浪湧:物理術語-中文百科頻道

簡介

浪湧電流是指電源接通瞬間或是在電路出現異常情況下産生的遠大于穩态電流的峰值電流或過載電流。

在電子設計中，浪湧主要指的是電源（隻是主要指電源）剛開通的那一瞬息産生的強力脈沖，由于電路本身的非線性有可能高于電源本身的脈沖；或者由于電源或電路中其它部分受到本身或外來尖脈沖幹擾叫做浪湧.它很可能使電路在浪湧的一瞬間燒壞，如PN結電容擊穿，電阻燒斷等等. 而浪湧保護就是利用非線性元器件對高頻（浪湧）的敏感設計的保護電路，簡單而常用的是并聯大小電容和串聯電感。

産生原因

供電系統浪湧的來源分為外部（雷電原因）和内部（電氣設備啟停和故障等）。

外部原因

雷電電湧過電壓

雷擊引起的電湧危害最大，在雷擊放電時，以雷擊為中心1.5~2KM範圍内，都可能産生危險的過電壓。雷擊引起（外部）電湧的特點是單相脈沖型，能量巨大。外部電湧的電壓在幾微秒内可從幾百伏快速升高至20000V，可以傳輸相當長的距離。按ANSI/IEEE C62.41-1991說明，瞬間電湧可高達20000V，瞬間電流可達10000A。根據統計，系統外的電湧主要來自于雷電和其它系統的沖擊，大約占 20%。

（1）感應雷擊電湧過電壓：雷擊閃電産生的高速變化的電磁場，閃電輻射的電場作用于導體，感應很高的過電壓，這類過電壓具有很陡的前沿并快速衰減。

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

（3）雷擊傳導電湧過電壓：由遠處的架空線傳導而來，由于接于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随線路的延長而減弱。

（4）振蕩電湧過電壓：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，構成并聯諧振回路，在TT、TN供電系統，當出現單相接地故障的瞬間，由于高頻率的成分出現諧振，在線路上産生很高過電壓，主要損壞二次儀表。

直接雷擊是最嚴重的事件，尤其是如果雷擊擊中靠近用戶進線口架空輸電線。在發生這些事件時，架空輸電線電壓将上升到幾十萬伏特，通常引起絕緣閃絡。雷電電流在電力線上傳輸的距離為一公裡或更遠，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域，電力設施每年可能有好幾次遭受雷電直擊事件引起嚴重雷電電流。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，上述事件是很少發生的。

間接雷擊和内部浪湧發生的概率較高，絕大部分的用電設備損壞與其有關。所以電源防浪湧的重點是對這部分浪湧能量的吸收和抑制。

内部原因

操作電湧過電壓

内部浪湧發生的原因同供電系統内部的設備啟停和供電網絡運行的故障有關：

在電力系統内部，由于斷路器的操作、負荷的投入和切除或系統故障等系統内部的狀态變化，而使系統參數發生變化，從而引起的電力内部電磁能量轉換或傳輸過渡過程，将在系統内部出現過電壓。系統内的電湧主要來自于系統内部用電負荷的沖擊，大約占 80%。在電力系統引起的内部過電壓的原因大緻可分為：

（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

供電系統内部由于大功率設備的啟停、線路故障、投切動作和變頻設備的運行等原因，都會帶來内部浪湧，給用電設備帶來不利影響。特别是計算機、通訊等微電子設備帶來緻命的沖擊。即便是沒有造成永久的設備損壞，但系統運行的異常和停頓都會帶來很嚴重的後果。比如核電站、醫療系統、大型工廠自動化系統、證券交易系統、電信局用交換機、網絡樞紐等。

浪湧的表現

浪湧普遍的存在于配電系統中，也就是說浪湧無處不在。浪湧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

— 電氣設備由于故障、複位或電壓問題而縮短使用壽命

浪湧的特點

浪湧産生的時間非常短，大概在微微秒級。浪湧出現時，電壓電流的幅值超過正常值的兩倍以上。由于輸入濾波電容迅速充電，所以該峰值電流遠遠大于穩态輸入電流。電源應該限制AC開關、整流橋、保險絲、EMI濾波器件能承受的浪湧水平。反複開關環路，AC輸入電壓不應損壞電源或者導緻保險絲燒斷

。

浪湧的危害

破壞原理與現象

造成浪湧（瞬變脈沖）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丢失（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産生的瞬間放電或電弧放電引起的電湧，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）。

危害分類

浪湧的危害主要分成兩種：災難性的危害和積累性的危害。

災難性危害：一個電湧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。

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。電湧不斷地沖擊電機的絕緣層，導緻絕緣層被擊穿。

積累性危害：多個小電湧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，最後導緻停産或是生産力的下降。

對設備的影響

浪湧的存在：電湧普遍的存在于配電系統中，也就是說電湧無處不在。電湧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

