防雷元件的选择和应用

防雷元件的选择和应用随着微电子技术的发展，大规模及超大规模集成电路相继出现，且广泛用于通信、测量、监控和计算机系统等电子设备（系统）中。

这类元器件具有着极为广阔的发展前景。

然而，他最明显的缺点就是抗过电压能力和抗干扰性能力很低，易受雷电等电磁脉冲和其他过电压的损坏，继而造成电路和设备的损坏。

因此，提高与加强这些设备放过电压的能力是迫在眉睫的事情。

一、设备受雷击的途径雷电直击地面（物体）和/或空中雷云间放电时产生强烈的冲击电磁场，在设备和传输线上感生雷电过电压，从而损坏设备或传输线路。

从所掌握的资料表明，除少数属雷电直击或空间感应外，绝大部分是因为雷电行波从室外的传输线引人而损坏设备的。

这些室外传输线包括传输信息的金属引入（出）线路和用以馈电的交（直）流线路。

传输信息线路有架空线路、埋地线路、钢轨或其他类似的传导体。

而架空线主要指通信明线、架空电（广）缆或其他性能相近的线路；埋地线路则有埋地（对称、同轴）电缆和光缆等。

传输线路上引入的过电压分为纵向（共模）过电压和横向（差模）过电压两类。

在平衡（对称）线路上某点出现的线与地之间的过电压成为纵向过电压；平衡（对称）线路间或不平衡线路（如同轴电缆）的线路与地之间出现的过电压成为横向过电压。

一般情况下，横向过电压低于纵向过电压。

但在比较极端的情况下，横向过电压可具有与纵向过电压相同的幅值和特续时间。

若某些系统有中继设备和远供回路时（如通信系统的增音机），当前、后段的线路感应有不同的过电压时，还会造成顺线路方向的纵向过电压，同样损坏设备，这一点易为人们所忽视。

传输线路因其自身结构的原因、雷电行波传输过程的差异，以及纵向保护元件动作时间的不同等，令分别出现在量平衡献上的纵向过电压不相等，从而形成横向过电压（不平衡线路上的横向过电压即纵向过电压）。

纵向过电压损坏设备线于地（机壳0之间的绝缘，但横向过电压则像信号般在线间传输，尽管其幅值不很高，却足以损坏既敏感，耐压水平又很低的元器件和内部电路。

二、雷击保护的基本原则欲使设备得到很好的保护，首先应对其所处的环境、受雷电影响的程度做出客观的估计，因他于出现过电压的幅值、概率、网络结构、设备抗电能力、保护水平和接地等有关。

不过，防雷工作应作为一项系统工程来考虑，强调全面防护（包括建筑物、传输线路、设备和接地等），综合治理，且要做到科学、可靠、使用和经济。

我们并不一定要求对雷电进行100%的防护，允许有一定的风险率，这当然应通过一定的技术经济比较以后才可确定。

总的来说，考虑防雷时可归纳为如下3种主要方法。

1. 采用躲避的方法这是非常重要的、经济有效的措施。

应正确的选择线路的路由、站址（设备安放点），有意识的尽量避开在理论上、经验上和实际上证实的雷击区或雷击点。

2. 对雷电进行横截这需要外加一定的保护元器件，旁路或限制进入系统内的雷电压（流），从而减轻系统受损的程度或在系统能承受的水平之下。

3. 提高系统的耐雷水平从改善系统的结构人手，通过对危险性的估计，规定线路、设备的介质绝缘强度、耐冲击能力等，提高其自身的耐雷能力（改善设备的伏秒特性）。

三、保护元件的选择上一张提到的三条保护原则中，后面两条均需要外加一些保护元件才能实现。

本章仅就常用保护元件的选择问题作进一步论述。

1. 保护元件的分类保护元件的分类保护元件从不同角度考虑，可粗分如下。

（1）从导通的类型分空间空隙：如空气隙碳精放电器放电型密封间隙：如气体放电管开关型：顺态二极管限幅型：压敏电阻、稳压管（齐纳管）、开关二极管（2）从功能分。

开关型过压保护放电型（并联用）限幅型过流保护非自复型（串联用）自复型：正温度系数热敏电阻不中断隔离变压器传输信号排流线圈上述的保护元件可以是单个元件，也可以由几种不同功能的元件组合而成为更复杂的组件（后文还会提及）。

