電涌保護器在電子信息系統(tǒng)中的防護作用

廣東省揭陽市氣象局 林 娜 鄭卓驊

電涌也稱為突波，與正常的工作電壓相比，實際上它就是瞬態(tài)過電壓，其本質上是一種劇烈的脈沖，只在幾百萬分之一秒內(nèi)出現(xiàn)。電涌產(chǎn)生的原因十分復雜，包括各種大型設備電源開關或大型發(fā)動機運行產(chǎn)生的操作過電壓及雷擊產(chǎn)生等。

電涌保護器可以有效地吸收線路上突然產(chǎn)生的過電壓、過電流，保護連接設備免受損壞，是一種為各種電子設備、儀器儀表和通信線路提供安全保護的裝置。當線路上由于突然的外部干擾而產(chǎn)生過電壓及過電流時，電涌保護器可以在極短的時間內(nèi)將線路上的過電壓、過電流傳導入地，從而保護了系統(tǒng)中的各種電子設備免遭損壞。本文通過對電涌保護器的機理分析，探討電涌保護器在電子信息系統(tǒng)的雷電防護中起到的作用。

1.電涌保護器（SPD）的分類

按工作原理分：

（1）開關型：其工作原理是，當線路上沒有瞬時過電壓（過電流）的時候，裝置呈現(xiàn)為高阻抗特性，對地絕緣。而一旦線路上流過瞬時過電壓（過電流）時，該裝置的阻抗就在納秒級別內(nèi)突然變化為低值，對地導通，將過電壓（過電流）釋放入大地。開關型電涌保護器常采用的元器件有放電間隙、氣體放電管、閘流晶體管等等。

（2）限壓型：其工作原理是當線路上沒有瞬時過電壓（過電流）的時候，裝置呈現(xiàn)為高阻抗特性，但如果線路上的過電壓（過電流）持續(xù)增加，則其阻抗將會不斷減小，將會表現(xiàn)出強烈的非線性的電流電壓特性。限壓型電涌保護器常采用的元器件有雪崩二極管、氧化鋅、抑制二極管、壓敏電阻等。

（3）分流型或扼流型

分流型：該種類型的電涌保護器一般與被保護的設備并聯(lián)連接，遇到雷擊電磁脈沖的時候呈現(xiàn)出低阻抗特性，而對線路上設備產(chǎn)生的正常工作頻率則表現(xiàn)為高阻抗特性。

扼流型：該種類型的電泳保護器一般與被保護的設備串聯(lián)連接，當線路上通過雷擊電磁脈沖時，其呈現(xiàn)為高阻抗特性，而在通常狀況下，其對線路上正常的工作頻率表現(xiàn)為低阻抗特性。扼流型電涌保護器常采用的元器件有1/4波長短路器、高通濾波器、低通濾波器及扼流線圈等。

按用途分：

（1） 電源線路電涌保護器，其中又分為交流電源、直流電源、開關電源電涌保護器等。

（2）信號線路電涌保護器，其中又分為天饋線路、低頻信號線路、高頻信號線路電涌保護器等。

2.雷擊電磁脈沖的分級保護

電子信息系統(tǒng)內(nèi)具有各種各樣電子設備，這些電子設備的工作電壓一般只有5～10伏，它們的電磁兼容能力非常之差，當雷擊電磁脈沖入侵電子信息系統(tǒng)時，電子設備極易受到過電壓過電流的襲擊，導致設備損壞。我們知道，電子信息系統(tǒng)非常復雜，一般是由信號采集、傳輸、存儲、檢索等多環(huán)節(jié)組成，受雷擊的概率比較高。由于整個電子信息系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)及接口較多、各種線路也比較長等原因，雷擊電磁脈沖的入侵提供了便利條件。特別是電子信息系統(tǒng)的電源輸入端接口，信號裝置的輸入、輸出接口處，更是過電壓（過電流）侵入的主要途徑。

從上述原因可知，要想電子信息系統(tǒng)免受雷擊損壞，關鍵是要做好雷電電磁脈沖的防護措施?？茖W的防護方法和措施應該是將整個電子信息系統(tǒng)的雷電防護作為一個系統(tǒng)工程來綜合考慮。只有這樣，才能將電子信息系統(tǒng)的雷擊損害降低到最低限度。GB50057-2010《建筑物防雷設計規(guī)范》中闡述了雷電電磁脈沖分級保護的概念。其原理是通過電涌保護器的作用，將線路上瞬態(tài)浪涌電流的幅度逐級降低。在瞬態(tài)浪涌電流通過最后一級電涌保護器之后，其電壓限制在末端設備能夠承受的安全范圍以內(nèi)。