電氣設備由于故障、複位或電壓問題而縮短使用壽命

浪湧對設備的影響：電湧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

破壞印刷電路闆印刷線路或接觸點

破壞三端雙可控矽元件/晶閘管……

幹擾

鎖死、晶閘管或三端雙向可控矽元件失控

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

浪湧保護

浪湧保護器，也叫防雷器，是一種為各種電子設備、儀器儀表、通訊線路提供安全防護的電子裝置。當電氣回路或者通信線路中因為外界的幹擾突然産生尖峰電流或者電壓時，浪湧保護器能在極短的時間内導通分流，從而避免浪湧對回路中其他設備的損害。

基本元件

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。這種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，其缺點是滅弧性能差。改進型的放電間隙為角型間隙，它的滅弧功能較前者為好，它是靠回路的電動力F作用以及熱氣流的上升作用而使電弧熄滅的。

氣體放電管

它是由相互離開的一對冷陰闆封裝在充有一定的惰性氣體（Ar）的玻璃管或陶瓷管内組成的。為了提高放電管的觸發概率，在放電管内還有助觸發劑。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；沖擊放電電壓Up（一般情況下Up≈（2～3）Udc；工頻而授電流In；沖擊而授電流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分别如下：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）

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後，電阻對電壓十分敏感。它的工作原理相當于多個半導體P-N的串并聯。壓敏電阻的特點是非線性特性好（I=CUα中的非線性系數α），通流容量大（～2KA/cm），常态洩漏電流小（10～10A），殘壓低（取決于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（～10s），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；洩漏電流；響應時間。

壓敏電阻的使用條件有：壓敏電壓：UN≥[（√2×1.2）/0.7]Uo（Uo為工頻電源額定電壓）

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确定，應使壓敏電阻的殘壓低于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。

抑制二極管

抑制二極管具有箝位限壓功能，它是工作在反向擊穿區，由于它具有箝位電壓低和動作響應快的優點，特别适合用作多級保護電路中的最末幾級保護元件。抑制二極管在擊穿區内的伏安特性可用下式表示：I=CUα，上式中α為非線性系數，對于齊納二極管α=7～9，在雪崩二極管α=5～7.

抑制二極管的技術參數主要有：

⑴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，至于齊納二極管額定擊穿電壓一般在2.9V～4.7V範圍内，而雪崩二極管的額定擊穿電壓常在5.6V～200V範圍内。

⑵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。

⑶脈沖功率：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。

⑷反向變位電壓：它是指管子在反向洩漏區，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于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于弱導通狀态。

⑸最大洩漏電流：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。

⑹響應時間：10s

扼流線圈

扼流線圈是一個以鐵氧體為磁芯的共模幹擾抑制器件，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，要對于共模信号呈現出大電感具有抑制作用，而對于差模信号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幹擾信号（如雷電幹擾），而對線路正常傳輸的差模信号無影響。

扼流線圈在制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）線圈應盡可能繞制單層，這樣做可減小線圈的寄生電容，增強線圈對瞬時過電壓的耐受能力。

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制作的微波信号電湧保護器，這種保護器中的金屬短路棒長度是根據工作信号頻率（如900MHZ或1800MHZ）的1/4波長的大小來确定的。此并聯的短路棒長度對于該工作信号頻率來說，其阻抗無窮大，相當于開路，不影響該信号的傳輸，但對于雷電波來說，由于雷電能量主要分布在n+KHZ以下，此短路棒對于雷電波阻抗很小，相當于短路，雷電能量級被洩放入地。

由于1/4波長短路棒的直徑一般為幾毫米，因此耐沖擊電流性能好，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。

分級防護

浪湧保護器（也稱防雷器）的分級防護

由于雷擊的能量是非常巨大的，需要通過分級洩放的方法，将雷擊能量逐步洩放到大地。第一級防雷器可以對于直接雷擊電流進行洩放，或者當電源傳輸線路遭受直接雷擊時傳導的巨大能量進行洩放，對于有可能發生直接雷擊的地方，必須進行CLASS—I的防雷。第二級防雷器是針對前級防雷器的殘餘電壓以及區内感應雷擊的防護設備，對于前級發生較大雷擊能量吸收時，仍有一部分對設備或第三級防雷器而言是相當巨大的能量會傳導過來，需要第二級防雷器進一步吸收。同時，經過第一級防雷器的傳輸線路也會感應雷擊電磁脈沖輻射LEMP，當線路足夠長感應雷的能量就變得足夠大，需要第二級防雷器進一步對雷擊能量實施洩放。第三級防雷器是對LEMP和通過第二級防雷器的殘餘雷擊能量進行保護。

