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浪涌电压保护注意事项

更新时间:2024-03-25      点击次数:232

不受管理的浪涌电压可能会导致系统中断或损坏,甚至对用户和操作员造成危险。浪涌保护装置 (SPD),也称为瞬态电压抑制器 (TVS),通常用于通过限制或阻断能量来防止电压浪涌和尖峰。SPD 可以在配电网络、建筑物布线和电子系统中找到。IEC 61000-4-5 定义了电气和电子设备的浪涌电压要求。

过电压浪涌有多种原因,会导致不同的波形(图 1)。浪涌的可能来源多种多样,包括系统中的热插拔模块;电力线路负荷变化大;长电缆或与其他系统并行运行的电缆可能会产生感应电涌,并且;特殊的环境考虑因素,例如连接到车辆电池的汽车或卡车中的设备或可能被闪电击中的具有挑战性的室外位置的设备。

图 1:浪涌波形示例和原因。

浪涌通常具有相似的上升时间和半长,无论其原因如何,从而简化了浪涌建模过程。IEC 61000-4-5 定义了通过组合波发生器 (CWG) 施加的标准化浪涌。为了模拟典型系统中的布线和互连电阻,CWG 定义为 2Ω 输出阻抗。

电流和电压波形由 IEC 61000-4-5 定义(图 2)。电流波形定义为短路状态,而电压波形定义为开路状态。电压波形比电流波形长。开路电压波形定义为上升时间为 1.2μs,半长为 50μs。短路电流波形定义为较长的 8μs 上升时间和更短的 20μs 半长。要获得 2Ω 的有效阻抗,电压波形幅度必须是电流波形幅度的两倍

图 2:开路电压(左)和短路电流(右)的 IEC 61000-4-5 波形。

浪涌保护装置

常见的 SPD 包括金属氧化物变阻器 (MOV)、气体放电管 (GDT) 和硅雪崩二极管 (SAD) 或这些设备的组合。每种技术都提供一组不同的性能和权衡。

金属氧化物变阻器(MOV) 是最常见的 SPD。MOV 是使用氧化锌制成的,氧化锌是一种具有可变电阻的半导体材料。在正常操作下,MOV 呈现高阻抗接地路径,但当受到电压浪涌冲击时,MOV 的电阻急剧下降并提供低阻抗接地。MOV 的使用寿命有限,并且在暴露于许多小瞬变或一些较大瞬变时会退化。

气体放电管(GDT) 使用惰性气体代替氧化锌。在正常操作下,气体是呈现高电阻的不良导体。但是当电压上升到足以使气体电离时,它会呈现出一条低电阻路径并将电涌转移到地面。对于给定尺寸,GDT 可以传导比其他 SPD 更大的电流。与 MOV 一样,GDT 的预期寿命有限,可以承受一些非常大的瞬变或大量较小的瞬变。

硅雪崩二极管(SAD) 也可用于将浪涌能量转移至地面,但与 MOV 或 GDT 相比,它们的电流容量较低。

电阻器、电容器和/或电感器可与 MOV、GDT 或 SAD 一起使用,以提供增强级别的保护。

电涌保护器规格

钳位电压,也称为允通电压,是导致 SPD 钳位或短路的电压。虽然较低的钳位电压可能会提供更好的保护,但它通常会缩短 SPD 的预期寿命。UL 1449 为 SPD 定义了几种钳位电压。用于 120 VAC 应用的标准钳位电压为 330 V。其他常见的钳位电压为 400 和 500 V。

响应时间衡量一旦达到钳位电压,SPD 启动短路所需的时间。与 MOV 相比,GDT 的响应速度较慢。然而,标准测试下的响应时间不一定是比较各种 MOV 的有用衡量标准。所有 MOV 的响应时间都在纳秒范围内,而标准测试波形浪涌持续数十微秒。GDT 速度较慢,但与 MOV 相比通常可以处理更大的浪涌。因此,这两种类型的设备经常一起使用。混合 SPD 可将 GDT 和 MOV 技术组合到一个组件中。