對于一般電子元器件來說，其能夠承受2倍于額定電壓的瞬時過電壓和大約700 V的峰值過電壓。該數(shù)值是經(jīng)過大量的實驗驗證的，在世界各國的信息系統(tǒng)雷電防護中被廣泛采用。當然，在實際應用中，流經(jīng)末端設備的過電壓（過電流）越低，后端的電子設備就越安全。為了最大限度地保護電子設備免遭雷擊損壞，第一級I級實驗的SPD應該安裝在建筑物低壓電源線路引入的總配電箱處，隨后的兩級電涌保護器，應該安裝在被保護設備的就近線路處。當浪涌電壓經(jīng)過第一級電涌保護器時，剩余的過電壓應該能限制在1.5～ 1.8 kv以內(nèi)，這樣，當該過電壓經(jīng)過第級的電涌保護器時，剩余過電壓將會被限制在0.9～1.2 kv以內(nèi)，流經(jīng)第三級電涌保護器后，剩余電壓大概只有0.4～0.tkv.線路上的過電壓，通過電涌保護器的多級限壓以及對浪涌電流的對地泄放，最后加載到末端電子設備上的過電壓一般來說就不會損壞系統(tǒng)及設備了。

3.電涌保護器元器件的選擇

電子信息系統(tǒng)的雷擊電磁脈沖防護，除了良好的等電位連接、可靠的接地裝置之外，質量優(yōu)良的電涌保護器，也是必不可少的。

電涌保護器大部分是通過氧化鋅壓敏電阻和氣體放電管來對雷電流能量進行吸收與泄放的。其中的氧化鋅壓敏電阻是一種最常見的元器件，屬于限壓型保護器件。氧化鋅壓敏電阻在沒有脈沖電壓通過時呈現(xiàn)為高阻狀態(tài)，一旦其上通過脈沖電壓，它會立即將脈沖電壓限制到一定的幅值，突然呈現(xiàn)為低阻抗狀態(tài)。氧化鋅壓敏電阻與氣體放電管相比較，其最大的優(yōu)點就是，當它吸收脈沖電壓時，殘壓會比工作電壓高，這種優(yōu)點表現(xiàn)為不會造成電源線路突然短路，從而也就不會有續(xù)流的問題產(chǎn)生。對于另一種元器件氣體放電管來說，它的擊穿電壓對脈沖電壓的上升速率十分敏感，當脈沖電壓的上升速率越快，氣體放電管的點火電壓就會越高，其響應時間就會越快。

如果在制作電涌保護器的時候，能正確地選擇質量優(yōu)良的壓敏電阻或者氣體放電管，并針對它們各自的特點生產(chǎn)不同組合的電涌保護器，其整體的雷電防護能力將會更好。即使是同一種規(guī)格的壓敏電阻，不同的廠家，由于生產(chǎn)工藝、原材料、制造方法的不同，也會表現(xiàn)出極大的差異性，這樣生產(chǎn)出來的電涌保護器，質量方面也會有很大的差別。

對于氣體放電管來說，雖然其具有很強的耐壓耐沖擊能力，但它在放電時殘壓極低，導致其處于近乎短路的狀態(tài)，因此，電涌保護器中的氣體放電管一般是不能單獨使用的。評價氣體放電管的耐流能力是否優(yōu)良，主要考慮的因素是管徑，其管徑越大，耐流能力就越好。同時，氣體放電管也存在一個不容忽視的的質量問題，主要表現(xiàn)為慢性漏氣，另一方面，氣體放電管的光敏效應和離散性也較大因此，制作電涌護器時，應優(yōu)先選擇名牌氣體放電管的產(chǎn)品，且氣體放電管的管徑最好選擇≥Ф8mm以上。

4.結論

電涌保護器在電子信息系統(tǒng)的雷擊電磁脈沖防護中起到的作用是極其重要的，同時，其元器件的選擇，又關系到電涌保護器的是否能夠真正對電子設備起到雷擊防護作用。所以，必須慎重選擇電子信息系統(tǒng)中的電涌保護器，這樣才能起到可靠的雷擊電磁脈沖防護作用。