压敏电阻及过压保护器在雷电防护中应用


氧化锌压敏电阻器的性能


    氧化锌压敏电阻器是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、经典型的电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件。由于其独特的晶界结构,在一定电场下,晶界导电由热电子发射传导瞬间转变为电子隧道传导,其电阻值随着电压的增大而急剧减小,具有优异的非线性伏安特性。


    当存在过电压时,晶界电子隧道效应抑制过电压峰值增长,吸收部分过电压能量,从而起到对线路或设备的防护作用。但是,不论压敏电阻器应用在电力线路或电子线路,若各种类型的过电压频繁出现,则压敏电阻器就会频繁动作以抑制过电压幅值和吸收释放浪涌能量,保护电气设备及元器件,这势必会导致压敏电阻器的性能劣化乃至失效。


    压敏电阻器的失效方式有3种:


    (1)劣化,表现为漏电流增大,压敏电压显著下降,直至为零;


    (2)炸裂,若过电压引起的浪涌能量太大,超过了所选用的压敏电阻器极限承受能力,则压敏电阻器在抑制过电压时将会发生陶瓷炸裂现象;


    (3)穿孔,若过电压峰值特别高,导致压敏电阻器陶瓷瞬间发生电击穿,表现为穿孔。


    其中,在进行分级防雷保护前提下,压敏电阻器的失效模式绝大部分表现为劣化和穿孔(即短路),因此,在使用压敏电阻器时,必须与之串联一个合适的断路器或保险丝,避免电路短路引起事故。


    目前,国际上流行的过电压保护器就是将压敏电阻器与限流、过流和劣化告警装置有机地组合在一起,它除了具有过电压保护功能外,还具有防止自身劣化、导致电路短路的功能。


    氧化锌压敏电阻器与过电压保护器的应用


    雷电是一种强电磁波,它会在载流导体中产生瞬间感应过电压。除防护直击雷电之外,更重要的是防护雷电感应过电压。实际上,雷电对电气设备的破坏主要来自感应过电压。因此,对感应过电压的防护已成为人们着重研究的课题。如已发布了建筑物和电气设备内部防雷即感应过电压防护的国家标准和IEC标准。通常,雷电波是通过电源线、信号传输线和空间交变电磁场感应到线路和电气设备中,对线路和电气设备的保护应从电源系统的防雷、信号系统的防雷和空间屏蔽3方面进行。


    电源系统的过电压防护


    依据线路绝缘结构理论及IEC61312、IEC664-1、IEC61643、GB50097-1994(2000年版)等标准,对建筑物和电气设备(如第三类防雷建筑物)进行感应过电压防护的绝缘结构,如图1所示。


    在220V/380V线路中的每一区域,都应该在其前面并联氧化锌压敏电阻器或过电压保护器,雷电感应过电压能量将通过逐级的防雷器件吸收和释放到大地中,达到保护线路和设备免受雷电破坏的目的;虽然应用于Ⅳ、Ⅲ区域的过电压保护器具有自身劣化断开电源的功能,但考虑到不同的接地状况,还应与过电压保护器串联合适的熔断器或空气开关。


    信号线的过电压防护


    随着信息技术的高速发展,通信网络、数据网络和计算机网络系统中的重要设备更易被雷电感应过电压破坏,因此数据信号线路的过电压防护迫在眉睫,随之产生了由线路结构决定的计算机串口、数据线和同轴电缆专用的过电压保护器。这些防护元件一般由三极放电管与快速嵌位二极管相结合的两级保护组成,额定脉冲电流大于5kA(8μs/20μs),响应时间小于1ns,具有很低的工作电压、很高的使用频率和传速频率、很低的插入损耗。


    设备的电磁屏蔽


    空间电磁场会对其附近一定空间内的电源设备和信号数据线路及其元器件产生破坏,目前只能通过对设备和线路按各自的防雷区施行多级屏蔽及屏蔽层良好接地的方法来避免此类问题的发生。但是,感应过电压防护效果与设计方案、施工质量及成本费用有极大关系,很难达到理想的屏蔽效果。因此对雷电感应过电压的防护主要集中在电源线和信号线系统,特别是在信号数据线路中使用的过电压保护器应该具有电磁屏蔽功能。

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