2. 保护元件应具备的特性本文主要介绍过电压保护元件的特性。

过电压保护元件与迅速的将外来的冲击能量全部或部分分泻放掉，不让其进入设备内部，达到保护的目的，其必须具备如下的性能。

（1）能承受一定的冲击能量，尤其是在于其强大的雷电流作用下也不致损坏。

（2）能迅速的抑制瞬间过电压，且其残压应低于设备的安全值。

（3）对过电压的影响速度要快。

在正常状态时是高阻抗。

且从高（低）阻抗状态转到低（高）阻抗状态的时间极短。

（4）元件本身有高的可靠性和稳定性，受多次冲击而性能不变。

3. 主要保护元件的电气性能（1）气体放电管。

将一个或一个以上的放电间隙封装在玻璃、陶瓷管或其它介质内，管内再充以一定压力的惰性气体（如氩气等），就构成了一支气体放电管（下称放电管）。

常用的有二极管和三极管，亦曾称有五级放电管。

放电管主要的电气指标有标称直流击穿电压、冲击击穿电压、耐工频电流能力和耐冲击电流能力等。

标称直流击穿电压是在放电管击间施加缓慢上升的指示放电管发生了击穿时刻的直流电压（如图1所示中的VA）。

它反映了放电管可以使用的场合，而不导致电路工作不正常。

放电管未击穿前相当于开路状态。

冲击击穿电压则指放电管在冲击电压作用下的击穿（动作）电压值。

这个值非常重要，他代表其保护效果的好与坏，通常他甚至高于标称直流击穿电压值。

如标称值为230V的放电管，其冲击击穿电压值（残压）约高达600~800v（1Kv/µs），如图1所示中的VA。

冲击击穿电压值与施加至极间冲击波性的波前（沿）陡度有明显的关系，即波前越陡，电压值越高，反之亦然。

当陡度降得很缓慢时，即为标称直流击穿电压值。

这一特性常以放电管冲击击穿电压和放电（动作）时间关系的“伏秒特性”曲线来描述（如图2所示）。

图中的曲线越平直、越靠近Vdc值，则其保护效果越好。

（图2 冲击击穿电压和放电时间关系(伏秒特性)）耐电流能力可以说是寿命指标，也可以说是能力指标。

表明他承受工频点六和冲击电流的水平，也是一个重要的指标。

耐冲击电流的数值与所加冲击电流波形直接相关，不同的波形，其值差别很大。

放电管的耐冲击电流可达20kA(8/20µs)以上。

对于气体放电管的指标要求，国标GB9043和I-TU-T(原CCITT)的K.12建议都有明确规定。

应特别提出的是“横向电压”指标，以其3个（以上）间隙的击穿时间差来衡量，也是三级以上的放电管所独有的。

三（多）级放电管最大的优点是将3个以上的间隙密封于一个空间内，当其中任一间隙击穿放电时，由于气体的电离和光的作用等，提前引发其余间隙迅速放电，令各电极间的电位差很小，即横向电压很低。

这对平衡电路的横向保护有很好的效果。

1个三级放电管[如土3(a)所示]其保护效果优于使用3个二级放电管[如图3(b)所示]，更优于仅使用两个纵向保护二级放电管[如图3(b)所示中没有G3的情况]。

通常在a、b线上所感应的雷电压Uae(U’ae)和Ube(U’be)，当线路结构、绝缘等条件相同，放电管尚未击穿前，Uae(U’ae)≈Ube(U’be)，则Uab(U’ab)≈0。