第一級保護

目的是防止浪湧電壓直接從LPZ0區傳導進入LPZ1區，将數萬至數十萬伏的浪湧電壓限制到2500—3000V。

入戶電力變壓器低壓側安裝的電源防雷器作為第一級保護時應為三相電壓開關型電源防雷器，其雷電通流量不應低于60KA。該級電源防雷器應是連接在用戶供電系統入口進線各相和大地之間的大容量電源防雷器。一般要求該級電源防雷器具備每相100KA以上的最大沖擊容量，要求的限制電壓小于1500V，稱之為CLASS I級電源防雷器。這些電磁防雷器是專為承受雷電和感應雷擊的大電流以及吸引高能量浪湧而設計的，可将大量的浪湧電流分流到大地。它們僅提供限制電壓（沖擊電流流過電源防雷器時，線路上出現的最大電壓稱為限制電壓）為中等級别的保護，因為CLASS I級保護器主要是對大浪湧電流進行吸收，僅靠它們是不能完全保護供電系統内部的敏感用電設備的。

第一級電源防雷器可防範10/350μs、100KA的雷電波，達到IEC規定的最高防護标準。其技術參考為：雷電通流量大于或等于100KA（10/350μs）；殘壓值不大于2.5KV；響應時間小于或等于100ns。

第二級防護

目的是進一步将通過第一級防雷器的殘餘浪湧電壓的值限制到1500—2000V，對LPZ1—LPZ2實施等電位連接。

分配電櫃線路輸出的電源防雷器作為第二級保護時應為限壓型電源防雷器，其雷電流容量不應低于20KA，應安裝在向重要或敏感用電設備供電的分路配電處。這些電源防雷器對于通過了用戶供電入口處浪湧放電器的剩餘浪湧能量進行更完善的吸收，對于瞬态過電壓具有極好的抑制作用。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相45kA以上，要求的限制電壓應小于1200V，稱之為CLASS Ⅱ級電源防雷器。一般用戶供電系統做到第二級保護就可以達到用電設備運行的要求了

第二級電源防雷器采用C類保護器進行相—中、相—地以及中—地的全模式保護，主要技術參數為：雷電通流容量大于或等于40KA（8/20μs）；殘壓峰值不大于1000V；響應時間不大于25ns。

第三級保護

目的是最終保護設備的手段，将殘餘浪湧電壓的值降低到1000V以内，使浪湧的能量不緻損壞設備。

在電子信息設備交流電源進線端安裝的電源防雷器作為第三級保護時應為串聯式限壓型電源防雷器，其雷電通流容量不應低于10KA。

最後的防線可在用電設備内部電源部分采用一個内置式的電源防雷器，以達到完全消除微小的瞬态過電壓的目的。該處使用的電源防雷器要求的最大沖擊容量為每相20KA或更低一些，要求的限制電壓應小于1000V。對于一些特别重要或特别敏感的電子設備具備第三級保護是必要的，同時也可以保護用電設備免受系統内部産生的瞬态過電壓影響。

對于微波通信設備、移動機站通信設備及雷達設備等使用的整流電源，宜視其工作電壓的保護需要分别選用工作電壓适配的直流電源防雷器作為末級保護。

第四級及以上保護

根據被保護設備的耐壓等級，假如兩級防雷就可以做到限制電壓低于設備的耐壓水平，就隻需要做兩級保護，假如設備的耐壓水平較低，可能需要四級甚至更多級的保護。第四級保護其雷電通流容量不應低于5KA。

浪湧保護器的分類

工作原理分

⒈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。

⒉限壓型：其工作原理是當沒有瞬時過電壓時為高阻擾，但随電湧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、抑制二極管、雪崩二極管等。

⒊分流型或扼流型

分流型：與被保護的設備并聯，對雷電脈沖呈現為低阻抗，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，對雷電脈沖呈現為高阻抗，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

⑴電源保護器：交流電源保護器、直流電源保護器、開關電源保護器等。

交流電源防雷模塊适用于配電室、配電櫃、開關櫃、交直流配電屏等系統的電源保護；建築物内有室外輸入的配電箱、建築物層配電箱；電源型浪湧保護器用于低壓（220/380VAC）工業電網和民用電網；在電力系統中，主要用于自動化機房、變電站主控制室電源屏内三相電源輸入或輸出端。适用于各種直流電源系統，如：直流配電屏；直流供電設備；直流配電箱；電子信息系統櫃；二次電源設備的輸出端。

⑵信号保護器：低頻信号保護器、高頻信号保護器、天饋保護器等。

網絡信号防雷器适用範圍用于10/100Mbps SWITCH、HUB、ROUTER等網絡設備的雷擊和雷電電磁脈沖造成的感應過電壓保護； ·網絡機房網絡交換機防護； ·網絡機房服務器防護； ·網絡機房其它帶網絡接口設備防護； ·24口集成防雷箱主要應用于綜合網絡櫃、分交換機櫃内多信号通道的集中防護信号類電湧保護器視頻信号防雷器适用範圍主要用于視頻信号設備點對點的協擊保護，可保護各種視頻傳輸設備免受來自信号傳輸線的感應雷擊和電湧電壓帶來的危害，對相同工作電壓下的RF傳輸同樣适用。集成式多口視頻防雷箱主要應用于綜合控制櫃内硬盤錄像機、視頻切割器等控制設備的集中防護。