MOV 还具有焦耳 (J) 额定值,用于定义 MOV 在单个事件中可以吸收多少能量而不会发生故障。MOV 的额定值可以超过 1,000 J 和 40,000 A。但是,由于尖峰的实际持续时间仅为几十微秒,因此实际耗散功率很低。

通过并联多个 MOV 可以获得更高的 J 额定值,但这种方法充满挑战。单个 MOV 是不完()美的器件,其电压阈值和非线性响应略有不同。组件中的某些 MOV 预计会比其他 MOV 更敏感,从而导致称为电流暴涨的现象,其中更敏感的 MOV 传导更多电流并更快开启。因此,当出现浪涌时,MOV 从最敏感的设备到最不敏感的设备依次打开。这种行为有两个后果:最敏感的 MOV 会承受更大的压力并且使用寿命更短。组件的实际 J 额定值低于单个 MOV J 额定值的总和。有效 J 额定值取决于 MOV 匹配,通常需要降额 20% 或更多。这些组件采用精心匹配的 MOV 组。匹配是根据制造商的规格进行的,但还不够完()美。

最后,假设 MOV 承受连续过压条件而不是短时电压浪涌。在这种情况下,它可能会进入热失控状态,导致过热、冒烟甚至起火。UL 1449 要求保护 MOV 免受热失控。在大多数系统中,热熔断器或热切断 (TCO) 设备可保护 MOV 免受热失控。

为了获得最佳保护,多个带有串联 TCO 器件的 MOV 并联放置在三个导电对(LL、LG 和 NG)中的每一个上(图 3)。此外,线路中放置了一个标准保险丝,以保护系统免受过流情况的影响。保险丝的额定电流通常高于 UL 1449 测试期间流经电路的电流。混合器件可在单个封装中组合 MOV 和热熔断器,从而减少组件数量并缩小解决方案尺寸。

图 3:显示保险丝和 TCO 位置的典型 MOV 应用。

浪涌测试

输入浪涌电压测试测试方法在 IEC 61000-4-5 中有详细说明,终端系统要求定义了限制。该测试使系统承受指()定输入电压之上的电压尖峰。尖峰模拟可能由从闪电到大型电机驱动等各种来源引起的干扰。

系统的安装等级决定了测试级别(图 4)。大多数商用 AC/DC 电源都是 3 级安装设备,并针对线路/中性线和地之间的 2kV 共模浪涌以及线路和中性线之间的 1kV 差模浪涌进行了测试。

图 4:IEC EN 61000-4-5 浪涌测试等级。

此外,该测试基于从 A 到 C 的三级等级,指()定了系统对浪涌电压所需的响应。性能标准 A 要求系统运行不会因测试而发生变化。为满足标准 B,系统在浪涌事件期间会经历一些操作或功能变化,但随后会自动恢复。如果在浪涌事件后需要用户干预来恢复系统运行,则系统满足标准 C。如果浪涌损坏系统,则无法通过测试。

IEC61000-4-5 中详细说明了电压尖峰如何发生、发生位置、需要的电压电平和波形、尖峰频率以及尖峰之间的持续时间。但该标准并未详细说明如何确定性能标准级别是 A、B 还是 C。该决定取决于设备制造商。

概括

如果不受交流线路浪涌和电压尖峰的保护,系统可能会遭受损坏。各种 SPD 技术使设计人员能够针对特定应用要求优化电涌保护网络。在某些情况下,多种 SPD 技术(例如 MOV、GDT 和 SAD)组合用于混合解决方案。按照 UL 1449 的规定,MOV 通常与 TCO 器件结合使用以保护热失控。IEC 61000-4-5 规定了通用输入浪涌电压测试方法,包括多次浪涌测试和系统分类性能级别。


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