但当放电管一旦击穿，可能出现下列两种情况。

4所示的时间差ta-tb，横向电压Uab(U’ab)≠0，GB9043中规定ta-tb≤200ns，当冲击波形的上升速率规定后，实际上是限制了横向电压的值。

由于气体介质中的击穿放电是随机现象，故对他的击穿电压（包括直流和冲击）值不能简单的一个别样品的个别数据来判定。

多年来，我们通过对大量实测击穿电压值进行研究，观察其实际分布情况，并利用亨利直线法进行检验。

结果表明，放电管的击穿电压基本上符合正态分布。

所以，用统计评定方法是可行的，这已在GB9043中使用，ITU-T也以此为基础修改了K.12建议。

其实，保护性能的优劣，主要比较保护元件在冲击电压（电流）作用下放电时，极间残压的高低，当然是越低越好。

以往对残压这个概念有些人产生误解，认为击穿（放电）后的极间电压（如图1所示的VC）为残压，其实不然。

因为比VC高得多的VA等早已进入设备内部，甚至损坏设备（电路）。

所以，对残压的更准确理解为包括为使保护元件动作的过电压，保护元件动作前的瞬态、保护元件动作后的端电压和保护动作引起的电路顺保护元件动作后的端电压和保护动作引起的电路瞬态等。

因而在进行保护设计时必须考虑上述各种过电压值，否则，该保护设计是不成功的。

（2）压敏电阻。

压敏电阻是一种由氧化锌（或碳化硅）晶体微粒组成的多晶半导体过电压抑制器件，典型的限幅型过电压保护器件。

实际上是一种电阻值随外加电压变化的非线性元件（如突5所示）与放电管相比，他对冲击电压的相应更快，可达纳妙级。

压敏电阻的主要技术指标有压敏电压、残压或残压比、耐流能力和极间电容等。

（图5 氧化锌压敏电阻伏安特性曲线）从图5可看出通过压敏电阻的电流I不同时，两端的电压是不同的（非线性），为了便于统一、比较和使用，规定通过的电流为1mA是两端的电压成为“压敏电压”（也有成起始电压），记作U1mA，也是标称值。

而被保护点的工作电压值应低于此值，越仅为U1mA值得0.75倍或更低。

残压含义如前所述，他指压敏电阻上通过某一量级的冲击（浪涌）电流是两端的电压值。

当不同的压敏电阻统一相同的冲击电流（如10kA）时，残压低的保护效果较好。

若已通过不同的冲击电流而评定其残压高低或保护效果的优劣是不准确的。

因为不同产品、规格的压民电阻其伏安特性会有较大差异。

压敏电阻有一个衡量其吸收能量能力的指标，称为非线性系数α，其定义为：（……）从保护观点来看，显然α值越小越好，α值越小，说明流经压敏电阻的电流变化很大，而端电压变化很小。

也就是说，增加的电流部分，几乎全部都被非线性电阻吸收。

若α值接近于零，表示端电压与其上流过电流的大小无关，近乎常数，这是最理想了的。

优势，相关的资料上没有提供残压指标，却给出“残压比”的数值，作用都是一样的。

“残压比”意指通过某一量级冲击电流时的残压（如突5所示的U1）值与压敏电压（U1mA）值之比，即：残压比=U1/U1mA所以，当知道残压比后，从上式可很容易算的残压值U1（某量级的冲击电流下），给保户设计带来方便。

目前的残压比约为1.5~3.0。

选用压敏电阻时，多以标称值即压敏电压值为依据，在进行保护设计时更关键的是知道其残压值。

压敏电阻能力的强弱以耐流能力（通流容量）来衡量。

理论上耐流能力越强越好，这样可以承受较强电流的冲击。

但实际使用时则有具体情况酌情选用。

常用的压敏点阻耐冲击电流能力亦高达10kA（8/20µs）以上，只是体积和电容量随通流容量的增大而增大。

还需要考虑的是压敏电阻的阻值（非动作时）并非无限大，工作与有恒定电压的情况下，会存在一定的漏电流，若产品质量不好，漏电流会逐渐增大甚至自行损坏。

况且，长时间流过这些微弱电流也会形成温升，只是慢慢老化而缩短寿命或发生爆炸。

随着技术水平的提高，上述情况已有所改善。