元件的箝位电压.
串联式SPD：与设备串联，其内部通常有多级防护。工作原理：

图中，放电管G的直流放电电压高于压敏电阻MOV的参考电压，而压敏电阻MOV的参考电压高于TVS管的额定击穿电压。
当暂态过电压加在SPD上时，由于放电管G具有较高的放电电压和较长的响应时间、压敏电阻MOV具有较高的参考电压和比TVS管长的响应时间，它们均不能很快起作用，在它们未起作用前，TVS管将首先击穿导通进行限压，并流过暂态电流i2，随着电流的增大，电感L2上的压降也增大（L2*di2/dt）,这一压降和TVS管上的压降之和加于MOV端，促使MOV尽快动作，当MOV导通后，由于暂态电流被MOV分流，减轻了TVS管的压力（通流量）。同理，随着电流的增大，电感L1上的压降也增大（L1*di1/dt），这一压降和MOV上的压降之和加于G端，促使G尽快放电，一旦G导通后，大量的雷电流都经过放电管G泄放。这种结构SPD的内部元件工作时有机协调，充分发挥出了各元件的优点而克服了其缺点。

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